[논문]이중화 구조를 이용한 비동기 디지털 시스템의 방사선 고장 극복

곽성우; 양정민

doi:10.5302/j.icros.2014.14.0006

이중화 구조를 이용한 비동기 디지털 시스템의 방사선 고장 극복
A New Hardening Technique Against Radiation Faults in Asynchronous Digital Circuits Using Double Modular Redundancy 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.20 no.6, 2014년, pp.625 - 630

곽성우 (계명대학교 전자공학과) , 양정민 (경북대학교 전자공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Asynchronous digital circuits working in military and space environments are often subject to the adverse effects of radiation faults. In this paper, we propose a new hardening technique against radiation faults. The considered digital system has the structure of DMR (Double Modular Redundancy), in which two sub-systems conduct the same work simultaneously. Based on the output feedback, the proposed scheme diagnoses occurrences of radiation faults and realizes immediate recovery to the normal behavior by overriding parts of memory bits of the faulty sub-system. As a case study, the proposed control scheme is applied to an asynchronous dual ring counter implemented in VHDL code.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

비동기 디지털 시스템에 대한 고장 극복 기능을 구현한 과거의 연구들은 내고장성을 고려한 회로 설계에 대한 것들이 주를 이루었다[3,4]. 본 논문에서는 설계보다는 제어의 관점으로 방사선 고장을 극복하는 연구를 다룬다. 고려하는 디지털 시스템에 내고장성을 부여하기 위해서, 시스템은 이중화(DMR: Dual Modular Redundancy) 구조를 가진다고 설정한다.
본 논문에서는 회로의 출력이 현재 상태와 다른 입력/출력 비동기 디지털 시스템을 다룬다. 입력/출력 비동기디지털 시스템 Σ를 다음과 같이 모델링하자.
이번 논문에서는 방사선 고장(radiation fault)에 영향을 받는 비동기 디지털 시스템을 위한 새로운 고장 극복 방법을 제안한다. 군사용, 우주용 등의 용도로 제작된 디지털 시스템은 방사선이 존재하는 환경에서 노출되는 경우가 많이 발생한다.
이번 연구에서는 내고장성 모듈과 마찬가지로 Σ의 출력도 최대한 단순화시켜서 이용하는 것을 목적으로 한다.
방사선 고장에 강인한 디지털 시스템을 구현하는 일은 고신뢰도 군사용 및 우주용 디지털 시스템을 제작하기 위해 반드시 해결해야 하는 기반 기술이다. 이번 연구에서는 이중화 구조를 가지는 비동기 디지털 시스템에 대한 새로운 고장 극복 방법을 제안하였다. 제안된 기법의 핵심 아이디어는 고장 난 메모리 비트의 정확한 위치 정보를 모르고도 시스템이 보유한 내고장성 모듈과 비동기 교정 제어를 이용하여 즉각적인 고장 탐지 및 복구 기능을 실현하였다는 것이다.
1) [9]에서 다룬 고장은 총이온화선량(TID: Total Ionization Dose)에 의한 고장으로 디지털 시스템의 상태 천이 특성을 영구적으로 바꾸는 종류였다. 하지만 본 논문에서는 과도 고장(transient fault) [5], 즉 방사선의 영향으로 시스템의 메모리 비트 값이 일시적으로 바뀌는 고장을 연구한다.

가설 설정

2) [9]에서는 제어 대상 디지털 시스템이 하드웨어 여유도를 갖추고 있지 않다고 가정하고 모든 고장 탐지와 극복 과정을 교정 제어기가 구현하였다. 반면 이번 논문에서는 두 개의 부시스템 사이에 각자의 상태 값을 다른 부시스템의 해당 상태에 덮어쓰는 로직이 있다고 설정한다. 즉 교정 제어기는 이러한 내고장성 로직을 운용하는 제어 입력 스트링(string)을 결정하는 역할을 한다.
부시스템 P에서 방사선 고장이 발생한다고 가정하자. Q에 대한 경우는 대칭성을 이용하여 P의 결과로부터 쉽게 유도할 수 있다.
본 연구에서 제안한 고장 진단 및 극복 기법의 우수성과 응용가능성을 보이기 위해서 DMR 링 카운터와 교정 제어기를 VHDL로 구현하고 고장 주입기(fault injector)를 설계 하여 방사선 고장을 실험적으로 발생시킨 다음 검증 실험을 실시하였다. 사례 연구로 쓰인 DMR 링 카운터는 n=5비트를 가진다고 설정하였다.
이때의 해결책은 Σ에 정상 카운팅 입력을 넣어 상태 천이를 한번 시킨 다음 리셋 입력을 부과하는 방법이다. 편의상 고장이 발생한 상태 비트가 p₂라고 가정하고 이 기법을 설명한다(다른 위치의 경우도 유사하게 해석된다). 고장이 일어나면 Σ의 상태는 다음과 같이 바뀐다.

