[논문]과학기술위성 3호 대용량 메모리에 대한 오류복구 코드 및 SEU 시험 결과 분석

서인호; 유광선; 오대수; 김병준

doi:10.5139/jksas.2010.38.1.087

[국내논문] 과학기술위성 3호 대용량 메모리에 대한 오류복구 코드 및 SEU 시험 결과 분석
Error Correction Code and SEU Test Analysis of Mass Memory for STSAT-3 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.38 no.1, 2010년, pp.87 - 93

서인호 (한국과학기술원 인공위성연구센터) , 유광선 (한국과학기술원 인공위성연구센터) , 오대수 (한국과학기술원 인공위성연구센터) , 김병준 (대구경북과학기술연구원)

초록
AI-Helper

과학기술위성 3호 대용량 메모리를 SEU로부터 보호하기 위해서 4비트 심볼을 이용하는 RS(10,8) 코드를 개발 하였다. 따라서 32비트 데이터에 대해서 8비트의 페리티를 추가 하였으며 1 심볼에 대해서 에러를 복구할 수 있다. 또한 우리별 3호의 결과를 이용하여 예상되는 SEU 발생률과 스크럽 주기를 계산하였다. 이 결과를 바탕으로 한국원자력 의학원에 있는 Cyclotron 양성자 가속기를 이용하여 SEU 시험을 수행 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

RS(10,8) Code by 4-bit symbol was developed to protect the mass memory of STSAT-3 from SEU in orbit. Therefore, one symbol can be corrected for 32-bit data with 8-bit parity configuration. Moreover, scrubbing period and SEU occurrence rate was calculated based on the KITSAT-3 result. A prediction of SEU rates was performed based on the ground experiment results with a proton accelerator in the KIRAMS(Korea Institute of Radiological Medical Sciences).

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 과학기술위성 2호의 대용량 메모리에 사용된 EDAC 알고리즘을 보완하여 3호용으로 개발된 RS(10,8)[4] 코드에 대한 설계 결과를 나타내었으며 SEU 오류 극복 확률과 스크럽 주기를 계산 하였다. 또한 한국 원자력 의학원의 양성자 가속기에서의 시험을 통해서 임무 수행 기간 동안 발생할 SEU 발생 빈도를 예측하였다.
본 논문에서는 과학기술위성 3호 대용량 메모리의 EDAC용으로 사용된 RS(10,8) 코드 대한 개발 및 분석 결과를 나타내었다.

가설 설정

본 연구에서 다룰 EDAC 알고리즘에 대한 확률 분석을 위하여 다음과 같은 기본 확률식을 유도한다. 메모리의 각 셀(cell)에서 발생하는 SEU는 Poisson 과정을 따른다고 가정한다. 메모 리의 각 셀에서 t시간 내에 n개의 SEU가 발생할 확률은 다음과 같다.
여기서 f′(E)는 위성의 외부가 아닌 실제 사용되는 메모리가 위치한 곳에서의 입자 플럭스로서 구조물에 의한 차폐효과를 고려한 입자 플럭스의 양이다. 본 실험에서는 2 mm 두께의 알루 미늄에 의해 차폐되고 있다는 가정 하에 계산이 되었으며, 우주공간 상에서 양성자의 플럭스는 SPENVIS을 이용하여 계산하였다.
이러한 계산을 통해 계산된 값에 SAA를 위성이 지날 때와 태양활동에 의한 양성자 플럭스의 증가 등을 고려하여, Worst Case로서 평균값에 비해 각각 100배 씩 증가할 수 있다고 가정을 하여 최종적으로 위성 운용 시 발생할 수 있는 SEU 발생 빈도를 유도하였다. 이렇게 유도된 SEU 발생빈도는 1초를 기준으로 하였을 때, 전체 메모리에 대해서 대략 3~6 회 발생하는 것으로 나타났다.

