Применение комбинированного резервирования при оптимизации энергоэффективности и надежности вычислительных систем

Abstract

RU: Актуальность. Задача повышения энергоэффективности и надежности систем управления и вычислительной техники по-прежнему остается одной из важнейших в 21-ом веке. Особенно в области аэрокосмической микроэлектроники, где требуется обеспечить устойчивость к воздействию одиночных эффектов, порождаемых заряженными частицами, и одновременно обеспечить минимальное энергопотребление, так как возможности по ее генерации существенно ограничены. При всем этом производительность остается важным параметрам для разработчиков электронных устройств. Таким образом, получается сложная оптимизационная задача с варьируемыми переменными – надежности, энергоэффективности и производительности, при существующих производственных ограничениях. Цель работы – решение оптимизационной задачи синтеза цифровых устройств, способных работах в широком диапазоне температуры и напряжения при ограничениях по надежности и производительности. Метод. Самосинхронные схемы, обеспечивающие стабильную работу по реальным задержкам, в том числе и при ультранизком напряжении питания, зарекомендовали себя как хорошее решение для указанной выше области применения. Для повышения надежности в критических системах часто используется резервирование, например, тройное модульное резервирование, либо коды Хэмминга для схем с памятью. Однако в самосинхронных схемах применение указанных методов затрудняется высокой избыточностью и вносимой задержкой. Кроме того, стандартная модель Маллера не позволяет учитывать влияние на систему одиночных отказов или сбоев, в результате резервирование приводит к нарушению ключевого свойства самосинхронных схем – полумодулярности. В статье развивается предложенный метод резервирования на транзисторном уровне, который в сочетании с уже хорошо известными методами позволяет получить новые эффективные решения. Результаты. Разработана модель отказоустойчивых самосинхронных схем, позволяющая аналитически подтверждать принадлежность отказоустойчивой схемы к классу самосинхронных. Предложена методика комбинированного резервирования, позволяющая проводить синтез отказоустойчивых самосинхронных схем с оптимизацией по ключевым параметрам. Выводы. Проведенное исследование подтвердило, что только комбинированное резервирование обеспечивает достижение оптимума функций в поставленной задаче. В дальнейшем перспективно расширить объект исследования за счет синхронных и гибридных цифровых устройств. UK: Актуальність. Завдання підвищення енергоефективності та надійності систем управління і обчислювальної техніки як і раніше залишається однією з найважливіших в 21-му столітті. Особливо в галузі аерокосмічної мікроелектроніки, де потрібно забезпечити стійкість до впливу одиночних ефектів, що породжуються зарядженими частинками, і одночасно забезпечити мінімальне енергоспоживання, так як можливості по її генерації істотно обмежені. При цьому продуктивність залишається важливим параметром для розробників електронних пристроїв. Таким чином, виходить складне оптимізаційне завдання з варійованими змінними – надійності, енергоефективності та продуктивності, при існуючих виробничих обмеженнях. Мета роботи – вирішення оптимізаційної задачі синтезу цифрових пристроїв, здатних працювати в широкому діапазоні температури і напруги при обмеженнях по надійності і продуктивності. Метод. Самосинхронні схеми, що забезпечують стабільну роботу за реальними затримками, у тому числі і при ультранизькій напрузі живлення, зарекомендували себе як рішення для зазначеної вище галузі застосування. Для підвищення надійності в критичних системах часто використовується резервування, наприклад, потрійне модульне резервування, або коди Гемінга для схем з пам’яттю. Однак в самосинхронних схемах застосування зазначених методів ускладнюється високою надмірністю і вноситься затримкою. Крім того, стандартна модель Маллера не дозволяє враховувати вплив на систему одиночних відмов або збоїв, в результаті резервування призводить до порушення ключової властивості самосинхронних схем – напівмодулярності. У статті розвивається запропонований метод резервування на транзисторному рівні, який в поєднанні з вже добре відомими методами дозволяє отримати нові ефективні рішення. Результати. Розроблено модель відмовостійких самосінхронних схем, що дозволяє аналітично підтверджувати належність відмовостійкої схеми до класу самосинхронних. Запропоновано методику комбінованого резервування, що дозволяє проводити синтез відмовостійких самосинхронних схем з оптимізацією за ключовими параметрами. Висновки. Проведене дослідження підтвердило, що тільки комбіноване резервування забезпечує досягнення оптимуму функцій в поставленому завданні. Надалі перспективно розширити об’єкт дослідження за рахунок синхронних і гібридних цифрових пристроїв. EN: Context. The increase of energy-efficiency and reliability of computing systems is still important task in 21st century. It is especially important in the field of computing systems for aerospace because both the radiation-tolerance should be provided and the energy-consumption are very limited. Moreover, the developers should take care about performance of a computing system. There-fore, all of this result in difficult optimization task with key-parameters – reliability, energy-efficiency and performance in conditions of existing technologies limits. Objective. The solution of optimization task – the synthesis of digital devices that can work in wide temperature and voltage range at restrictions on reliability probability and performance. Method. Delay-insensitive (or Self-timed according to Russian terms) circuits can stable operate in delay variation including operation under ultra-low-supply-voltage (ULSV). That is why it became a good solution for considered task. To increase reliability in the critical fields of application, the redundancy is often used. For example, the triple modular redundancy or the Hamming codes. However, the implementing of these methods in delay-insensitive circuits faces problems – excessive increase of complexity or delays in critical paths. In addition, the Muller’s model are not provide possibilities to take into account failures as normal part of system operations. Thus, the definitions of fault-tolerance and semi-modularity (the basic feature of delay-insensitive circuits) have a conflict. In the paper the method of redundancy at transistor level was developed. The combination of proposed and known methods allows receiving new efficient solutions. Results. The model of fault-tolerant self-timed circuits was developed. The method of complex redundancy for self-timed circuits was proposed. This method provides synthesis of digital devices with optimization in key parameters. Conclusions. The research proved that only the combination of methods provide the achievement of function’s optimum. It is interesting task to expand the object of research to synchronous and globally asynchronous locally synchronous computing systems in further research.