[논문 리뷰] 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)|2016. 11. 29.

Radiation Effects in Electronics참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 임무 및 안전 중심 시스템에서 기존의 N-모듈 중복(NMR)에 비해 면적과 지연 오버헤드를 감소시키는 분산 소수 및 다수 투표 중복(DMMR) 기반의 FPGA 구현을 처음으로 제시한다. 여러 FPGA 플랫폼, 특히 방사선 내성 장치를 포함하여, 3-모듈 및 4-모듈 장애 내성에 대해 DMMR은 각각 NMR 대비 44.5% 및 56.5% 낮은 면적-지연 곱(ADP)을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 NMR에 비해 임무 및 안전 중심 시스템을 위한 더 면적과 비용 효율적인 중복 기법을 개발하기 위해.
• 동일한 장애 내성 수준을 유지하면서 면적과 지연과 같은 설계 지표를 최소화하기 위해.
• 상용 및 방사선 내성 FPGA에서 제안된 DMMR 기법의 성능을 평가하기 위해.
• DMMR가 훨씬 낮은 하드웨어 오버헤드로 비교적 또는 더 나은 장애 내성 성능을 달성할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• DMMR 기법은 분산된 투표 논리를 사용하여 다수의 기능 모듈에서 고장을 탐지하고 수정하며, 중심 집중식 중복을 지역화된 분산 의사결정으로 대체한다.
• 설계 및 구현에서 4×4 행렬 승수기(4-by-4 array multiplier)를 대표적인 기능 모듈로 사용한다.
• 네 가지 FPGA 플랫폼(Spartan 3E (90nm), Virtex 5 (65nm), QPro Virtex 2 (150nm), QPro Virtex E (180nm))에서 물리적 합성(physical synthesis)을 수행한다.
• 면적 점유율과 핵심 경로 지연을 기반으로 DMMR 및 NMR 회로를 비교하며, 면적-지연 곱(ADP)을 주요 평가 지표로 사용한다.
• 최대 4개의 기능 모듈 고장에 대해 장애 내성을 평가하며, 소수/다수 논리로 고장 난 출력을 식별하고 마스킹하는 투표 논리를 설계한다.
• 모든 FPGA 유형에서 합성, 피팅 및 타이밍 분석을 위해 Xilinx ISE 및 Vivado 도구를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DMMR 기법은 FPGA 기반 시스템에서 하드웨어 자원 사용을 줄이며 NMR와 동일한 장애 내성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 다양한 FPGA 기술 및 공정 노드에서 DMMR의 면적-지연 곱(ADP)은 NMR와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 3개 또는 4개의 기능 모듈 고장을 견딜 때 DMMR의 ADP에서 NMR 대비 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ4 DMMR 기법은 방사선 내성 및 군용 FPGA에서 신뢰성과 낮은 지연을 유지하는가?
• RQ5 분산된 투표 아키텍처는 안전 중심 응용 분야에서 장애 내성을 유지하면서 시스템 무게와 비용을 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 2-모듈 장애 내성에 대해, 모든 네 개의 FPGA에서 DMMR과 NMR은 거의 동일한 평균 면적-지연 곱(ADP)을 나타낸다.
• 3-모듈 장애 내성에 대해, 모든 FPGA 플랫폼에서 DMMR은 평균 44.5% 낮은 ADP를 달성한다.
• 4-모듈 장애 내성에 대해, 모든 네 개의 FPGA에서 DMMR은 평균 56.5% 낮은 ADP를 달성한다.
• DMMR 기법은 상용(FPGA: Spartan 3E, Virtex 5) 및 방사선 내성(FPGA: QPro Virtex 2, QPro Virtex E) FPGA 모두에서 일관된 성능 향상을 유지한다.
• 구현 결과에 따르면, DMMR은 장애 내성 시스템에서 NMR보다 실현 가능하고 더 효율적인 대안임을 확인한다. 특히 장애 내성 요구 수준이 높아질수록 유리하다.
• 결과는 분산된 투표가 고장을 탐지하거나 수정하는 능력을 손상시키지 않으면서도 중복 오버헤드를 줄임을 보여준다.