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

Padmanabhan Balasubramanian|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2016

Radiation Effects in Electronics参考文献 8被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于分布式少数与多数投票的冗余（DMMR）方案，作为任务关键型和安全关键型系统中传统N模冗余（NMR）的更优替代方案。通过增大多数逻辑组相对于少数逻辑组的规模，DMMR在保持高系统可靠性的同时，实现了更高的容错能力和设计效率——尤其是3-of-M DMMR配置——在综合可靠性、容错能力和设计指标方面优于NMR及更大的DMMR配置。

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.

研究动机与目标

• 评估DMMR冗余方案与传统NMR相比，在系统可靠性、容错能力和设计指标之间的权衡。
• 分析在DMMR中，相对于少数组，增大多数逻辑组规模对系统性能的影响。
• 识别适用于任务关键型和安全关键型应用的最优DMMR配置（例如，3-of-M、5-of-M）。
• 通过32/28nm CMOS工艺实现的实测系统，对DMMR与NMR系统进行对比，以实证验证理论权衡。
• 确定在实际部署中，可靠性、容错能力和设计效率的最佳平衡点。

提出的方法

• DMMR方案将冗余模块划分为少数逻辑组和多数逻辑组，通过分布式投票逻辑对输出进行投票。
• 论文评估了不同多数组规模（如3-of-M、5-of-M）的DMMR配置，同时保持少数组规模不变。
• 基于元器件故障概率和投票逻辑行为，建立系统可靠性的模型。
• 通过确定系统在不发生故障的情况下可承受的最大并发故障数，评估容错能力。
• 量化并比较DMMR与NMR配置在功能模块数量和硬件复杂度等设计指标上的差异。
• 基于32/28nm CMOS工艺实现的实测系统被制造并进行基准测试，以验证理论上的权衡关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 与NMR相比，DMMR中增大多数逻辑组规模对系统可靠性、容错能力和设计指标有何影响？
• RQ2 在可靠性、容错能力和硬件效率之间实现最佳平衡的前提下，DMMR的最优配置（如3-of-M与5-of-M）是什么？
• RQ3 在真实工艺约束下，DMMR系统与等效的NMR系统在容错能力和设计复杂度方面有何对比？
• RQ4 DMMR中系统可靠性与设计效率之间的权衡关系如何，特别是针对3-of-M和5-of-M配置？
• RQ5 DMMR能否在保持可接受可靠性水平的同时，实现比NMR更高的容错能力并降低硬件成本？

主要发现

• 3-of-M DMMR系统在容错能力和设计指标优化方面均优于NMR和5-of-M DMMR系统。
• 5-of-M DMMR系统在容错能力上与NMR相当或更优，同时所需功能模块数量相似或更少，从而提升了设计效率。
• 系统可靠性排序为：NMR > 5-of-M DMMR > 3-of-M DMMR，其中NMR最可靠，3-of-M DMMR最不可靠。
• 尽管可靠性略有下降，3-of-M DMMR在可靠性、容错能力和设计指标之间实现了最佳综合权衡。
• 基于32/28nm CMOS的实现结果证实，与NMR相比，DMMR可降低硬件复杂度并提升容错能力。
• 与传统NMR相比，DMMR方案在容错能力和设计效率方面实现了显著提升，尤其在3-of-M配置下表现突出。