[論文レビュー] FPGA Based Implementation of Distributed Minority and Majority Voting Based Redundancy for Mission and Safety-Critical Applications

Padmanabhan Balasubramanian, Nikos E. Mastorakis|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2016

Radiation Effects in Electronics参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ミッションおよびセーフティクリティカルシステムにおける従来のNモジュラー再冗長性（NMR）と比較して、面積および遅延オーバーヘッドを低減する、分散型少数・多数投票再冗長性（DMMR）方式のFPGAベースの実装を初めて提示する。DMMRは、3モジュールおよび4モジュールの故障耐性において、複数のFPGAプラットフォーム（放射線耐性デバイスを含む）でNMRと比較して、それぞれ44.5%および56.5%低い面積遅延積（ADP）を達成する。

ABSTRACT

Electronic circuits and systems used in mission and safety-critical applications usually employ redundancy in the design to overcome arbitrary fault(s) or failure(s) and guarantee the correct operation. In this context, the distributed minority and majority voting based redundancy (DMMR) scheme forms an efficient alternative to the conventional N-modular redundancy (NMR) scheme for implementing mission and safety-critical circuits and systems by significantly minimizing their weight and design cost and also their design metrics whilst providing a similar degree of fault tolerance. This article presents the first FPGAs based implementation of example DMMR circuits and compares it with counterpart NMR circuits on the basis of area occupancy and critical path delay viz. area-delay product (ADP). The example DMMR circuits and counterpart NMR circuits are able to accommodate the faulty or failure states of 2, 3 and 4 function modules. For physical synthesis, two commercial Xilinx FPGAs viz. Spartan 3E and Virtex 5 corresponding to 90nm and 65nm CMOS processes, and two radiation-tolerant and military grade Xilinx FPGAs viz. QPro Virtex 2 and QPro Virtex E corresponding to 150nm and 180nm CMOS processes were considered for the NMR and DMMR circuit realizations which employ the 4-by-4 array multiplier as a representative function module. To achieve a fault tolerance of 2 function modules, both the DMMR and the NMR schemes provide near similar mean ADPs across all the four FPGAs. But while achieving a fault tolerance of 3 function modules the DMMR features reduced ADP by 44.5% on average compared to the NMR, and in achieving a fault tolerance of 4 function modules the DMMR reports reduced ADP by 56.5% on average compared to the NMR with respect to all the four FPGAs considered.

研究の動機と目的

• 従来のNMRと比較して、ミッションおよびセーフティクリティカルシステムのためのより面積的・コスト効率の高い再冗長性方式を開発すること。
• 同等の故障耐性を維持しつつ、面積および遅延などの設計指標を最小限に抑えること。
• 提案されたDMMR方式の性能を、商業用および放射線耐性FPGAの両方で評価すること。
• DMMRが顕著に低いハードウェアオーバーヘッドで、同等または優れた故障耐性を達成できることを実証すること。

提案手法

• DMMR方式は、複数の機能モジュールにわたる故障を検出・是正するための分散型投票論理を用い、中央集権的な再冗長性を、局所的で分散型の意思決定に置き換える。
• 設計および実装において、代表的な機能モジュールとして4×4アレイ乗算器が使用される。
• 物理的合成は、Spartan 3E（90nm）、Virtex 5（65nm）、QPro Virtex 2（150nm）、QPro Virtex E（180nm）の4つのFPGAプラットフォームで実施される。
• DMMRとNMR回路の比較は、面積使用量およびクリティカルパス遅延に基づき、面積遅延積（ADP）を主な指標として用いる。
• 故障耐性は最大4つの機能モジュールの故障を想定し、少数/多数論理を用いて故障した出力を特定・マスクする投票論理が設計される。
• すべてのFPGAタイプで合成、フィッティング、タイミング解析にXilinx ISEおよびVivadoツールが使用される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DMMR方式は、FPGAベースのシステムにおいて、NMRと同等の故障耐性を達成しつつ、ハードウェアリソースの使用を削減できるか？
• RQ2 異なるFPGA技術およびプロセスノードにおいて、DMMRの面積遅延積（ADP）はNMRと比較してどのように異なるか？
• RQ3 3または4つの故障した機能モジュールを耐性する場合、ADPの観点でDMMRはNMRに対してどの程度の性能向上を示すか？
• RQ4 DMMR方式は、放射線耐性および軍用グレードのFPGAにおいても信頼性が高く、遅延が低い状態を維持できるか？
• RQ5 分散型投票アーキテクチャは、セーフティクリティカルな応用分野で、故障耐性を保持しつつ、システムの重量およびコストを低減できるか？

主な発見

• 2モジュールの故障耐性において、DMMRとNMRは4つのFPGAすべてでほぼ同一の平均面積遅延積（ADP）を示す。
• 3モジュールの故障耐性において、DMMRはすべてのFPGAプラットフォームでNMRと比較して平均44.5%低いADPを達成する。
• 4モジュールの故障耐性において、DMMRはすべての4つのFPGAでNMRと比較して平均56.5%低いADPを達成する。
• DMMR方式は、商業用（Spartan 3E、Virtex 5）および放射線耐性（QPro Virtex 2、QPro Virtex E）の両方のFPGAで一貫した性能向上を示す。
• 実装により、DMMRがセーフティクリティカルシステムにおいてNMRの実用的でより効率的な代替手段であることが確認された。特に故障耐性要件が高まるほど顕著である。
• 結果から、分散型投票により、故障検出や是正能力に妥協をきたさずに再冗長性のオーバーヘッドを低減できることが示された。