[논문 리뷰] System Reliability, Fault Tolerance and Design Metrics Tradeoffs in the Distributed Minority and Majority Voting Based Redundancy Scheme

Padmanabhan Balasubramanian|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 25.

Radiation Effects in Electronics참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 임무 및 안전 중심 시스템을 위한 기존의 N-모듈러 중복(NMR)에 비해 열등한 대안으로서 분산 소수 및 다수 투표 기반 중복(DMMR) 기법을 제안한다. 소수 그룹에 비해 다수 논리 그룹의 크기를 증가시킴으로써 DMMR은 고장 내성과 설계 효율성을 향상시키며, 특히 3-of-M DMMR의 경우 전체 신뢰성, 고장 내성, 설계 지표에서 NMR 및 더 큰 DMMR 구성보다 뛰어난 성능을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 NMR에 비해 DMMR 중복 기법의 시스템 신뢰성, 고장 내성, 설계 지표 간 상호 트레이드오프를 평가하기 위해.
• DMMR에서 다수 논리 그룹 크기를 소수 그룹에 비해 증가시킬 경우 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 임무 및 안전 중심 응용 분야에 최적화된 DMMR 구성(예: 3-of-M, 5-of-M)을 규명하기 위해.
• 실제 CMOS 공정 구현(32/28nm)을 통한 DMMR 및 NMR 시스템 비교를 통해 이론적 트레이드오프를 실증적으로 검증하기 위해.
• 실제 구현에 적합한 신뢰성, 고장 내성, 설계 효율성 간 최적의 균형을 도출하기 위해.

제안 방법

• DMMR 기법은 중복 모듈을 소수 논리 그룹과 다수 논리 그룹으로 분할하고, 분산 투표 논리를 사용하여 출력을 투표한다.
• 논문은 소수 그룹 크기를 일정하게 유지하면서 다수 그룹 크기를 변화시킨 DMMR 구성(예: 3-of-M, 5-of-M)을 평가한다.
• 시스템 신뢰성은 구성 요소 고장 확률과 투표 논리 행동에 기반하여 모델링된다.
• 고장 내성은 시스템 고장 없이 견딜 수 있는 동시 고장 최대 수를 평가함으로써 평가된다.
• 기능 모듈 수와 하드웨어 복잡도 등의 설계 지표는 DMMR 및 NMR 구성 간 비교를 통해 정량화된다.
• 실제 32/28nm CMOS 공정을 활용한 시스템을 제작하고 벤치마킹하여 이론적 트레이드오프를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DMMR에서 다수 논리 그룹 크기를 증가시킬 경우, NMR에 비해 시스템 신뢰성, 고장 내성, 설계 지표에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 신뢰성, 고장 내성, 하드웨어 효율성 간 균형을 고려할 때, 최적의 DMMR 구성(예: 3-of-M 대비 5-of-M)은 무엇인가?
• RQ3 실제 공정 제약 조건 하에서 DMMR 시스템은 동등한 NMR 시스템에 비해 고장 내성과 설계 복잡도에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 특히 3-of-M 및 5-of-M 구성에서 DMMR의 시스템 신뢰성과 설계 효율성 간의 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ5 DMMR은 높은 수준의 신뢰성을 유지하면서도 NMR보다 더 뛰어난 고장 내성과 낮은 하드웨어 비용을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 3-of-M DMMR 시스템은 NMR 및 5-of-M DMMR 시스템에 비해 뛰어난 고장 내성과 설계 지표 최적화 성능을 보였다.
• 5-of-M DMMR 시스템은 NMR와 동등하거나 이를 초월하는 고장 내성을 확보하면서도 유사하거나 더 적은 기능 모듈을 요구하여 설계 효율성이 향상되었다.
• 시스템 신뢰성 순서는 NMR > 5-of-M DMMR > 3-of-M DMMR이며, NMR가 가장 높은 신뢰성을 보였고, 3-of-M DMMR가 가장 낮은 신뢰성을 보였다.
• 신뢰성은 약간 감소했지만, 3-of-M DMMR는 신뢰성, 고장 내성, 설계 지표 간 전반적인 트레이드오프에서 최고의 성능을 보였다.
• 32/28nm CMOS 기반 구현 결과, DMMR은 NMR 대비 하드웨어 복잡도를 감소시키고 고장 내성을 향상시킴을 확인하였다.
• DMMR 기법은 기존의 NMR에 비해 고장 내성과 설계 효율성에서 뚜렷한 향상을 이룩하였으며, 특히 3-of-M 구성에서 두드러진 성과를 보였다.