제안 방법

본 논문에서는 과학기술위성 2호의 대용량 메모리에 사용된 EDAC 알고리즘을 보완하여 3호용으로 개발된 RS(10,8)[4] 코드에 대한 설계 결과를 나타내었으며 SEU 오류 극복 확률과 스크럽 주기를 계산 하였다. 또한 한국 원자력 의학원의 양성자 가속기에서의 시험을 통해서 임무 수행 기간 동안 발생할 SEU 발생 빈도를 예측하였다.
탑재체에서 데이터를 수신하는 속도와 메모리에 저장하는 속도를 고려하여 이러한 구조를 사용 하였지만 메모리에 저장된 데이터를 다시 읽어서 RS 코드로 변환해야 하는 번거로움과 RS 코드로 변환하는데 시간이 소요 된다는 단점이 있다. 따라서 과학기술위성 3호에서는 RS(10,8) 코드를 사용하여 메모리에서 데이터를 다시 읽어서 RS 코드로 변환해야 하는 번거로움을 없애고 변환 시간 또한 단축 시켰으며 지상으로 데이터를 전송하는 시점에 RS(255,223) 코드로 변환하는 형태로 구조로 변경 하였다. EDAC 알고리즘을 선택할 때는 (7,4)Hamming 코드, RS(16,8) 코드, RS(10,8) 코드를 비교하여 복구 불가능한 SEU가 존재할 확률이 비교적 낮고, 패리티 메모리가 적게 필요한 RS(10,8) 코드를 채택 하였다[3].
EDAC 알고리즘을 선택할 때는 (7,4)Hamming 코드, RS(16,8) 코드, RS(10,8) 코드를 비교하여 복구 불가능한 SEU가 존재할 확률이 비교적 낮고, 패리티 메모리가 적게 필요한 RS(10,8) 코드를 채택 하였다[3]. 표 1에 지금까지 설명한 과학기술위성 2호와 3호의 대용량 메모리 유닛의 사양을 비교 하였다. 데이터 수신 속도와 대용량 메모리가 각각 500배와 16배로 크게 증가 하였으므로 과학기술위성 2호 때와는 달리 FPGA가 직접 메모리를 관리하는 형태로 구조를 변경 하였다.
표 1에 지금까지 설명한 과학기술위성 2호와 3호의 대용량 메모리 유닛의 사양을 비교 하였다. 데이터 수신 속도와 대용량 메모리가 각각 500배와 16배로 크게 증가 하였으므로 과학기술위성 2호 때와는 달리 FPGA가 직접 메모리를 관리하는 형태로 구조를 변경 하였다.
Error_ inspection 프로세스에서 계산된 신드롬 값이 제로가 아닌 경우에는 recovery 프로세스에서 에러값과 에러 위치를 계산하게 되며 이 결과를 이용하여 데이터 메모리에서 에러 위치와 에러 데이터 값을 XOR 하면 정보 데이터가 복구 된다. 위와 같은 과정을 VHDL로 구현하여 FPGA내에서 처리 가능하도록 하였으며, 실제 실험을 통하여 검증하였다.
따라서 우리별 3호의 궤도가 730 Km의 태양동기궤도이며 과학기술위성 3호도 700 Km의 태영동기궤도로써 서로 비슷하므로 메모리 각 셀에서의 SEU 발생률 λ 는 우리별 3호 탑재 컴퓨터에서의 SEU 발생률을 조사하여 대략적으로 그 값을 추정하였다.
SEU의 발생횟수를 NSEU라 하고, SEU Cross Section을 σ, 양성자 빔의 Fluence를 f라 하였을 때, 이들 사이에는 NSEU = σxf의 관계가 성립하므로 이를 이용하여 각 에너지에 따른 SEU Cross Section 값을 유도하였다.
실험은 각각의 에너지에서 30초간 양성자 가속기에 노출시켜 수행이 되었으며, 30 MeV에서는 총 8140회의 SEU가 발생하여 이중 1873회의 SEU에 대해서 데이터가 복구 되었으며 37 MeV 빔에 노출시켰을 때에는 총 8055회의 SEU가 발생하여 이중 1035회의 데이터가 복구되었다. 이중 복구가 안 된 경우는 최소 2bit 이상에서 에러가 발생한 것이므로 이들에 대해서는 실제 발생회수에 2를 곱하여 SEU Cross Section을 구하였다. SEU의 발생횟수를 N_SEU라 하고, SEU Cross Section을 σ, 양성자 빔의 Fluence를 f라 하였을 때, 이들 사이에는 N_SEU = σxf의 관계가 성립하므로 이를 이용하여 각 에너지에 따른 SEU Cross Section 값을 유도하였다.
여기서, E는 양성자 빔의 에너지를 의미하며 A와 B의 값은 실험에서 구한 Cross Section을위의 함수로 조정 하였을 때 유도되는 매개변수이다. 두가지 에너지에 대해 실험을 하였으므로 직접 A와 B의 값을 구하기가 어려웠으며, 대신 과학기술위성 2호에 사용된 메모리에 대하여 구한 SEU Cross Section과[4] 실험에서 구한 cross section을 그 차이만큼의 비율로 곱하여 사용하였다. 이렇게 구한 에너지에 따른 SEU Cross Section의 값을 우주 공간에서 예상되는 입자의 플럭스 값과 곱하여 에너지에 대해 적분을 하면 실제로 인공위성이 우주공간에서 운용될 때 예상되는 SEU 발생빈도(R_SEU)를 구할 수 있으며 다음과 같이 표현된다.
또한 우리별 3호의 데이터를 이용하여 적당한 스크럽 주기를 계산해 보았으며 원자력 병원에서의 실험을 통해서 SEU 발생률을 예측 하였다.
본 연구를 통해서 과학기술위성 3호 대용량 메모리 유닛에 사용된 RS(10,8) 코드를 자세히 분석 하였으며 실제로 발사 되었을 때 어느정도 SEU가 발생하는지 실험과 분석을 통해서 예측 하였다.

