COTS FPGAs in space : From old concerns to new possibilities

Abstract

Die Raumfahrtindustrie wurde lange Zeit von staatlichen und interstaatlichen Organisation sowie einigen wenigen großen Raumfahrtorganisationen dominiert. Dies hat sich jedoch in den letzten Jahren geändert. Unter dem Begriff NewSpace versteht man den globalen Einzug aufstrebender Privatunternehmen in diesen Markt. Um den neuen Anforderungen genügen zu können, die NewSpace mit sich bringt, müssen neue Arbeitsweisen und Prozesse entwickelt werden. Einen der größten Kostentreiber bei der Hardware von Satelliten und Raketen stellt die Elektronik dar. Um die Kosten für diese Komponenten zu senken ist es auf längere Sicht unerlässlich COTS FPGAs einzusetzen. Da diese jedoch nicht für den Einsatz im Weltraum konzipiert sind, ist es die Aufgabe der Raumfahrtunternehmen Maßnahmen auf Designebene zu treffen um eine ausreichende Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Die vorliegende Arbeit untersucht im Auftrag der Ruag Space GmbH geeignete Verfahren zur Gewährleistung der Fehlertoleranz beim Einsatz von COTS FPGAs in Raumfahrt-Projekten. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Anwendung von konventionellen Verfahren zum Schutz von SRAM-basierten FPGAs. Neben den Herausforderungen die der Einsatz von COTS Komponenten mit sich bringt, stellen diese auch neue Features zur Verfügung. Eines dieser Features ist die partielle Rekonfiguration. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Lancierung eines neuen Verfahrens zur Erhöhung der Fehlertoleranz, welches auf konventionellem Coarse-Grain TMR beruht. Durch den Einsatz von partieller Rekonfiguration mit einem Korrekturdesign ist es möglich, einen fehlerfreien Zustand der replizierten Schaltung wiederherzustellen. Außerdem kann die zyklische Anwendung des Korrekturdesigns die Akkumulation von Fehlern verhindern, was die Zuverlässigkeit des Systems weiter steigert.

The term NewSpace refers to the global entry of emerging commercial companies into the space market. NewSpace opens new ways of thinking and employing workflows. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have a significant impact on the overall costs of spacecrafts. Consequently, in order to be competitive in this new era, the utilization of COTS FPGAs is inevitable. However, these devices are sensitive to radiation effects, as they occur in space. On behalf of RUAG Space GmbH, this thesis investigates conventional fault mitigation techniques and introduces a new fault correction method. The most commonly deployed techniques are memory scrubbing and TMR. Scrubbing refers to a technique that periodically checks a memory for errors and corrects them if necessary. Therefore, an EDAC code is applied to the memory. TMR triplicates a design and voters are used to generate a correct output. Depending on the level of granularity on which the design is triplicated, different properties arise. Fine-Grain TMR (FGTMR) allows safe recovery, but incurs prohibitive area and performance penalties. In contrast, Coarse-Grain TMR (CGTMR) has little overhead, but cannot safely provide recovery without roll-back or reset. The new approach, proposed in the present work, uses the Partial Reconfiguration feature of modern FPGAs to augment an initially CGTMR with the ability of temporarily loading a FGTMR design for forward-state-recovery. Therefore, a correct (fully redundant) operation can seamlessly be resumed in case of data- as well as configuration faults within the FPGA. A showcase design is implemented to evaluate conventional fault mitigation techniques and as a proof of concept for the new method as well. In addition to this practical demonstration, the reliability of selected techniques, including the new approach, is investigated theoretically by modeling their behaviour with Markov chains.