JST CREST ディペンダブル VLSI システムの基盤技術 ロバストファブリックを用いたディペンダブル VLSI プラットフォームへの期待 2011 年 7 月 NEC 東芝スペースシステム ( 株 ) 檜原弘樹

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1 JST CREST ディペンダブル VLSI システムの基盤技術 ロバストファブリックを用いたディペンダブル VLSI プラットフォームへの期待 2011 年 7 月 NEC 東芝スペースシステム ( 株 ) 檜原弘樹

2 内容 宇宙機で求められる高信頼性 なぜ高信頼性設計をするのか 単一故障点を排除する設計 コンシューマー製品との共通点 ロバストファブリックが実現する あるべき 高信頼性設計 多数決システムの弱点 粗粒度再構成可能アーキテクチャ 信頼性評価システムを備えた開発環境 ロバストファブリックとSpaceWireが実現する高信頼性と高性能 SpaceWireとは 多チャネル入力に対応した分散 並列処理 開発容易性を兼ね備えたロバストファブリック 開発実績が豊富な C 言語動作合成システム CyberWorkBench 設計検証容易性の確保 宇宙システムの開発成果をコンシューマー製品にフィードバック あるべき開発プロセスを活用した技術開発 Page 2 NEC TOSHIBA Space Systems, Ltd. 2011

3 なぜ高信頼性設計をするのか - 地球周回軌道から深宇宙まで確実に動く 打ち上げた後は修理が難しい 信頼性保障が 当たり前品質 それでもなお 通信時間の制約のためにマイコンに頼る局面が多い ( 例 ) 信頼性 = 設計 製造 試験および運用のライフサイクルを通じて配慮すべきもの 衛星地球からの距離通信時間 だいち 700km 5 ミリ秒 非可視あり ひまわり 36,000km 240ミリ秒 はやぶさ 300,000,000km 34 分 非可視あり Page 3 NEC TOSHIBA Space Systems, Ltd. 2011

4 なぜ高信頼性設計をするのか - ソフトエラーの対処 (1) 宇宙放射線環境 宇宙空間に存在する高エネルギー粒子 陽子 ( プロトン ) 電子 重イオン粒子 α 粒子等 高エネルギー粒子が半導体デバイスに与える影響 トータルドーズ効果 照射される放射線の総量に応じて半導体デバイスの性能が劣化する現象 永久劣化と見なされる ( アニール効果も有り得る ) 陽子 電子が引き起こす シングルイベントアップセット (Single Event Upset: SEU) メモリ フリップフロップ等のLSIに高エネルギー粒子が当たることによって引き起こされるデータ誤り 一過性のソフトエラーと見なされる 重イオン粒子 陽子が引き起こす シングルイベントラッチアップ (Single Event Latch-Up: SEL) SEU と同様の現象により 半導体基板上に形成されているサイリスタ構造が ON し 過大な電源電流が流れる 永久故障につながり得る SEU と SEL とを合わせて (SEE: Single Event Effect) と呼ぶこともある Page 4 NEC TOSHIBA Space Systems, Ltd. 2011

5 なぜ高信頼性設計をするのか - ソフトエラーの対処 (2) 太陽風と地球磁気圏 太陽風 太陽表面から吹き出す 約 10 ntの磁場を伴った超音速のプラズマ ( 電荷を帯びた粒子 ) の流れ 地球の近くでのその速度は約 300 km/ 秒にも達する 主成分は陽子 その他 電子 α 粒子 重イオン粒子も存在する 地球磁気圏 宇宙空間の中で地球が持つ磁場の勢力が届く領域 地球の持つ磁場が太陽風の影響により太陽方向で潰れ 夜側に向かって引き延ばされる ヴァン アレン帯の特異点 SEE が起こり易い ヴァン アレン帯はブラジル沖上空では 300km 近くまで地球に接近している 日本付近では約 1,300kmの高度にある Page 5 NEC TOSHIBA Space Systems, Ltd. 2011

6 単一故障点を排除する設計 (1) システムから単一故障点を除去する 演算機能の分散化 多数決方式 時間軸上の冗長化 (2 回演算して結果を確認する等 ) 故障検出機能の分散化 誤り検出 訂正符号 プロセッサ間の出力の比較 等 故障分離機能の分散化 故障が生じた部分を物理的 あるいは論理的に隔離できること 階層的なシステムを構成し 故障をマスクして他に波及させない 故障した部分が自発的にシステムから離脱 再構成機能の分散化 冗長系に切り替え 故障した部分を切り離して失われた機能を他の機能で代替 一部の機能の縮退 性能低下許容によりシステムの運用を継続 再同期機能の分散化 システム再構成後に その時点まで一旦後戻りして処理を継続 組込みソフトウェア管理者 技術者育成研究会 Websiteより Page 6 NEC TOSHIBA Space Systems, Ltd. 2011

7 単一故障点を排除する設計 (2) 冗長構成の開発トレンド 冗長構成の進化ロードマップ CQ 出版 DesignWave マガジン No.109 (2006 年 12 月号 ) より Page 7 NEC TOSHIBA Space Systems, Ltd. 2011

8 コンシューマー製品との共通点 ユビキタス社会に求められる高信頼性 高性能マイコン組込機器がいたる所に 長持ちしないと交換 修理が大変! Page 8 NEC TOSHIBA Space Systems, Ltd トロンが考えるどこでもコンピュータ環境 提供 : ( 社 ) トロン協会 8

9 ロバストファブリックが実現する あるべき 高信頼性設計 (1) 多数決システムの弱点 (1) The domain partitioning by behavior pattern CRAFT system I(++-) I(-++) I(+-+) +) majority voting system I(++-) I(-++) I(+-+) I(+++) Page 9 NEC TOSHIBA Space Systems, Ltd. 2011

