Fault-Tolerant Many-Cores for Mixed-Critical Real-Time Systems

Rambo, Eberle Andrey ORCID

Current and future computing systems must be appropriately designed to cope with random hardware faults in order to provide a dependable service and correct functionality. Dependability has many facets to be addressed when designing a system and that is specially challenging in mixed-critical real-time systems, where safety standards play an important role and where responding in time can be as important as responding correctly or even responding at all. The thesis addresses the dependability of mixed-critical real-time systems, considering three important requirements: integrity, resilience and real-time. More specifically, it looks into the architectural and performance aspects of achieving dependability, concentrating its scope on error detection and handling in hardware -- more specifically in the Network-on-Chip (NoC), the backbone of modern MPSoC -- and on the performance of error handling and recovery in software. The thesis starts by looking at the impacts of random hardware faults on the NoC and on the system, with special focus on soft errors. Then, it addresses the uncovered weaknesses in the NoC by proposing a resilient NoC for mixed-critical real-time systems that is able to provide a highly reliable service with transparent protection for the applications. Formal communication time analysis is provided with common ARQ protocols modeled for NoCs and including a novel ARQ-based protocol optimized for DMAs. After addressing the efficient use of ARQ-based protocols in NoCs, the thesis proposes the Advanced Integrity Q-service (AIQ), a low-overhead mechanism to achieve integrity and real-time guarantees of NoC transactions on an End-to-End (E2E) basis. Inspired by transactions in distributed systems, the mechanism differs from the previous approach in that it does not provide error recovery in hardware but delegates the task to software, making use of existing functionality in cross-layer fault-tolerance solutions. Finally, the thesis addresses error handling in software as seen in cross-layer approaches. It addresses the performance of replicated software execution in many-core platforms. Replicated software execution provides protection to the system against random hardware faults. It relies on hardware-supported error detection and error handling in software. The replica-aware co-scheduling is proposed to achieve high performance with replicated execution, which is not possible with standard real-time schedulers.

Um einen zuverlässigen Betrieb und korrekte Funktionalität zu gewährleisten, müssen aktuelle und zukünftige Computersysteme so ausgelegt werden, dass sie mit diesen Fehlern umgehen können. Zuverlässigkeit hat viele Aspekte, die bei der Entwicklung eines Systems berücksichtigt werden müssen. Das gilt insbesondere für Echtzeitsysteme mit gemischter Kritikalität, bei denen Sicherheitsstandards, die ein korrektes und rechtzeitiges Verhalten fordern, eine wichtige Rolle spielen. Diese Dissertation befasst sich mit der Zuverlässigkeit von gemischt-kritischen Echtzeitsystemen unter Berücksichtigung von drei wichtigen Anforderungen: Integrität, Resilienz und Echtzeit. Genauer gesagt, behandelt sie Architektur- und Leistungsaspekte die notwendig sind um Zuverlässigkeit zu erreichen, wobei der Schwerpunkt auf der Fehlererkennung und -behandlung in der Hardware – genauer gesagt im Network-on-Chip (NoC), dem Rückgrat des modernen MPSoC – und auf der Leistung der Fehlerbehandlung und -behebung in der Software liegt. Die Arbeit beginnt mit der Untersuchung der Auswirkung von zufälligen Hardwarefehlern auf das NoC und das System, wobei der Schwerpunkt auf weichen Fehler (soft errors) liegt. Anschließend werden die aufgedeckten Schwachstellen im NoC behoben, indem ein widerstandsfähiges NoC für gemischt-kritische Echtzeitsysteme vorgeschlagen wird, das in der Lage ist, einen höchst zuverlässigen Betrieb mit transparentem Schutz für die Anwendungen zu bieten. Nach der Auseinandersetzung mit der effizienten Nutzung von ARQ-basierten Protokolle in NoCs, wird der Advanced Integrity Q-Service (AIQ) vorgestellt, der ein Mechanismus mit geringem Overhead ist, um Integrität und Echtzeit-Garantien von NoC-Transaktionen auf Ende-zu-Ende (E2E)-Basis zu erreichen. Inspiriert von Transaktionen in verteilten Systemen unterscheidet sich der Mechanismus vom bisherigen Konzept dadurch, dass er keine Fehlerbehebung in der Hardware vorsieht, sondern diese Aufgabe an die Software delegiert. Schließlich befasst sich die Dissertation mit der Fehlerbehandlung in Software, wie sie in schichtübergreifenden Methoden zu sehen ist. Sie behandelt die Leistung der replizierten Software-Ausführung in Many-Core-Plattformen. Es setzt auf hardwaregestützte Fehlererkennung und Fehlerbehandlung in der Software. Das Replika-bewusste Co-Scheduling wird vorgeschlagen, um eine hohe Performance bei replizierter Ausführung zu erreichen, was mit Standard-Echtzeit-Schedulern nicht möglich ist.

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Rambo, Eberle: Fault-Tolerant Many-Cores for Mixed-Critical Real-Time Systems. 2019.

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