[논문 리뷰] Holistic Approach for Fault-Tolerant Network-on-Chip based Many-Core Systems

Siavoosh Payandeh Azad, Behrad Niazmand외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 26.

Interconnection Networks and Systems참고 문헌 22인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 전이적, 간헐적, 영구적 고장을 실시간으로 탐지하고 분류하며 대응하기 위해 온라인 체크어블러와 Mapper/Scheduler Unit (MSU)를 활용하는 System Health Monitoring Unit (SHMU)를 사용하는 NoC 기반 다핵 시스템을 위한 통합 고장내성 아키텍처를 제안한다. 시스템은 예측된 고장 패tern 기반으로 사전에 매핑 및 스케줄링 솔루션을 저장하여 재구성 지연을 줄이며, 동적 고장 상황에서 복구 속도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

In this paper we describe a holistic approach for Fault-Tolerant Network-on-Chip (NoC) based many-core systems that incorporates a System Health Monitoring Unit (SHMU) which collects all the fault information from the system, classifies them and provides different solutions for different fault classes. A Mapper/Scheduler Unit (MSU) is used for online generation of different mapping and scheduling solutions based on the current fault configuration of the system. For detection of faults, we have leveraged concurrent online checkers, able to capture faults with low detection latency and providing the fault information for SHMU, which can be later used for the recovery process. The experimentation setup is performed in an open source tool, able to perform the mapping, scheduling and simulation of the system.

연구 동기 및 목표

• 초기 제조 테스트에도 불구하고 수명 주기 동안 전자 이동 및 마모로 인한 고장에 취약해지는 다핵 NoC 시스템의 문제를 해결한다.
• 기존 고장내성 기법의 한계를 극복하기 위해 하드웨어 및 시스템 수준의 메커니즘을 통합하여 종합적인 고장 관리 기능을 제공한다.
• 예측된 고장 패턴 기반으로 사전에 계산하고 저장한 실현 가능한 매핑 및 스케줄링 솔루션을 통해 고장 발생 후 재구성 지연을 최소화한다.
• 통합된 건강 모니터링 및 대응 프레임워크를 통해 영구적, 간헐적, 전이적 고장에 대한 동적 복구를 가능하게 한다.
• 고장 분류 및 예측 기능을 복구 파이pline에 통합하여 고장 관리 루프를 완성한다.

제안 방법

• 각 NoC 라우터에 동시 작동하는 온라인 체크어블러를 통합하여 낮은 지연으로 고장을 탐지하고, iJTAG 체인을 통해 SHMU로 보고한다.
• System Health Monitoring Unit (SHMU)를 활용해 고장 상태를 수집하고 분류하며, 전체 시스템의 건강 상태를 종합적으로 반영하는 System Health Map (SHM)를 유지한다.
• Mapper/Scheduler Unit (MSU)를 활용해 현재 고장 구성 및 시스템 제약 조건을 기반으로 동적으로 새로운 작업 매핑 및 스케줄링을 생성한다.
• 가장 가능성 높은 매핑(Most Probable Mapping, MPM) 캐시를 구현하여 사전에 계산된 매핑 및 스케줄링 솔루션을 저장함으로써 고장 발생 후 재구성 시간을 단축시킨다.
• NoCDepend 메커니즘을 적용하여 네트워크의 도달 불가 영역에 대한 라우터 수준의 정보를 유지함으로써 조기 패킷 폐기 및 혼잡 방지를 가능하게 한다.
• GUI 지원 기능을 갖춘 2D/3D NoC 토폴로지, 작업 그래프, 라우팅 알고리즘 및 고장 시나리오를 모델링하기 위해 오픈소스 시뮬레이션 툴인 "Schedule and Depend"를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NoC 기반 다핵 시스템에서 전이적, 간헐적, 영구적 고장을 처리하기 위한 통합적이고 다층적인 고장내성 프레임워크는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 고장 발생 후 재구성 지연에 대해 사전에 계산하고 캐시한 실현 가능한 매핑 및 스케줄링 솔루션의 영향은 어떠한가?
• RQ3 iJTAG와 동시 체크어블러를 통한 온라인 고장 탐지의 효과는 고장 탐지 지연을 최소화하는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ4 NoCDepend 메커니즘이 도달 불가능한 목적지 패킷을 조기에 거부함으로써 네트워크 혼잡과 라우팅 위험을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ5 제안된 시스템은 기존 최신 기술 대비 복구 성능에서 지연과 적응성 측면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 가장 가능성 높은 매핑(Most Probable Mapping, MPM) 캐시를 통해 재구성 지연을 줄이며, 고장 예측이 일치할 경우 $ T_{RL} = T_{fetch} + T_{Schd} + T_{ParExt} + T_{ParMap} $ 시간 단위 내에 복구를 가능하게 한다.
• 최적의 경우 사전에 계산된 매핑을 재사용함으로써 복구 속도가 향상되며, 새로운 매핑을 계산하는 데 소요되는 시간인 $ T_{MapAlg} $ 에 비해 효과적인 재구성 시간이 $ T_{MapAlg} - (T_{fetch} + T_{Schd}) $ 만큼 단축된다.
• 동시 작동하는 온라인 체크어블러의 사용은 낮은 지연으로 고장을 탐지하고 iJTAG를 통해 SHMU로 실시간 보고함으로써 적시 고장 분류를 지원한다.
• NoCDepend 메커니즘은 도달 불가능한 목적지 패킷이 네트워크에 진입하는 것을 효과적으로 방지하여 혼잡과 라우팅 위험을 감소시킨다.
• 오픈소스 시뮬레이션 툴인 "Schedule and Depend"는 다양한 토폴로지, 라우팅 알고리즘, 작업 그래프 및 혼합 중요도 응용 프로그램을 지원하여 고장내성 프레임워크의 포괄적 평가를 가능하게 한다.
• 현재 고장 분류 및 예측 모듈을 통합하여 고장 관리 루프를 완성하기 위해 시스템을 확장 중이며, 하드웨어 검증을 위한 FPGA 기반 에뮬레이션도 진행 중이다.