Isotope News　2015年7月号　No.735

Size: px

Start display at page:

Download "Isotope News　2015年7月号　No.735"

ゆきはかまや
5 years ago
Views:

通信品質を小型加速器中性子源が支える宇宙線による通信機器の誤動作を再現し未然に防ぐためのソフトエラー試験技術岩下秀徳 Iwashita Hidenori NTT ネットワークサービスシステム研究所 1 を実施することにより事前にソフトエラーのはじめに影響を把握でき改善を行った後に実運用ネッ近年宇宙線によって生じる中性子線に因る通信機器のソフトエラーが増加しつつあるソ

1 通信品質を小型加速器中性子源が支える宇宙線による通信機器の誤動作を再現し未然に防ぐためのソフトエラー試験技術岩下秀徳 Iwashita Hidenori NTT ネットワークサービスシステム研究所 1 を実施することにより事前にソフトエラーのはじめに影響を把握でき改善を行った後に実運用ネッ近年宇宙線によって生じる中性子線に因る通信機器のソフトエラーが増加しつつあるソトワークへ通信機器を導入することにより大幅な通信品質の向上が可能となるフトエラーというのは永久的にデバイスが故障してしまうハードエラーとは異なり一時的な故障でデバイスの再起動やデータの上書きに 2 ソフトエラーが通信機器に及ぼす影響よって回復する故障のことであるソフトエラソフトエラーが通信機器に及ぼす影響としーが通信機器に発生すると様々な故障モードて未再現故障とサイレント故障がある図 1 を誘発し通信サービスに影響を及ぼす可能性は未再現故障が発生した場合の保守フローを示がある通信機器ではこのような故障も想定している通信機器では故障が発生した場し通信サービスに影響を及ぼさないように設計合その故障を検出しネットワーク監視センタをするがソフトエラーを再現させることが困へ故障を示す警報を通知するまた故障が検難であるため検証ができなかったそのた出された場合は通信ルートを切り替え通信め想定外の動作が起きることがあったサービスへの影響を回避する故障したボードそこで NTT は北海道大学と共同で小型加はメーカーの工場へ返却し再現試験や検査を行速器中性子源を用いて通信機器のソフトエラーうがソフトエラーは一時的な故障であるためを再現させ効率的に通信機器のソフトエラーメーカー工場では再現せず異常なしと診断さによる影響を測定する技術を開発した本試験れるこのようにソフトエラーが発生した場合不必要な交換コスト試験コストが発生してしまう中性子応用専門委員会 18

次に発生すると大きな問題となるサイレント故障であるサイレント故障というのは故障を通知しない故障モードのことである通信機器の設計者は故障が発生した場合故障を検出し通知するように設計するがまれに故障を通知できない故障モードが存在してしまうこの場合は故障が発生しサービスに影響があってもネットワーク監視センタへ故障の通知がされないのでユーザーから接続できない

2 に示すように宇宙では太陽や超新星爆図2 宇宙線によるソフトエラー発生メカニズム発によって陽子を主体とした高エネルギー粒子が飛び交っているこの高エネルギー粒子が地球の大気に突入すると大気中の窒素原子核や酸素原子核と衝突し核反応が発生するこのとき原子核内部にあった中性子が飛散する 4 半導体プロセス技術の微細化により増加するソフトエラー情報通信を支える通信機器は

