[论文解读] On the Practicality of Intrinsic Reconfiguration As a Fault Recovery Method in Analog Systems

Garrison W. Greenwood|ArXiv.org|Apr 1, 2004

Evolutionary Algorithms and Applications参考文献 10被引用 3

一句话总结

本文研究了在严格时间约束下，利用可演化硬件作为故障恢复方法，在模拟系统中进行内在重构的可行性。研究表明，由编程和适应度评估驱动的重构时间可能超过故障恢复截止时间，因此只有在逻辑正确性和时间正确性均得到证明的前提下，内在演化才具有可行性，且重构时间必须短于系统的强制恢复截止时间。

ABSTRACT

Evolvable hardware combines the powerful search capability of evolutionary algorithms with the flexibility of reprogrammable devices, thereby providing a natural framework for reconfiguration. This framework has generated an interest in using evolvable hardware for fault-tolerant systems because reconfiguration can effectively deal with hardware faults whenever it is impossible to provide spares. But systems cannot tolerate faults indefinitely, which means reconfiguration does have a deadline. The focus of previous evolvable hardware research relating to fault-tolerance has been primarily restricted to restoring functionality, with no real consideration of time constraints. In this paper we are concerned with evolvable hardware performing reconfiguration under deadline constraints. In particular, we investigate reconfigurable hardware that undergoes intrinsic evolution. We show that fault recovery done by intrinsic reconfiguration has some restrictions, which designers cannot ignore.

研究动机与目标

• 评估在冗余有限的模拟系统中，内在重构作为故障恢复方法的实际可行性。
• 识别出由于编程和适应度评估导致的重构时间可能成为容错系统中的关键瓶颈。
• 确立使用内在重构的容错系统必须被视为实时系统，需同时满足逻辑正确性和时间正确性。
• 证明即使采用适中的种群规模和代数，过长的重构时间也可能违反恢复截止时间。
• 主张通过故障模式与影响分析（FMEA）证明时间正确性，是宣称任何基于EHW的恢复方法有效性的关键。

提出的方法

• 本研究采用内在演化方法，适应度评估在实际硬件（FPAA）上执行，而非在仿真中进行，以真实反映重构延迟。
• 重构时间计算为编程时间（3.8 ms）与适应度评估时间（625 ms）之和，即每种配置的总时间为628.8 ms。
• 采用种群规模为100、5,000代的遗传算法来演化补偿器电路，总重构时间约为8.7小时。
• 通过将总重构时间与系统特定的故障恢复截止时间进行比较，评估内在重构的可行性。
• 分析使用真实硬件（FPAA）测量实际重构延迟，避免了基于仿真研究的乐观假设。
• 本文主张通过故障模式与影响分析（FMEA）识别恢复截止时间并验证时间正确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在定义的时间窗口内，基于可演化硬件的内在重构能否有效实现模拟系统中的硬件故障恢复？
• RQ2 硬件编程时间和适应度评估时间对内在演化中总重构时间的影响是什么？
• RQ3 在实时应用中，总重构时间与系统特定的故障恢复截止时间相比如何？
• RQ4 如果总重构时间超过恢复截止时间，内在重构是否仍适用于故障恢复？
• RQ5 故障模式与影响分析（FMEA）在建立基于EHW的故障恢复的时间正确性方面发挥什么作用？

主要发现

• 在FPAA上演化500,000个补偿器配置的总重构时间约为8.7小时，每种配置耗时628.8 ms（3.8 ms编程 + 625 ms适应度评估）。
• 对于恢复截止时间低于10小时的系统（如每6小时需维持通信会话的系统），重构时间可能过长而不可行。
• 即使采用适中的种群规模和代数，重构时间仍可能超过故障恢复截止时间，导致在时间敏感系统中内在重构不可行。
• 仅逻辑正确性无法保证时间正确性；恢复方法必须被证明在系统强制恢复截止时间前完成。
• 由于运行时间过长，特别是当部署在无冗余的单处理器上时，遗传编程算法在容错系统中不切实际。
• 本文确立，任何基于EHW的恢复方法都必须在逻辑和时间两方面被证明正确，且时间正确性必须通过FMEA驱动的截止时间分析来验证。