RAKSHA:Reliable and Aggressive frameworK for System design using High-integrity Approaches

125 Pages·2016·2.73 MB·English

Iowa State University Capstones, Theses and
Graduate Theses and Dissertations
Dissertations
2012
RAKSHA:Reliable and Aggressive frameworK for
System design using High-integrity Approaches
Naga Durga Prasad Avirneni
Iowa State University
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Avirneni, Naga Durga Prasad, "RAKSHA:Reliable and Aggressive frameworK for System design using High-integrity Approaches"
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RAKSHA:ReliableandAggressiveframeworKforSystemdesignusingHigh-integrity
Approaches
by
NagaDurgaPrasadAvirneni
Adissertationsubmittedtothegraduatefaculty
inpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeof
DOCTOROFPHILOSOPHY
Major: ComputerEngineering
ProgramofStudyCommittee:
ArunK.Somani,MajorProfessor
AkhileshTyagi
FernandezBaca
JosephZambreno
PhillipJones
ZhaoZhang
IowaStateUniversity
Ames,Iowa
2012
Copyright(cid:13)c NagaDurgaPrasadAvirneni,2012. Allrightsreserved.
ii
Tomydearparents
Tomylovingsisters
Tomybelovedfriends
iii
TABLEOFCONTENTS
LISTOFTABLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii
LISTOFFIGURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
ACKNOWLEDGEMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii
CHAPTER1. INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 FaultTolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 EnergyEfficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 ThesisContributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Organization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
CHAPTER2. BACKGROUND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1 Better-Than-Worst-CaseDesigns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 SoftErrorAwareComputing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 ProblemofFalseErrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 DataLatchingSchemes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 PowerEfficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 TaskScheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5 Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
CHAPTER3. RELIABLEANDAGGRESSIVEDESIGNS . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1 ReliableandAggressiveFramework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1.1 Anopportunityforincreasingperformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
iv
3.1.2 Reliableoverclockingmechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 PerformanceAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2.1 Errorratecharacterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
CHAPTER4. HIGHINTEGRITYTECHNIQUES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.1 ChapterContributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.1.2 ChapterOrganization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2 SoftErrorMitigationForHighPerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2.1 Problemoffalseerrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2.2 SEMcellDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2.3 TimingConstraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2.4 SoftErrorDetectionandRecovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2.5 FaultToleranceAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3 SoftErrorMitigationInAggressiveDesigns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3.1 ErrorDetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3.2 TimingConstraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3.3 ErrorRecovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3.4 FaultToleranceAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.4 PipelineDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4.1 ClockControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.4.2 DynamicFrequencyScaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.4.3 FixedFrequencyOperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.4.4 PipelineErrorRecovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.4.5 PerformanceAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4.6 ImpactofProcessVariation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.4.7 Overheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.5 LocalClockManagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.5.1 CaseStudy: LocalClockManagementusingbuffers. . . . . . . . . . . . . . . . . 42
v
4.6 ExperimentsandResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.6.1 ExperimentalMethodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.6.2 ResultsforArithmeticPipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.6.3 ResultsforDLXProcessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.7 RelatedWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
CHAPTER5. TASKSCHEDULING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1 Taskscheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1.1 ChapterContribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.1.2 ChapterOrganization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2 EnergyManagementUsingReliableAndAggressiveFramework . . . . . . . . . . . . 55
5.2.1 Managingthe(V, f)spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2.2 ComparingAFSandAVS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.2.3 Impactonslackreclamation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.3 FrequencySelectionUsingReliableAndAggressiveDesigns . . . . . . . . . . . . . . 58
5.3.1 FrequencyselectionusingADVFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.3.2 Impactondesignimplementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.4 ExperimentsandResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.4.1 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.4.2 ExperimentalSettings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.4.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.4.4 Overheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