대상 데이터

따라서 과학기술위성 3호에서는 RS(10,8) 코드를 사용하여 메모리에서 데이터를 다시 읽어서 RS 코드로 변환해야 하는 번거로움을 없애고 변환 시간 또한 단축 시켰으며 지상으로 데이터를 전송하는 시점에 RS(255,223) 코드로 변환하는 형태로 구조로 변경 하였다. EDAC 알고리즘을 선택할 때는 (7,4)Hamming 코드, RS(16,8) 코드, RS(10,8) 코드를 비교하여 복구 불가능한 SEU가 존재할 확률이 비교적 낮고, 패리티 메모리가 적게 필요한 RS(10,8) 코드를 채택 하였다[3]. 표 1에 지금까지 설명한 과학기술위성 2호와 3호의 대용량 메모리 유닛의 사양을 비교 하였다.
심볼(Symbol)의 크기가 4비트인 RS(10,8) 코드를 사용 하였다. 따라서 32비트 데이터에 대해서 8비트의 페리티를 추가 하였으며 1 심볼에 대해서 에러를 복구할 수 있다.
본 실험에서는 30 MeV와 37 MeV 두가지 에너지에 대해 실험을 하였으며, 실험은 2009년 8 월 28일 하루에 걸쳐 수행 되었다. 그림 8에 과학기술위성 3호 대용량 메모리 유닛과 SEU 시험에서 실제로 빔이 조사되는 부분의 메모리를 나타내었다.
그림 8에 과학기술위성 3호 대용량 메모리 유닛과 SEU 시험에서 실제로 빔이 조사되는 부분의 메모리를 나타내었다. 실험에 사용된 메모리는 과학기술위성 2호에서도 사용된 경험이 있는 3D-PLUS사의 MMSD16256808S-V-MB이다.

성능/효과

실험은 각각의 에너지에서 30초간 양성자 가속기에 노출시켜 수행이 되었으며, 30 MeV에서는 총 8140회의 SEU가 발생하여 이중 1873회의 SEU에 대해서 데이터가 복구 되었으며 37 MeV 빔에 노출시켰을 때에는 총 8055회의 SEU가 발생하여 이중 1035회의 데이터가 복구되었다. 이중 복구가 안 된 경우는 최소 2bit 이상에서 에러가 발생한 것이므로 이들에 대해서는 실제 발생회수에 2를 곱하여 SEU Cross Section을 구하였다.
이러한 계산을 통해 계산된 값에 SAA를 위성이 지날 때와 태양활동에 의한 양성자 플럭스의 증가 등을 고려하여, Worst Case로서 평균값에 비해 각각 100배 씩 증가할 수 있다고 가정을 하여 최종적으로 위성 운용 시 발생할 수 있는 SEU 발생 빈도를 유도하였다. 이렇게 유도된 SEU 발생빈도는 1초를 기준으로 하였을 때, 전체 메모리에 대해서 대략 3~6 회 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 전체 메모리에 대한 SEU 발생 확률은 그림 6의 결과와 비슷하게 매우 작다는 것을 알 수 있다.
본 시험의 결과에 대한 신뢰도가 높다고 가정 한다면 스크럽 주기 15분 동안에 SEU는 발생할 수 있지만 RS(10,8) 코드로 대부분 복구될 것으로 예상된다. SEU에 대한 분석 결과와 실험 결과를 종합해보면 대용량 메모리에 SEU가 발생하지 않도록 하는 것은 불가능하다. 그러나 대부분의 SEU는 SAA 지역에서 발생하며(스크럽에 의해서 복구) 대용량 메모리에 저장된 데이터가 영상 데이터(특정 부분의 에러는 영상을 판독하는데 영향을 주지 않음)인 것을 감안하면 RS(10,8) 코드를 대용량 메모리의 EDAC 알고리즘으로 사용하는데 문제가 없을 것으로 예상된다.