10 ロバストファブリックが実現する あるべき 高信頼性設計 (2) 多数決システムの弱点 (2) Reliability Analysis R CRAFT = 1-3(2-R C -R D ) 2 R MVS = 1-3((1-R C C) )+(1-R D D)) 2 (1) =R E = 1-(1-R E ) (2) R C : Normal probability of a Processor Element. R D : Normal output probability of a detection circuit. R E : Normal output probability of a voter. (Example) When R C =R D =R E =0.990, The reliability of CRAFTSYSTEM : 99.9% The reliability of the majority voting system: 99.0% Page 10 NEC TOSHIBA Space Systems, Ltd. 2011

11 ロバストファブリックが実現する あるべき 高信頼性設計 (3) 粗粒度再構成可能アーキテクチャ 全て多重化すると コストが増大する 単一故障点を効果的に排除する必要がある 部分的 多重化 コストと信頼性を両立する構成の探索 評価が可能 Page 11 NEC TOSHIBA Space Systems, Ltd. 2011

12 ロバストファブリックが実現する あるべき 高信頼性設計 (4) 信頼性評価ツールを備えた開発環境 面積 ( コスト ) 遅延 ( 性能 ) に加えて信頼性の評価が可能 信頼性 vs 面積コスト等のトレードオフが可能 Page 12 NEC TOSHIBA Space Systems, Ltd. 2011

13 ロバストファブリックと SpaceWire が実現する高性能システム (1) SpaceWire とは? Unlimited packet length Header + Payload + EOP 4bits Large Packets Image: MBytes Sensor: Bytes Sensor Small Packets SpW Node SpW Node Wide range of transmission i speed Mbps ~ Gbps Higher speed is available through multiple channels transmission SpW Node SpW Node High reliability / Fault Tolerant Prompt switching through redundant routes SpW Node (SpaceCube) Bus Star Ring Tree Flexible Topology Each node can work as a router. Flexible network configuration Applicable for space-born equipments as well as consumer devices for inter-components and modules Page 13 NEC TOSHIBA Space Systems, Ltd. 2011

14 ロバストファブリックと SpaceWire が実現する高性能システム (2) 多チャネル入力に対応した分散 並列処理 Reconfigurable Cluster Array を活用した高速データ処理システム SpaceWire Router 信頼性評価ツールを併用したアーキテクチャ探索 評価が可能 ( 例 ) 多チャネル画像像センサ クロスバ スイッチ構成 Page 14 NEC TOSHIBA Space Systems, Ltd. 2011

15 開発容易性を兼ね備えたロバストファブリック (1) 開発実績が豊富な C 言語動作合成システム CyberWorkBench (CWB) 記述する行数は約 1/7 シミュレーション時間は約 1/200 アーキテクチャ探索 評価のイタレーションが現実的な時間で可能 -based/index.html より Page 15 NEC TOSHIBA Space Systems, Ltd. 2011

16 開発容易性を兼ね備えたロバストファブリック (2) 設計検証容易性の確保が必要 Cベース設計手法の採用 = CyberWorkBench の活用 ANSI-C HW-C 粗粒度アレイ用 C 加速部分決定構造変換 ソースデバッグ CWB 動作合成 RTL 多重化する演算 変数 配列を決定 多重化情報を持った RTL プロセッサ用 C マッピング ( 配置配線 ) Page 16 ディペンダブル VLSIプラットフォーム NEC TOSHIBA Space Systems, Ltd 信頼性可変再構成可能プロセッサ DMAC SRAM 信頼性可変再構成可能クラスタアレイ (FRRAry) 再構成可能アレイ I/F WISHBONE 外部 I/F コントローラ SDRAM Ctrl PCI-e I/F GbE I/F etc. データフロー制御機構

17 宇宙システムの開発成果をコンシューマー製品にフィードバック (1) あるべき開発プロセスを活用した技術開発 伝統的なウォーターフォール型を基本とした着実な技術開発 宇宙システムの開発であるべき技術を追求し 成果が出たものから順次コンシューマー製品にフィードバック 打上げ フェーズ 研究開発研究開発運用研究概念設計予備設計基本設計詳細設計維持設計射場作業初期機能確認定常運用 審査会 プロジェクト移行前審査 開発移行前審査 PDR CDR PQR /PSR 打上前審査 定常運用移行前審査 定常運用完了審査 開発完了 審査 主要作業 ユーザーとの調整ミッション要求設定開発方針設定基本仕様 計画設定新規技術要素確認 開発仕様詳細化開発計画詳細化開発体制決定新規技術試作試験 設計解析開発モデル製作試験調達 製造工程 不具合管理プロトフライトモデル製作試験リスク管理 PDR: Preliminary Design Review CDR: Cii Critical ldesign Review PQR: Post Qualification test Review PSR: Pre-Shipment Review BBM: BreadBoard Model EM: Engineering Model PFM: Proto-Flight Model Page 17 NEC TOSHIBA Space Systems, Ltd. 2011

18 宇宙システムの開発成果をコンシューマー製品にフィードバック (2) トップダウン設計の意義 ハードウェア / ソフトウェア分割プロセスの見える化 システム設計ノウハウの見える化 システム設計ノウハウの伝承 各コンポーネント オブジェクト間の通信インタフェース選択の見える化 システムアーキテクトのノウハウの文書化 / ソースコード化による見える化 システムレベルの評価 検証 ソフトウェア / ハードウェアを含めたシステムの機能 性能を開発早期に評価 検証 定量的な性能解析 Page 18 NEC TOSHIBA Space Systems, Ltd. 2011

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