CHAPTER6. SECURITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.1.1 Side-channelPowerAttacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.1.2 ChapterContribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.1.3 ChapterOrganization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
vi
6.2 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.2.1 TheorybehindPowerAttacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.2.2 RelatedWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.3 DynamicVoltageandFrequencyScaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.3.1 DVFSbasedcountermeasure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.3.2 CharacteristicsofcorrelationunderRDVFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.3.3 Changesincorrelationduetomispredictionof(V, f)pair. . . . . . . . . . . . 74
6.4 ReliableandAggressiveDesigns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.4.1 SystemArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.4.2 PerformanceAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.5 BreakingconnectionbetweenDVFS(V, f)pairs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.5.1 ChangesinDVFS(V, f)spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.5.2 Impactoftimingerrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.5.3 Overheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.6 PowerAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.6.1 StaticPower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.6.2 DynamicPower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.7 SecurityAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.7.1 Fisher’sZ-Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.7.2 ChangesinCorrelationCoefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.7.3 Testingchangesinρ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.8 ExperimentsandResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.8.1 PerformanceenhancementunderAFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.8.2 Enhancementof(V, f)spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.8.3 Effectivenessofthecountermeasure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.8.4 Comparingwithothercountermeasures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
vii
CHAPTER7. CONCLUSIONANDFUTUREWORK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
viii
LISTOFTABLES
3.1 SimulatorParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
√
4.1 PossibleSoftErrorScenariosofSEMCell( =NoError;×=SoftError) . 27
4.2 Possible Error Scenarios in using STEM Cell (NE = No Error; SE = Soft
Error;TE=TimingError) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3 NumberofBuffersvsDelay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.4 TemperatureEffectsonLCMOutputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.5 Faultinjectionresultsforthearithmeticpipeline . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.6 Comparison with other schemes in terms of Logic Duplication (LD), Soft
ErrorProtection(SEP),AggressiveClocking(AC)andEnergySavings(ES) . 52
5.1 Taskparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2 Available(V, f)pairsforTransmetaprocessor . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.3 Available(V, f)pairsforIntelXscaleprocessor . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.1 IntelSpeedstepvoltage-frequency(V, f)pairs . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.2 Possible(V, f)pairsusingDVFSandAFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.3 Valuesof p and p forN=10K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
1 2
6.4 DVFS(V, f)pairsof7-stageringoscillatorand8-bitS-box . . . . . . . . . . 90
6.5 Enhanced(V, f)spectrumforS-boxunderAFS . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.6 Comparison with other schemes in terms of area, power, performance, and
PVTtolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
ix
LISTOFFIGURES
3.1 (a) Conceptual LFDR circuit to enable reliable overclocking (b) Designing a
pipeline using LFDR (c) Illustration of aggressive clocking with worst case
delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 CumulativeerrorrateatdifferentclockperiodsfortheIVMAlphaprocessor
executinginstructionsfromSPEC2000benchmarks . . . . . . . . . . . . . . 17
4.1 SEMCelltoMitigateSoftEerrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.2 TimingRelationshipbetweenClocksforDataSampling . . . . . . . . . . . . 25
4.3 STEMCelltoMitigateSoftandTimingErrors . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.4 PipelineDesignwithSTEMCells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.5 DynamicFrequencyScaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.6 TimingDiagramIllustratingSTEMErrorRecoveryProcess . . . . . . . . . . 37
4.7 LocalClockPhaseManagementwithSingleClockRouting . . . . . . . . . . 42
4.8 TransientResponseofLCMOutputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.9 FaultInjectorFramework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.10 NormalizedArithmeticPipelineExecutionTime . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.11 DynamicFrequencyScaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.12 DLXExecutionRimeforvariousbenchmarks . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1 (a) AFS enhances the worst case frequency of DVFS (V, f) pair by ∆f (b)
AVSdecreasestheworstcasevoltageofDVFS(V, f)pairby∆V . . . . . . . 55
5.2 (a) Timing error profile of AFS (b) Timing error profile of AVS (c) Depicts
thedifferenceinobservedtimingerrorrateforAFSandAVS . . . . . . . . . 56