@PhDThesis{Barbosa:2021:MeSeTé,
author = "Barbosa, Adilson Luiz",
title = "Metodologia para sele{\c{c}}{\~a}o de t{\'e}cnicas de
mitiga{\c{c}}{\~a}o de falhas devido aos efeitos da
radia{\c{c}}{\~a}o em FPGAs COTS",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2021",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2021-03-31",
keywords = "COTS, FPGA, falhas, mitiga{\c{c}}{\~a}o, radia{\c{c}}{\~a}o,
failures, mitigation, radiation.",
abstract = "O FPGA (Field Programmable Gate Array) {\'e} um circuito
integrado utilizado em projetos eletr{\^o}nicos, de
telecomunica{\c{c}}{\~o}es e de redes de computadores. Suas
vantagens podem ser resumidas nos aspectos de densidade, altos
{\'{\i}}ndices de desempenho e menores custos de
fabrica{\c{c}}{\~a}o. Os COTS (Commercial Off-the- Shelf)
s{\~a}o componentes eletr{\^o}nicos comerciais, n{\~a}o
classificados no padr{\~a}o espacial. Em algumas miss{\~o}es de
sat{\'e}lites h{\'a} possibilidade de implementar sistemas
tolerantes a falhas com componentes COTS.O FPGA COTS deve
funcionar bem com as aplica{\c{c}}{\~o}es da miss{\~a}o e ser
capaz de operar de forma eficaz no meio ambiente da mesma. A
estrat{\'e}gia de toler{\^a}ncia a falhas deve ser apropriada de
modo a garantir a opera{\c{c}}{\~a}o correta, sem sobrecarga
excessiva de recursos. Apesar das vantagens mencionadas, um dos
problemas mais relevantes em qualquer miss{\~a}o espacial {\'e}
a dose de radia{\c{c}}{\~a}o, que pode causar danos em
dispositivos eletr{\^o}nicos, c{\'e}lulas solares e materiais.
Al{\'e}m dos efeitos da radia{\c{c}}{\~a}o deve-se tamb{\'e}m
considerar o embargo de componentes e materiais resistentes {\`a}
radia{\c{c}}{\~a}o. Assim, os dispositivos eletr{\^o}nicos COTS
apresentam-se como uma oportunidade, mas necessitam de processos
de mitiga{\c{c}}{\~a}o para atenderem {\`a}s demandas por
produtos espaciais. O principal desafio de projeto {\'e} a
sele{\c{c}}{\~a}o dessa estrat{\'e}gia no dispositivo devido
aos efeitos da radia{\c{c}}{\~a}o. Esta tese tem por objetivo
propor uma metodologia para auxiliar os engenheiros
eletroeletr{\^o}nicos no processo de escolha de t{\'e}cnicas de
mitiga{\c{c}}{\~a}o de falhas devido aos efeitos da
radia{\c{c}}{\~a}o para um sistema espacial que utilize FPGA
COTS. Para atingir este objetivo prop{\~o}e uma metodologia
sequencial, abrangente e evolutiva, abordando as t{\'e}cnicas
pesquisadas em um per{\'{\i}}odo espec{\'{\i}}fico (2000 a
2019), denominada de MFPM (Metodologia de Mitiga{\c{c}}{\~a}o de
Falhas baseada em Par{\^a}metros e M{\'e}tricas). A MFPM
tamb{\'e}m {\'e} geral e relevante para que o engenheiro possa
fazer uma sele{\c{c}}{\~a}o satisfat{\'o}ria conforme o
projeto, inserido em uma miss{\~a}o. Para avaliar as
t{\'e}cnicas de mitiga{\c{c}}{\~a}o das falhas e o estado da
arte do assunto proposto, este trabalho tem como base uma pesquisa
bibliogr{\'a}fica explorat{\'o}ria. A valida{\c{c}}{\~a}o da
metodologia {\'e} realizada por estudo de caso e a
verifica{\c{c}}{\~a}o por compara{\c{c}}{\~a}o da t{\'e}cnica
escolhida com outras, utilizando exemplos espec{\'{\i}}ficos de
FPGAs. A metodologia aborda o maior n{\'u}mero poss{\'{\i}}vel
de t{\'e}cnicas de mitiga{\c{c}}{\~a}o pesquisadas no
per{\'{\i}}odo de estudo e proporciona aperfei{\c{c}}oamentos
em outros gaps identificados nas estruturas de sele{\c{c}}{\~a}o
do estado da arte. Com a aplica{\c{c}}{\~a}o dos algoritmos
relativos {\`a}s t{\'e}cnicas mais relevantes para o estudo de
caso, foram avaliados tr{\^e}s FPGAs. A metodologia proposta
(MFPM) demonstra ser vi{\'a}vel e aponta a t{\'e}cnica de TMR
(Triple Modular Redundancy) como a mais indicada para o estudo de
caso. Esta constata{\c{c}}{\~a}o foi devida a todos os
par{\^a}metros e m{\'e}tricas envolvidos, com valores de
pot{\^e}ncias compat{\'{\i}}veis com o circuito (projeto) e
confiabilidades esperadas para essa categoria de miss{\~a}o.
