An extensive study on iterative solver resilience : characterization, detection and prediction
Authors:   , Mutlu Burcu O. 
Published: July 2023

Soft errors caused by transient bit flips have the potential to significantly impactan applicalion's behavior. This has motivated the design of an array of techniques to detect, isolate, and correct soft errors using microarchitectural, architectural, compilation­based, or application-level techniques to minimize their impact on the executing application. The first step toward the design of good error detection/correction techniques involves an understanding of an application's vulnerability to soft errors. This work focuses on silent data e orruption's effects on iterative solvers and efforts to mitigate those effects.
In this thesis, we first present the first comprehensive characterizalion of !he impact of soft errors on !he convergen ce characteris tics of six iterative methods using application-level fault injection. We analyze the impact of soft errors In terms of the type of error (single-vs multi-bit), the distribution and location of bits affected, the data structure and statement impacted, and varialion with time. We create a public access database with more than 1.5 million fault injection results. We then analyze the performance of soft error detection mechanisms and present the comparalive results. Molivated by our observations, we evaluate a machine-learning based detector that takes as features that are the runtime features observed by the individual detectors to arrive al their conclusions. Our evalualion demonstrates improved results over individual detectors. We then propase amachine learning based method to predict a program's error behavior to make fault injection studies more efficient. We demonstrate this method on asse ssing the performance of soft error detectors. We show that our method maintains 84% accuracy on average with up to 53% less cost. We also show, once a model is trained further fault injection tests would cost 10% of the expected full fault injection runs.

“Soft errors” causados por cambios de estado transitorios en bits, tienen el potencial de impactar significativamente el comportamiento de una aplicación. Esto, ha motivado el diseño de una variedad de técnicas para detectar, aislar y corregir soft errors aplicadas a micro-arquitecturas, arquitecturas, tiempo de compilación y a nivel de aplicación para minimizar su impacto en la ejecución de una aplicación. El primer paso para diseñar una buna técnica de detección/corrección de errores, implica el conocimiento de las vulnerabilidades de la aplicación ante posibles soft errors. Este trabajo se centra en los efectos de la corrupción silenciosa de datos en soluciones iterativas, así como en los esfuerzos para mitigar esos efectos. En esta tesis, primeramente, presentamos la primera caracterización extensiva del impacto de soft errors sobre las características convergentes de seis métodos iterativos usando inyección de fallos a nivel de aplicación. Analizamos el impacto de los soft errors en términos del tipo de error (único vs múltiples-bits), de la distribución y posición de los bits afectados, las estructuras de datos, instrucciones afectadas y de las variaciones en el tiempo. Creamos una base de datos pública con más de 1.5 millones de resultados de inyección de fallos. Después, analizamos el desempeño de mecanismos de detección de soft errors actuales y presentamos los resultados de su comparación. Motivados por las observaciones de los resultados presentados, evaluamos un detector de soft errors basado en técnicas de machine learning que toma como entrada las características observadas en el tiempo de ejecución individual de los detectores anteriores al llegar a su conclusión. La evaluación de los resultados obtenidos muestra una mejora por sobre los detectores individualmente. Basados en estos resultados propusimos un método basado en machine learning para predecir el comportamiento de los errores en un programa con el fin de hacer el estudio de inyección de errores mas eficiente. Presentamos este método para evaluar el rendimiento de los detectores de soft errors. Demostramos que nuestro método mantiene una precisión del 84% en promedio con hasta un 53% de mejora en el tiempo de ejecución. También mostramos que una vez que un modelo ha sido entrenado, las pruebas de inyección de errores siguientes costarían 10% del tiempo esperado de ejecución.