Aggressive undervolting of FPGAs : power & reliability trade-offs
Authors:   , Salami Behzad 
Published: July 2023

In this work, we evaluate aggressive undervolting, i.e., voltage underscaling below the nominal level to reduce the energy consumption of Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). Usually, voltage guardbands are added by chip vendors to ensure the worst-case process and environmental scenarios. Through experimenting on several FPGA architectures,
we con¿rm a large voltage guardband for several FPGA components, which in turn, delivers signi¿cant power savings. However, further undervolting below the voltage guardband may cause reliability issues as the result of the circuit delay increase, and faults might start
to appear. We extensively characterize the behavior of these faults in terms of the rate, location, type, as well as sensitivity to environmental temperature, primarily focusing on FPGA on-chip memories, or Block RAMs (BRAMs). Understanding this behavior can allow to deploy ef¿cient mitigation techniques, and in turn, FPGA-based designs can be improved for better energy, reliability, and performance trade-offs.

Finally, as a case study, we evaluate a typical FPGA-based Neural Network (NN) accelerator when the FPGA voltage is underscaled. In consequence, the substantial NN energy savings come with the cost of NN accuracy loss. To attain power savings without NN accuracy loss below the voltage guardband gap, we proposed an application-aware technique and we also, evaluated the built-in Error-Correcting Code (ECC) mechanism. Hence, First, we developed an application-dependent BRAMs placement technique that relies on the deterministic behavior of undervolting faults, and mitigates these faults by mapping the most reliability sensitive NN parameters to BRAM blocks that are relatively more resistant to undervolting faults. Second, as a more general technique, we applied the built-in ECC of BRAMs and observed a signi¿cant fault coverage capability thanks to the behavior of undervolting faults, with a negligible power consumption overhead.

En este trabajo, evaluamos el reducir el voltaje en forma agresiva, es decir, bajar la tensión por debajo del nivel nominal para reducir el consumo de energía en Field Programmable Gate Arrays (FPGA). Por lo general, los vendedores de chips establecen margen de seguridad al voltaje para garantizar el funcionamiento de los mismos en el peor de los casos y en los peores escenarios ambientales. Mediante la experimentación en varias arquitecturas FPGA, confirmamos que hay un margen de seguridad de voltaje grande en varios de los componentes de la FPGA, que a su vez, nos ofrece ahorros de energía significativos. Sin embargo, un trabajar a un voltaje por debajo del margen de seguridad del voltaje puede causar problemas de confiabilidad a medida ya que aumenta el retardo del circuito y pueden comenzar a aparecer fallos. Caracterizamos ampliamente el comportamiento de estos fallos en términos de velocidad, ubicación, tipo, así como la sensibilidad a la temperatura ambiental, centrándonos principalmente en memorias internas de la FPGA, o Block RAM (BRAM). Comprender este comportamiento puede permitir el desarrollo de técnicas eficientes de mitigación y, a su vez, mejorar los diseños basados en FPGA para obtener ahorros en energía, una mayor confiabilidad y un mayor rendimiento. Finalmente, como caso de estudio, evaluamos un acelerador típico de Redes Neuronales basado en FPGA cuando el voltaje de la FPGA esta por debajo del nivel mínimo de seguridad. En consecuencia, los considerables ahorros de energía de la red neuronal vienen asociados con la pérdida de precisión de la red neuronal. Para obtener ahorros de energía sin una pérdida de precisión en la red neuronal por debajo del margen de seguridad del voltaje, proponemos una técnica que tiene en cuenta la aplicación, asi mismo, evaluamos el mecanismo integrado en las BRAMs de Error Correction Code (ECC). Por lo tanto, en primer lugar, desarrollamos una técnica de colocación de BRAM dependiente de la aplicación que se basa en el comportamiento determinista de las fallos cuando la FPGA funciona por debajo del margen de seguridad, y se mitigan estos fallos asignando los parámetros de la red neuronal más sensibles a producir fallos a los bloques BRAM que son relativamente más resistentes a los fallos. En segundo lugar, como técnica más general, aplicamos el ECC incorporado de los BRAM y observamos una capacidad de cobertura de fallos significativo gracias a las características de comportamiento de fallos, con una sobrecoste de consumo de energía insignificante