제안 방법

본 논문에서는 먼저 DMR 구조로 이루어진 비동기 디지털 시스템을 모델링하고 방사선의 영향으로 발생하는 과도 고장을 탐지하고 극복하는 알고리듬을 교정 제어의 틀에서 제안한다. 또한 제안된 고장 극복 모듈의 성능을 검증하기 위해서 DMR 구조로 된 비동기 링(ring) 카운터를 VHDL 코드로 구현하고 주어진 고장 시나리오 하에서 고장 탐지 및 극복 실험을 실시한다.
먼저 5-비트 DMR 링 카운터의 홀수 번째 비트에서 방사선 고장이 발생한 경우의 고장 극복과정을 모의실험 하였다. 실험에서 세번째 비트에서 고장이 발생한다고 하였다.
본 논문에서 다루는 비동기 시스템은 카운터(counter) 형태의 비동기 순차 머신이며, 입력이 시스템 상태와 다른 값을 가지는 입력/출력 형태이다. 또한 내고장성 모듈로서 두 개의 부시스템이 자신의 상태 변수 일부를 다른 부시스템의 해당 상태 변수에 덮어 쓰는(overriding) 로직을 구성한다.
본 논문에서는 먼저 DMR 구조로 이루어진 비동기 디지털 시스템을 모델링하고 방사선의 영향으로 발생하는 과도 고장을 탐지하고 극복하는 알고리듬을 교정 제어의 틀에서 제안한다. 또한 제안된 고장 극복 모듈의 성능을 검증하기 위해서 DMR 구조로 된 비동기 링(ring) 카운터를 VHDL 코드로 구현하고 주어진 고장 시나리오 하에서 고장 탐지 및 극복 실험을 실시한다.
본 연구에서 제안한 고장 진단 및 극복 기법의 우수성과 응용가능성을 보이기 위해서 DMR 링 카운터와 교정 제어기를 VHDL로 구현하고 고장 주입기(fault injector)를 설계 하여 방사선 고장을 실험적으로 발생시킨 다음 검증 실험을 실시하였다. 사례 연구로 쓰인 DMR 링 카운터는 n=5비트를 가진다고 설정하였다.
ii) Σ의 출력 y의 변화를 보고 방사선 고장의 발생을 즉시 감지하며, 고장이 발생한 비트가 속한 부시스템과 비트 위치의 홀짝 여부를 안다. 이러한 설정과 비동기 머신에 대한 교정 제어 이론을 결합하여 방사선 고장을 즉시 극복하는 새로운 알고리듬을 제안한다. 고장 극복 교정 제어기를 C라고 하면 C는 Σ로 들어가는 정상 입력 v∈{o,e}와 Σ의 출력 피드백 y를 받아서 제어 입력 u∈A_n를 생성하는 비동기 순차 머신이다.
간격이 커질수록 고장 복구 능력 및 속도는 더 떨어진다. 이번 연구에서는 P와 Q의 모든 홀수 번째 상태 비트를 바꾸는 입력을 사용한다. c_p와 c_q를 그러한 입력이라고 정의하면 c_p와 c_q에 대해서 다음과 같은 동작이 수행된다(편의상 n이 홀수라고 가정한다).
하지만 입력 구분을 위한 시스템 부하도 함께 증가한다. 이번 연구에서는 로직 1값이 홀수와 짝수 번째 상태 비트에 각각 위치할 때에만 입력을 구분하는 최소한의 카운팅 입력을 정의한다. ‘o’(odd)와 ‘e’(even)를 해당 카운팅 입력이라고 명하자.
제안된 기법의 핵심 아이디어는 고장 난 메모리 비트의 정확한 위치 정보를 모르고도 시스템이 보유한 내고장성 모듈과 비동기 교정 제어를 이용하여 즉각적인 고장 탐지 및 복구 기능을 실현하였다는 것이다. 이중화 구조를 가지는 링 카운터를 VHDL 코드로 제작하고 주어진 고장 시나리오 내에서 모의실험을 실시하여 고장 극복 알고리듬의 성능을 입증하였다. 본 연구에서 제안된 이중화 구조가 관련 분야 디지털 시스템의 신뢰성 증대에 응용되기를 기대한다.
이번 연구에서는 이중화 구조를 가지는 비동기 디지털 시스템에 대한 새로운 고장 극복 방법을 제안하였다. 제안된 기법의 핵심 아이디어는 고장 난 메모리 비트의 정확한 위치 정보를 모르고도 시스템이 보유한 내고장성 모듈과 비동기 교정 제어를 이용하여 즉각적인 고장 탐지 및 복구 기능을 실현하였다는 것이다. 이중화 구조를 가지는 링 카운터를 VHDL 코드로 제작하고 주어진 고장 시나리오 내에서 모의실험을 실시하여 고장 극복 알고리듬의 성능을 입증하였다.

