[논문]우주용 메모리의 자동 오류극복을 위한 오류 정정기 제어 알고리즘 개발

곽성우; 양정민

doi:10.5370/kiee.2011.60.5.1036

우주용 메모리의 자동 오류극복을 위한 오류 정정기 제어 알고리즘 개발
Development of Error-Corrector Control Algorithm for Automatic Error Detection and Correction on Space Memory Modules 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.5, 2011년, pp.1036 - 1042

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents an algorithm that conducts automatic memory scrubbing operated by dedicated hardwares. The proposed algorithm is designed so that it can scrub entire memory in a given scrub period, while minimally affecting the execution of flight softwares. The scrub controller is constructed in a form of state machines, which have two execution modes - normal mode and burst mode. The deadline event generator and period tick generator are designed in a separate way to support the behavior of the scrub controller. The proposed controller is implemented in VHDL code to validate its applicability. A simple version of the controller is also applied to mass memory modules used in STSAT-3.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

iii) 고가의 우주용 메모리를 사용하는 대신 저비용으로 우주급 메모리에 버금가는 SEU에 대한 강인성을 확보할 수 있어 위성의 개발 비용을 절감하리라 기대된다. 따라서 본 연구는 향후 국내에서 개발될 위성의 저비용 개발 목적에 부합한다.
본 연구에서는 별도의 비행 소프트웨어에 의해 수행되는 메모리 스크럽(scrub) 작업을 하드웨어에 의해 자동적으로 수행하는 알고리즘을 개발한다. 본 논문에서 개발된 메모리스크럽 알고리즘은 비행 소프트웨어의 실행에 가능한 영향을 주지 않으면서 주어진 스크럽 주기 이내에 전체 메모리를 스크럽 하도록 설계된다.
본 연구에서는 우주용 메모리에서 발생하는 SEU의 누적을 방지하기 위하여 자동으로 오류를 탐지하고 복구하는 스크럽 알고리즘을 개발하고 이를 VHDL와 FPGA로 구현하였다. 제안된 스크럽 제어 시스템에서 비행 소프트웨어의 메모리 접근 형태는 포아송 모델로 표현되었고, 제어기는 CPU의 메모리 접근을 고려하여 스크럽 작업을 수행한다.
메모리 스크럽 알고리즘의 기본 개념은 비행 소프트웨어의 메모리 요구를 방해하지 않으면서 주어진 주기 이내에 전체 메모리를 스크럽하는 것이다. 이 목표를 달성하기 위하여 본 연구에서는 그림 2와 같은 메모리 스크럽 제어 시스템(memory scrub control system)을 설계하고자 한다. 스크럽 제어기의 입력은 전체 메모리 크기(total memory size), 설정된 메모리 스크럽 주기(memory scrub period), 그리고 비행 소프트웨어의 실행에 따른 CPU의 메모리 요구(CPU memory request)이며, 출력은 메모리 스크럽을 실제 실행하는 작업(memory scrub)이다.

가설 설정

이번 연구에서는 CPU가 메모리에 접근하는 형태가 접근율 λ를 가진 포와송(Poisson) 분포를 따른다고 설정한다.

제안 방법

본 연구에서는 별도의 비행 소프트웨어에 의해 수행되는 메모리 스크럽(scrub) 작업을 하드웨어에 의해 자동적으로 수행하는 알고리즘을 개발한다. 본 논문에서 개발된 메모리스크럽 알고리즘은 비행 소프트웨어의 실행에 가능한 영향을 주지 않으면서 주어진 스크럽 주기 이내에 전체 메모리를 스크럽 하도록 설계된다. 기존 연구 결과와 비교하여 본 기법이 가지는 우수성을 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서 개발된 스크럽 제어기의 단순화된 버전은 과학기술위성 3호 대용량 메모리 모듈에 적용되었다. 대용량 메모리 모듈의 비행 모델(flight model)에 대한 기능 및 환경 시험에서 스크럽 제어기의 정상 동작 여부와 실용성을 확인할 수 있었다.

성능/효과

스크럽 알고리즘은 상태 머신과 이것을 제어하기 위한 상태 제어기에 의해 수행되도록 구성되며, 주어진 주기 이내에 전체 메모리의 스크럽이 완료되는 실시간 조건을 만족하도록 하였다. VHDL과 FPGA로 구현된 스크럽 제어기가 보이는 각 이벤트들의 발생 및 처리 과정은 제안된 제어 시스템의 우수성을 입증한다.
i) 위성 비행 소프트웨어 개발자는 메모리 스크럽 작업을 위한 별도의 소프트웨어를 개발할 필요가 없고, 주어진 주기 이내에 전체 메모리를 스크럽 하도록 소프트웨어를 설계하여야 하는 부담을 줄일 수 있다.
ii) 메모리 스크럽을 위한 전용 소프트웨어를 실행하기 위해 다른 중요한 비행 소프트웨어의 실행을 희생하는 가능성을 없앨 수 있어 CPU의 효율을 극대화한다. 즉 동일한 성능의 CPU로 더 많은 작업을 가능토록 하여 위성의 고성능화에 일조할 수 있다.
본 연구에서 개발된 스크럽 제어기의 단순화된 버전은 과학기술위성 3호 대용량 메모리 모듈에 적용되었다. 대용량 메모리 모듈의 비행 모델(flight model)에 대한 기능 및 환경 시험에서 스크럽 제어기의 정상 동작 여부와 실용성을 확인할 수 있었다.

