[論文レビュー] System Reliability, Fault Tolerance and Design Metrics Tradeoffs in the Distributed Minority and Majority Voting Based Redundancy Scheme

Padmanabhan Balasubramanian|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 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・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）の優れた代替手段として、分散型少数・多数投票に基づく再冗長性（DMMR）方式を提案する。少数グループに対して多数グループのサイズを増やすことで、DMMRは故障耐性および設計効率を向上させ、特に3-of-M DMMRにおいて顕著な改善を実現する。この方式は高いシステム信頼性を維持しながら、NMRおよびより大きなDMMR構成よりも信頼性、故障耐性、設計指標の観点で優れている。

ABSTRACT

The distributed minority and majority voting based redundancy (DMMR) scheme was recently proposed as an efficient alternative to the conventional N-modular redundancy (NMR) scheme for the physical design of mission/safety-critical circuits and systems. The DMMR scheme enables significant improvements in fault tolerance and design metrics compared to the NMR scheme albeit at the expense of a slight decrease in the system reliability. In this context, this paper studies the system reliability, fault tolerance and design metrics tradeoffs in the DMMR scheme compared to the NMR scheme when the majority logic group of the DMMR scheme is increased in size relative to the minority logic group. Some example DMMR and NMR systems were realized using a 32/28nm CMOS process and compared. The results show that 5-of-M DMMR systems have a similar or better fault tolerance whilst requiring similar or fewer function modules than their counterpart NMR systems and simultaneously achieve optimizations in design metrics. Nevertheless, 3-of-M DMMR systems have the upper hand with respect to fault tolerance and design metrics optimizations than the comparable NMR and 5-of-M DMMR systems. With regard to system reliability, NMR systems are closely followed by 5-of-M DMMR systems which are closely followed by 3-of-M DMMR systems. The verdict is 3-of-M DMMR systems are preferable to implement higher levels of redundancy from a combined system reliability, fault tolerance and design metrics perspective to realize mission/safety-critical circuits and systems.

研究の動機と目的

• DMMR再冗長性方式と従来のNMRとの間で、システム信頼性、故障耐性、設計指標のトレードオフを評価すること。
• DMMRにおける多数論理グループのサイズを少数グループに対して増大させることによるシステム性能への影響を分析すること。
• ミッション・セーフティクリティカルな応用分野における最適なDMMR構成（例：3-of-M、5-of-M）を同定すること。
• 実際のCMOSプロセス実装（32/28nm）を用いてDMMRとNMRのシステムを比較し、理論的トレードオフを実証的に検証すること。
• 実用的導入に適した信頼性、故障耐性、設計効率の最良なバランスを特定すること。

提案手法

• DMMR方式は、再冗長モジュールを少数論理グループと多数論理グループに分割し、分散型投票論理を用いて出力を投票する。
• 本論文では、少数グループのサイズを固定したまま、多数グループのサイズを変化させたDMMR構成（例：3-of-M、5-of-M）を評価する。
• システム信頼性は、部品の故障確率と投票論理の動作に基づいてモデル化される。
• 故障耐性は、システムが故障を起こさずに耐えられる同時故障の最大数を評価することで測定される。
• 設計指標として、機能モジュールの数とハードウェア複雑度が、DMMRとNMR構成の間で定量化され、比較される。
• 32/28nm CMOSプロセスを用いた実装済みシステムが作成され、理論的トレードオフの妥当性がベンチマーク評価される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DMMRにおける多数論理グループのサイズを増大させることで、NMRと比較してシステム信頼性、故障耐性、設計指標にどのような影響を与えるか？
• RQ2 信頼性、故障耐性、ハードウェア効率の観点から、最適なDMMR構成（例：3-of-M 対 5-of-M）は何か？
• RQ3 実際のプロセス制約下で、DMMRシステムと同等のNMRシステムを比較した場合、故障耐性および設計複雑度においてどのように異なるか？
• RQ4 特に3-of-Mおよび5-of-M構成において、DMMRにおける信頼性と設計効率のトレードオフはどのようなものか？
• RQ5 DMMRは、許容可能な信頼性水準を維持しながら、NMRよりも優れた故障耐性と低いハードウェアコストを達成できるか？

主な発見

• 3-of-M DMMRシステムは、NMRおよび5-of-M DMMRシステムと比較して、優れた故障耐性と設計指標の最適化を達成する。
• 5-of-M DMMRシステムは、NMRと同等またはそれを上回る故障耐性を示し、同じかそれ以下の機能モジュール数で実現可能であり、設計効率が向上する。
• システム信頼性の順序は：NMR > 5-of-M DMMR > 3-of-M DMMR であり、NMRが最も信頼性が高く、3-of-M DMMRが最も信頼性が低い。
• わずかな信頼性の低下があるものの、3-of-M DMMRは信頼性、故障耐性、設計指標の観点から、全体的なトレードオフが最も優れている。
• 32/28nm CMOSベースの実装により、DMMRはNMRに比べてハードウェア複雑度を低減し、故障耐性を向上させることを確認した。
• DMMR方式は、特に3-of-M構成において、従来のNMRに比べて故障耐性および設計効率の面で顕著な改善を実現できる。