성능/효과

고장 극복에 사용된 제어 스트링은 t=c_P이며, 고장 발생 후 정상 상태 복귀까지 걸린 전체 시간은 t₄-t₂=113-95=18nsec로 매우 짧다. 따라서 이 결과는 본 논문에서 제안한 비동기 제어기가 방사선 고장 발생 후 매우 빠른 시간(이론적으로 0) 내에 DMR 카운터를 원래의 상태로 복귀시킬 수 있음을 보여준다.
고장 극복에 사용된 제어 스트링은 t=o,c_P,e,o,o,e이며, 전체 고장 극복 시간은 t₁₂-t₅=200-111=89nsec이다. 실험 결과에서 알 수 있듯이 고장 탐지에 약 20nsec, 제어 입력 한 개를 발생시키는 데 약 10nsec, 그리고 제어 입력 전달 후 카운터 상태가 천이하기까지 약 10nsec가 소요되었다.
이상과 같은 알고리듬을 적용하면 DMR 구조로 구성된 비동기 디지털 시스템 Σ에서 생기는 방사선에 의한 SEU 고장을 극복할 수 있다.
입력/출력 비동기 회로의 고장 탐지 및 제어에 대한 기존 연구에서는 상태 관측기(observer)를 이용하여 시스템의 현재 상태를 추적해야 했다[11]. 하지만 본 논문에서 제안한 고장 탐지 기법은 관측기나 다른 고장 탐지 하드웨어를 사용하지 않는다는 뚜렷한 장점이 있다. 물론 고장이 발생한 정확한 상태 비트의 위치를 알기는 불가능하며, 그 위치가 홀수인지 짝수인지만을 파악할 수 있다.

후속연구

이중화 구조를 가지는 링 카운터를 VHDL 코드로 제작하고 주어진 고장 시나리오 내에서 모의실험을 실시하여 고장 극복 알고리듬의 성능을 입증하였다. 본 연구에서 제안된 이중화 구조가 관련 분야 디지털 시스템의 신뢰성 증대에 응용되기를 기대한다.
예를 들어 n=5이고 로직 1 값이 차지하는 현재 상태 비트의 위치가 짝수라면 정상 입력 스트링 e,o,e,o,e이 부가된 후에는 로직 1 값이 다시 원래의 짝수 위치로 복귀한다. 이 정보는 나중에 고장 극복 알고리듬을 작성할 때 활용될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방사선 환경 하에서 견실한 고장 탐지 및 복구를 구현하는 일이 디지털 시스템의 작업 수행에 있어 중요한 이유는 무엇입니까?	이번 논문에서는 방사선 고장(radiation fault)에 영향을 받는 비동기 디지털 시스템을 위한 새로운 고장 극복 방법을 제안한다. 군사용, 우주용 등의 용도로 제작된 디지털 시스템은 방사선이 존재하는 환경에서 노출되는 경우가 많이 발생한다. 그런데 실리콘 기반으로 제작된 모든 반도체 제품은 방사선이 시스템에 누적되어 생기는 여러 가지 방사선 고장의 공격을 피하지 못한다[2]. 문제는 그러한 환경 속에서 고장이 발생한 후 인간이 개입하지 않고 해당 시스템을 즉시 정상 상태(normal status)로 복구시키기가 쉽지 않다는 점이다. 이렇듯 방사선 환경 하에서 견실한 고장 탐지 및 복구(fault diagnosis and tolerance)를 구현하는 일은 디지털 시스템의 성공적인 작업 수행을 위해서 반드시 해결되어야 할 주제이다.
	비동기 디지털 시스템이란 무엇입니까?	비동기 디지털 시스템(asynchronous digital system)이란 전역 클럭(clock) 없이 입력의 변화만으로 상태가 바뀌는 순차 머신(sequential machine)을 통칭한다. 비동기 디지털 시스템은 동기 시스템에 비해 설계하기가 더 어렵다는 단점이 있지만 저전력(low power)이 요구되거나 보다 빠른 과도 상태 천이 속도가 필요한 시스템의 핵심 모듈로서 여전히 많이 사용되고 있다[1].
	비동기 디지털 시스템이 지닌 단점은 무엇이며 현재 이것의 활용빈도는 어떠합니까?	비동기 디지털 시스템(asynchronous digital system)이란 전역 클럭(clock) 없이 입력의 변화만으로 상태가 바뀌는 순차 머신(sequential machine)을 통칭한다. 비동기 디지털 시스템은 동기 시스템에 비해 설계하기가 더 어렵다는 단점이 있지만 저전력(low power)이 요구되거나 보다 빠른 과도 상태 천이 속도가 필요한 시스템의 핵심 모듈로서 여전히 많이 사용되고 있다[1].

참고문헌 (11)

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J.-M. Yang and S. W. Kwak, "Corrective control of asynchronous sequential circuits with faults from total ionizing dose effects in space," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 17, no. 11, pp. 1125-1131, Nov. 2011.

원문보기 상세보기
Z. Kohavi and N. Jha, Switching and Finite Automata Theory, 3rd ed., New York: Cambridge University Press, 2010.
J. Peng and J. Hammer, "Input/output control of asynchronous sequential machines with races," International Journal of Control, vol. 83, no. 1, pp. 124-144, Jan. 2010.

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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].

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