후속연구

iii) 고가의 우주용 메모리를 사용하는 대신 저비용으로 우주급 메모리에 버금가는 SEU에 대한 강인성을 확보할 수 있어 위성의 개발 비용을 절감하리라 기대된다. 따라서 본 연구는 향후 국내에서 개발될 위성의 저비용 개발 목적에 부합한다.
본 연구에서 개발된 고에너지 입자에 의한 SEU 자동 극복 기술은 우주용 메모리뿐 아니라 우주 환경과 비슷하게 방사능 영향을 크게 받는 원자력 발전소 내부의 제어 컴퓨터 메모리 및 원자로용 로봇 제어 컴퓨터의 설계에도 동일하게 적용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SEU란?	위성체가 우주 환경에 직면하면 위성체의 전자회로는 우주선(cosmic ray)에 의한 고에너지 입자, 태양으로부터 분출되는 입자, 그리고 지구 자기장에 붙잡혀 있는 여러 에너지 입자들로부터 영향을 받는다. 이 중 SEU(Single Event Upset)는 이들 고에너지 입자에 의해 메모리에 저장된 정보 비트(bit)의 값이 반전되는 현상이다. SEU가 발생한 메모리의 데이터를 복구하지 않으면 메모리에 저장된 비행 소프트웨어(flight software)의 프로그램 코드에 영향을 주어 시스템이 오동작 하는 경우가 발생한다.
	위성체가 우주 환경에 직면하면 위성체의 전자회로는 무엇으로 부터 영향을 받는가?	우주용 메모리 모듈은 우주 환경에 의해 독특한 현상을 경험한다. 위성체가 우주 환경에 직면하면 위성체의 전자회로는 우주선(cosmic ray)에 의한 고에너지 입자, 태양으로부터 분출되는 입자, 그리고 지구 자기장에 붙잡혀 있는 여러 에너지 입자들로부터 영향을 받는다. 이 중 SEU(Single Event Upset)는 이들 고에너지 입자에 의해 메모리에 저장된 정보 비트(bit)의 값이 반전되는 현상이다.
	SEU가 발생하지 않도록 특수하게 제조된 우주급(space grade) 메모리를 사용하는 방법의 단점은?	SEU에 대처하기 위해서는 SEU가 발생하지 않도록 특수하게 제조된 우주급(space grade) 메모리를 사용하거나, SEU가 발생할 수 있는 상용 메모리를 사용하면서 SEU 탐지 및 복구를 위한 부가적인 하드웨어와 소프트웨어를 추가해야 한다. 첫 번째 방법의 경우 SEU를 원천적으로 제거할 수 있으나 고가의 메모리를 사용해야 된다는 단점이 있다. 따라서 비교적 저비용으로 개발되는 “과학기술위성”과 같은 저궤도 소형위성 또는 대규모 메모리가 사용되는 위성 대용량 메모리 모듈(mass memory unit) 등의 경우 경제적으로 유리한 후자의 방법을 많이 선택한다[4]-[6].

참고문헌 (7)

S. Yoshioka, H. Kamimura, M. Akiyama, M. Nakamura, T. Tamura, and S. Kuboyama, "A radiation-hardened 32-bit mirco-processor based on the commercial CMOS process," IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 41, no. 6, pp. 2481-2486, 1994.

상세보기
T. P. Ma and P. V. Dressendorfer, Ionizing Radiation Effects in MOS Devices and Circuits, John Wiley & Sons, 1989.
곽성우, 류상문, 박홍영, 오대수, 유관호, 최병재, 김병국, "과학위성1호 탑재 컴퓨터의 설계 및 구현", 한국항공우주학회지, 제31권 4호, pp. 105-111, 2003.

원문보기 상세보기
곽성우, 박홍영 "과학기술위성 1호 탑재 컴퓨터에서의 SEUs 극복을 위한 메모리 운용 및 해석", 한국항공우주학회지, 제32권 1호, pp. 98-105, 2004.
K. H. Kim, H. S. Kim, J. H. Park, K. H. Park, and S. D. Choi, "Design and implementation of the small satellite on-board computer system: KASCOM," Journal of Astronomy and Space Sciences, vol. 13, no. 2, pp. S52-S66, 1996.
C. I. Underwood, "In-orbit radiation effects monitoring on the UoSAT satellite," 4th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellite, 1990.
C. M. Krishina and K. G. Shin, Real-Time Systems, McGraw-Hill, 1997.

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