후속연구

위의 계산 결과를 보면 위성 궤도의 차이, 사용된 메모리의 종류, 메모리 위치 등의 조건이 우리별 3호와 과학기술위성 3호가 서로 다르므로 우리별 3호에서 추정된 SEU 발생률과 과학기술 위성 3호가 우주에서 경험하게 될 실제 SEU 발생률은 차이가 있을 수 있으나 근사적으로 과학 기술위성 3호에 적용하여 대략적인 SEU 발생률을 확인하는데는 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 다룰 EDAC 알고리즘에 대한 확률 분석을 위하여 다음과 같은 기본 확률식을 유도한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	위성이 우주환경에 노출되면 그 궤도에서 운용되고 있는 위성체를 구성하는 물질과 전자부품은 무엇에 의해서 여러 가지 비정상적인 현상에 직면하게 되는가?	위성이 우주환경에 노출되면 그 궤도에서 운용되고 있는 위성체를 구성하는 물질과 전자부품은 지구 자기장 주변의 이온화 방사선에 의해서 여러 가지 비정상적인 현상에 직면하게 된다[1]. 특히 우주에 존재하는 고에너지 양성자는 마이크로프로세서와 메모리 소자등의 전자 부품에 SEU(Single Event Upset)를 일으킬 수 있다.
	4비트 심볼을 이용하는 RS 코드를 개발한 이유는?	과학기술위성 3호 대용량 메모리를 SEU로부터 보호하기 위해서 4비트 심볼을 이용하는 RS(10,8) 코드를 개발 하였다. 따라서 32비트 데이터에 대해서 8비트의 페리티를 추가 하였으며 1 심볼에 대해서 에러를 복구할 수 있다.
	4비트 심볼을 이용하는 RS 코드를 개발 하여 얻은 효과는?	과학기술위성 3호 대용량 메모리를 SEU로부터 보호하기 위해서 4비트 심볼을 이용하는 RS(10,8) 코드를 개발 하였다. 따라서 32비트 데이터에 대해서 8비트의 페리티를 추가 하였으며 1 심볼에 대해서 에러를 복구할 수 있다. 또한 우리별 3호의 결과를 이용하여 예상되는 SEU 발생률과 스크럽 주기를 계산하였다.

참고문헌 (5)

곽성우, 박홍영, “과학기술위성 1호 탑재 컴퓨터에서의 SEUs 극복을 위한 메모리 운용 및 해석”, 항공우주학회지, Vol. 32 (1), pp. 98-105, 2004.

원문보기 상세보기
곽성우, “과학기술위성 3호 대용량 메모리에서의 SEU 극복 방법 및 확률해석”, 전자공학회 논문지, 제45권 4호, pp. 35-41, 2008.

원문보기 상세보기
김병준, 곽성우, 유상문, 김형신, “과학기술위성 3호 탑재 컴퓨터와 대용량 메모리에 적용될 EDAC 알고리즘의 비교 및 분석”, 2008년도 한국항공우주학회 추계학술발표회, 논문집2, pp. 1586 - 1589.
http://www.informit.com/content/images/art_sklar7_reed-solomon/elementLinks/art_sklar7_reed-solomon.pdf
Kwangsun Ryu, Goo-Hwan Shin, Hyung-Myung Kim, Heejoon Kim, and Kyungwook Min, "Single Event Upset Measurements of Memory Chips for the Langmuir Probe on STSAT-2", Journal of the Korean Physical Society, Vol. 52, No. 3, pp. 853-857, 2008.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증