Finalmente, conclui-se que este trabalho atinge o objetivo
principal proposto e os espec{\'{\i}}ficos como:
identifica{\c{c}}{\~a}o das oportunidades (estados da arte e
pr{\'a}tica), {\^e}nfase em miss{\~o}es de curta
dura{\c{c}}{\~a}o (at{\'e} 3 anos) para o estudo de caso,
per{\'{\i}}odo amplo de pesquisa das t{\'e}cnicas,
observa{\c{c}}{\~a}o da tecnologia empregada e
supera{\c{c}}{\~a}o dos gaps. ABSTRACT: FPGA (Field Programmable
Gate Array) is an integrated circuit used in electronic,
telecommunications, and computer network projects. We can
summarize the advantages of FPGA in terms of density,
high-performance, and lower manufacturing costs. COTS (Commercial
Off-the-Shelf) are commercial electronic components, not
classified in the spatial standard. In some satellite missions, it
is possible to implement fault-tolerant systems with COTS
components. The FPGA COTS must work well with the mission and be
able to operate effectively in the environment. The fault
tolerance strategy must be adequate to guarantee a correct
operation without excessive resource overload. Despite the
mentioned advantages, one of the most relevant problems in any
space mission is a radiation dose, which can cause damage to
electronic devices, solar cells, and materials. Besides the
effects of radiation, we should also consider the embargo of
radiation-resistant components and materials. COTS electronic
devices present themselves as an opportunity, but they need
mitigation processes to meet the demands for space products. The
project's primary challenge is the strategy of the device because
of the effects of radiation. This thesis aims to propose a method
to assist electronics engineers in choosing fault mitigation
techniques because of the impact of radiation on a space system
that uses FPGA COTS. To achieve this aim, proposes a sequential,
comprehensive, and evolutionary method, addressing the techniques
researched in a specific period (2000 to 2019), called MFPM
(Failure Mitigation method based on Parameters and Metrics). The
MFPM is also general and relevant so that the engineer can make a
good selection according to the project, inserted in a mission.
This work is based on exploratory bibliographic research to assess
fault mitigation techniques and the state-of-art the proposed
topic. The case study validates the methodology and performs the
verification by comparing the chosen strategy with others, using
specific FPGAs. The method addresses the most significant possible
number of mitigation techniques researched during the study period
and provides improvements in other gaps identified in
state-of-the-art selection structures. In the case study, the
algorithms evaluate three FPGAs related to the most relevant
techniques. The proposed method (MFPM) proves to be viable and
points to the TMR (Triple Modular Redundancy) strategy as the most
suitable for the case study. This finding was because of all
parameters and metrics involved, with power values compatible with
the circuit (project) and expected reliability for this mission
category. To conclude, that work reaches the main aim proposed and
specific ones such as identification of opportunities
(state-of-the-art and practice), emphasis on short-term missions
(up to 3 years) for the case study, an extensive period of
research of the techniques, observation of the technology employed
and overcoming the gaps.",
committee = "Rossi, Jos{\'e} Osvaldo (presidente) and Manea, Silvio
(orientador) and Loureiro, Geilson (orientador) and Garbi,
Giuliani Paulineli (orientador) and Santos, Walter Abrah{\~a}o
dos and Rabello, Ana Paula de S{\'a} Santos and Duarte, Jos{\'e}
Marcelo Lima and Vidal, Francisco Jos{\'e} Targino and Silveira,
Jarbas Aryel Nunes da",
englishtitle = "Methodology for the selection of fault mitigation techniques due
to the effects of radiation in COTS FPGAs",
language = "pt",
pages = "232",
ibi = "8JMKD3MGP3W34R/44MPJU2",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34R/44MPJU2",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "10 maio 2024"
}