[論文レビュー] Automatic Synthesis of Totally Self-Checking Circuits

Michael Garvie, Phil Husbands|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2019

Radiation Effects in Electronics参考文献 41被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、分散型で集団ベースの確率的最適化アルゴリズムを用いて、完全自己検査（TSC）回路の自動的かつエンド・ツー・エンドの合成を初めて実現した。各関数に特化したチェック回路を進化させることで、出力コードスペースが限られた回路に対してチェック回路の自己検査（ST）を保証できなかった従来手法の根本的限界を克服し、平均23%の複製および比較のオーバーヘッドで著しく低いオーバーヘッドを達成した。

ABSTRACT

Totally self-checking (TSC) circuits are synthesised with a grid of computers running a distributed population based stochastic optimisation algorithm. The presented method is the first to automatically synthesise TSC circuits from arbitrary logic as all previous methods fail to guarantee the checker is self-testing (ST) for circuits with limited output codespaces. The circuits synthesised by the presented method have significantly lower overhead than the previously reported best for every one of a set of 11 frequently used benchmarks. Average overhead across the entire set is 23% of duplication and comparison overhead, compared with an average of 69% for the previous best reported values across the set. The methodology presented represents a breakthrough in concurrent error detection (CED). The highly efficient, novel designs produced are tailored to each circuit's function, rather than being constrained by a particular modular CED design methodology. Results are synthesised using two-input gates and are TSC with respect to all gate input and output stuck-at faults. The method can be used to add CED with or without modifications to the original logic, and can be generalised to any implementation technology and fault model. An example circuit is analysed and rigorously proven to be TSC.

研究の動機と目的

• 出力コードスペースが限られた任意の関数に対して、チェック回路の自己検査（ST）を保証するTSC回路を自動的に生成するという、未解決の問題に取り組む。
• 特に出力符号化が制限された回路において、従来手法よりも並列誤検出（CED）オーバーヘッドを低減する。
• 主出力論理に構造的制約を課さず、または元の回路を変更しない完全自動の合成手法を開発する。
• モジュラーで固定構造のチェック回路に依存するのではなく、関数固有の最適化されたチェック回路を進化させることで、最小限で関数に特化したチェックオーバーヘッドを実現する。
• グリッドコンピューティングリソースを用いて、産業規模のTSC回路合成における進化的計算の実現可能性とスケーラビリティを示す。

提案手法

• グリッドコンピュータ上で実行される分散型・集団ベースの確率的最適化アルゴリズム（進化的アルゴリズム）が、TSC回路設計を進化させる。
• フィットネス関数は、TSCの正しさ、ストップアット故障の故障カバレッジ、およびオーバーヘッド（複製および比較コスト）に基づいて回路を評価し、ルーティング、消費電力、性能指標を含めるオプションも備える。
• アルゴリズムは、主出力関数生成回路とチェック回路を同時に進化させることで、チェック回路を関数論理と密接に結合させ、オーバーヘッドを最小限に抑える。
• シンボリック解析を用いたカスタムフィットネス評価プロセスを採用し、すべての入力間故障および故障安全動作の確認を含むTSC特性の検証を実施する。
• 本アプローチは、あらゆる技術および故障モデルに一般化可能であり、パリティグループ化などの従来のCED戦略を初期シードとして使用可能である。
• 本手法は11のMCNC'91ベンチマークを用いて検証され、進化的合成の前段階としてSISを用いて初期論理を最適化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来手法が失敗する出力コードスペースが限られた任意の論理関数に対して、自動合成手法がチェック回路の自己検査（ST）を保証するTSC回路を生成できるか？
• RQ2 チェック回路がSTであることが保証された場合、TSC回路の最小限のオーバーヘッド（複製および比較）はどの程度であり、既存の手法よりも顕著に低くできるか？
• RQ3 進化的計算は、固定されたモジュラー・チェック回路アーキテクチャに依存せず、関数固有で高効率なTSC回路を自動的に合成するために、効果的にスケーリング可能か？
• RQ4 主関数論理と密接に統合されたカスタムチェック回路論理を進化させることで、一般のチェック回路設計に比べてオーバーヘッドをどの程度低減できるか？
• RQ5 本手法は、さまざまな故障モデル、技術、および消費電力、面積、性能などの追加設計目的に対しても一般化可能か？

主な発見

• 提案手法は11のベンチマークで平均23%のオーバーヘッドを達成し、文献に報告された過去最高の平均69%を著しく下回った。
• 本手法は11のベンチマークすべてで、出力コードスペースが限られたために標準的な複製やモジュラー・チェック回路がSTに失敗する場合でも、チェック回路が自己検査（ST）であることを明確に保証した。
• すべてのベンチマークにおいて、進化したTSC回路は、過去に報告された最良の解決策よりも低いオーバーヘッドを達成し、一貫した改善を示した。
• 本手法は、従来のモジュラー手法よりも効率的な関数固有の非モジュラーTSC設計を生成し、チェック回路論理が主関数に内蔵的に最適化されている。
• 本アプローチはスケーラブルかつ一般化可能であり、順序回路、より大きなベンチマーク、および消費電力やルーティング面積などの追加設計目的への拡張が可能である。
• 本手法は、「すべての入力間故障」の仮定に依存せず、TSCG（完全自己検査保証）を満たすTSC回路の合成を可能にした。これは、従来の研究における主要な制限要因であった。