[论文解读] Automatic Synthesis of Totally Self-Checking Circuits

Michael Garvie, Phil Husbands|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2019

Radiation Effects in Electronics参考文献 41被引用 5

一句话总结

本文提出首个使用分布式、基于种群的随机优化算法实现的全自动端到端TSC（完全自检）电路合成方法。通过演化针对每个功能定制的校验器电路，克服了以往方法在输出码空间受限的电路中无法保证校验器自检（ST）的关键局限，显著降低了开销——平均仅23%的冗余与比较开销。

ABSTRACT

Totally self-checking (TSC) circuits are synthesised with a grid of computers running a distributed population based stochastic optimisation algorithm. The presented method is the first to automatically synthesise TSC circuits from arbitrary logic as all previous methods fail to guarantee the checker is self-testing (ST) for circuits with limited output codespaces. The circuits synthesised by the presented method have significantly lower overhead than the previously reported best for every one of a set of 11 frequently used benchmarks. Average overhead across the entire set is 23% of duplication and comparison overhead, compared with an average of 69% for the previous best reported values across the set. The methodology presented represents a breakthrough in concurrent error detection (CED). The highly efficient, novel designs produced are tailored to each circuit's function, rather than being constrained by a particular modular CED design methodology. Results are synthesised using two-input gates and are TSC with respect to all gate input and output stuck-at faults. The method can be used to add CED with or without modifications to the original logic, and can be generalised to any implementation technology and fault model. An example circuit is analysed and rigorously proven to be TSC.

研究动机与目标

• 为解决自动生成TSC电路的开放性问题，即对输出码空间受限的任意函数，确保校验器自检（ST）能力，而以往方法在该方面失败。
• 将并发错误检测（CED）开销降低至低于以往方法的水平，尤其适用于输出编码受限的电路。
• 开发一种完全自动化的合成方法，无需对主输出逻辑施加结构约束，也无需修改原始电路。
• 通过演化定制化校验器电路而非依赖模块化、固定结构的校验器，实现最小化、功能特定的检查开销，从而实现TSC设计。
• 通过使用网格计算资源，展示演化计算在工业规模TSC电路合成中的可行性与可扩展性。

提出的方法

• 在计算机网格上运行的分布式、基于种群的随机优化算法（即演化算法），用于演化TSC电路设计。
• 适应度函数基于TSC正确性、对固定故障的故障覆盖度以及开销（冗余与比较成本）评估电路，可选加入布线、功耗或性能指标。
• 该方法并行演化主输出功能生成器与校验器电路，使校验器能与功能逻辑紧密耦合，从而实现最小开销。
• 算法采用自定义的适应度评估流程，通过符号分析验证TSC特性，包括检查所有输入间故障与故障安全行为。
• 该方法可推广至任意工艺与故障模型，且可使用传统CED策略（如奇偶分组）作为初始种子。
• 该方法使用11个MCNC'91基准进行验证，主逻辑在演化合成前已通过SIS进行优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过自动合成方法生成TSC电路，确保对输出码空间受限的任意逻辑函数，其校验器具备自检（ST）能力，而以往方法在该场景下失败？
• RQ2 当校验器被保证具备自检能力时，TSC电路的最小可能开销（以冗余与比较开销衡量）是多少？是否可显著低于现有方法？
• RQ3 演化计算能否有效扩展至自动合成功能特定、高度高效的TSC电路，而无需依赖固定模块化校验器架构？
• RQ4 通过演化与主功能逻辑紧密集成的定制化校验逻辑，而非使用通用校验设计，该方法在多大程度上可降低开销？
• RQ5 该方法能否推广以支持多种故障模型、工艺技术以及额外设计目标（如功耗、面积、布线）？

主要发现

• 所提方法在11个基准上实现平均23%的开销，显著低于文献中报告的以往最佳平均开销69%。
• 该方法成功确保所有11个基准的校验器均具备自检（ST）能力，包括标准冗余或模块化校验器因输出码空间受限而无法实现ST的案例。
• 在每个基准中，所演化出的TSC电路开销均低于以往报告的最佳解，展现出一致的改进。
• 该方法生成功能特定、非模块化的TSC设计，其效率高于传统模块化方法，校验逻辑与主功能逻辑内在适配。
• 该方法具备可扩展性与通用性，未来可拓展至时序电路、更大规模基准，以及功耗、布线面积等额外设计目标。
• 该方法可实现满足TSCG（完全自检保证）的TSC电路合成，而无需依赖“所有输入间故障”假设，该假设是以往工作的关键局限。