[论文解读] 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)|Nov 29, 2016

Radiation Effects in Electronics参考文献 8被引用 4

一句话总结

本文首次实现了基于FPGA的分布式少数与多数投票冗余（DMMR）方案，相较于传统N模冗余（NMR）在任务和安全关键系统中显著降低了面积与延迟开销。在包括抗辐射器件在内的多个FPGA平台中，DMMR在实现3模块和4模块容错时，分别比NMR降低了44.5%和56.5%的面积延迟积（ADP）。

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.

研究动机与目标

• 与传统NMR相比，开发一种更节省面积和成本的冗余方案，适用于任务和安全关键系统。
• 在保持相同容错能力的前提下，最小化设计指标如面积和延迟。
• 评估所提出的DMMR方案在商用和抗辐射FPGA上的性能表现。
• 证明DMMR可在显著降低硬件开销的同时，实现相当或更优的容错能力。

提出的方法

• DMMR方案采用分布式投票逻辑，在多个功能模块之间检测并纠正故障，以本地化、分布式的决策机制替代集中式冗余。
• 设计与实现中以4×4阵列乘法器作为代表性功能模块。
• 在四种FPGA平台（Spartan 3E，90nm；Virtex 5，65nm；QPro Virtex 2，150nm；QPro Virtex E，180nm）上进行物理综合。
• 基于面积占用和关键路径延迟对DMMR与NMR电路进行比较，以面积延迟积（ADP）为主要评估指标。
• 评估最多4个功能模块失效情况下的容错能力，投票逻辑设计用于通过少数/多数逻辑识别并屏蔽故障输出。
• 所有FPGA类型均使用Xilinx ISE和Vivado工具进行综合、布局布线及时序分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 DMMR方案是否能在FPGA系统中以更低的硬件资源使用量实现与NMR相当的容错能力？
• RQ2 在不同FPGA技术和工艺节点下，DMMR的面积延迟积（ADP）与NMR相比如何？
• RQ3 在容忍3个或4个故障功能模块时，DMMR相比NMR在ADP方面有何性能提升？
• RQ4 DMMR方案在抗辐射和军用级FPGA中是否保持了可靠性与低延迟？
• RQ5 分布式投票架构是否能在保持容错能力的同时，降低系统重量与成本，适用于安全关键应用？

主要发现

• 对于2模块容错，DMMR与NMR在所有四种FPGA上表现出近乎相同的平均面积延迟积（ADP）。
• 对于3模块容错，DMMR在所有FPGA平台上相比NMR平均降低了44.5%的ADP。
• 对于4模块容错，DMMR在所有四种FPGA上相比NMR平均降低了56.5%的ADP。
• DMMR方案在商用（Spartan 3E，Virtex 5）和抗辐射（QPro Virtex 2，QPro Virtex E）FPGA上均保持了稳定的性能提升。
• 实现结果证实，DMMR是安全关键系统中NMR的可行且更高效替代方案，尤其在容错需求提高时优势更明显。
• 结果表明，分布式投票可有效降低冗余开销，同时不损害故障检测或纠正能力。