2 次に発生すると大きな問題となるサイレント故障であるサイレント故障というのは故障を通知しない故障モードのことである通信機器の設計者は故障が発生した場合故障を検出し通知するように設計するがまれに故障を通知できない故障モードが存在してしまうこの場合は故障が発生しサービスに影響があってもネットワーク監視センタへ故障の通知がされないのでユーザーから接続できないという申告が届く図1 未再現故障が発生した場合の影響ネットワーク監視センタでは被疑の特定を行おうとするが故障の通知が届いていないため被疑の特定に時間を要してしまうこれが長期化してしまうと重大故障となり社会的にも大きな影響を及ぼしてしまう 3 宇宙線によってソフトエラーが発生するメカニズムソフトエラーの主な要因は宇宙線によって生成される中性子線である図 2 に示すように宇宙では太陽や超新星爆図2 宇宙線によるソフトエラー発生メカニズム発によって陽子を主体とした高エネルギー粒子が飛び交っているこの高エネルギー粒子が地球の大気に突入すると大気中の窒素原子核や酸素原子核と衝突し核反応が発生するこのとき原子核内部にあった中性子が飛散する 4 半導体プロセス技術の微細化により増加するソフトエラー情報通信を支える通信機器は年々増加する膨大な通信トラフィックを処理するため大容大気中で発生した中性子の大部分は通常半量化高機能化が求められておりそれらに使導体デバイスに突入しても透過して何ら影響をわれる半導体デバイスの高集積化微細化も進与えないがまれに半導体デバイスを構成するんでいるシリコン原子核と核反応を起こし電荷を持っ 1 しかし半導体デバイスの高集積化微細化た様々な粒子を発生させるこれが電気的なに伴いソフトエラーの影響を受けやすくなるノイズとなり一時的なエラーであるソフトエ特に SRAM Static Random Access Memory はラーを発生させるソフトエラーの影響を受けやすく微細化に伴う低電圧化により急激にソフトエラー発生率が高くなる傾向にある 2 図 3 は半導体プロセス技術の微細化によりソフトエラーが増加す 19

3 2 つ目は ECC Error Check and Correct Memory などのエラー訂正機能を備えるメモリーデバイスを利用することである通常の ECC は 1 ビットのエラーを訂正できる訂正処理はエラー発生時に即時に行われるためエラーの発生を意識せずに利用を続けられるなお 2 ビット以上のエラーは訂正できず検出のみであ図3 る 2 ビット以上のエラー訂正機能回路の実装半導体プロセス技術の微細化により増加するソフトエラーは開発コストや生産コストの面で負担が大きくなるため採用は現実的ではないる傾向を表している通信機器では高速処理 3 つ目はソフトエラー発生直後にデータのが求められているため読み書きの速い SRAM 書き直しや再起動をシステムが自律で行う対策が大量に使用されているまた特に SRAM であるこの方法であれば 2 ビット以上のエは論理回路を自由にカスタマイズ可能な FPGA ラーであっても検出さえできれば回復できる Field-Programmable Gate Array にも大量に使また FPGA メーカーが提供しているソフトエ用されている例えば最新の FPGA で FPGA ラー緩和機能も本方式でありエラーを検出後メーカーが提供しているソフトエラー緩和機能データの書き直しを行うという対策であるを使用しない場合故障率が 10,000FIT を超える場合があるこれは通信機器 1 台にこのよ 6 うな FPGA を 6 個実装した通信機器を 1,000 台でネットワークを構築した場合 1 日当たり約 1.5 回の故障が発生することになるこれでは小型加速器中性子源を用いたソフトエラー試験前述のようにソフトエラー対策は存在するネットワーク保守者はあまりの故障の多さに保が難しいのは通信機器には非常に多くの部品守をすることが困難になってしまうが使用されており故障検出回路の数も膨大であるそのため実際に正常に動作するかどう 5 通信機器のソフトエラー対策前述のソフトエラーについて対策手法は存か実機で確認することが重要であるしかし従来ビットレベルのエラーを通信機器に発生させることは困難であったそこで通信機器に適した効率的なソフトエ在し大きく分けて 3 つある 1 つ目はエラー発生を抑制する方法でソラー試験が行えるように北海道大学の小型加フトエラーの発生しにくいデバイスを利用する速器中性子源を用いて通信機器のソフトエラーことである例えば構造的にソフトエラーが試験システムを構築した 3 小型加速器中性子発生しない MRAM Magnetoresistive Random 源はスケジュールが柔軟に組めるというメリ Access Memory や特殊な構成をした回路などットがあるこれは通信機器の開発段階ではがあるしかし性能とコストを両立することトライアンドエラー的な修正と再試験が重が難しくなるまた FPGA を使用せずに要であるからである ASIC Application Specific Integrated Circuit を本試験は図 4 に示すように電子加速器によ使用するという方法もあるが ASIC は大量生って加速された電子が鉛ターゲットに衝突する産には向いているが開発期間が長期化するとと発生する光核反応によって中性子を生成すいった問題があるる中性子源から遮蔽用のコンクリートを隔て 20

て通信機器を設置し中性子を照射する通信機器にはユーザー信号を模擬するため測定器により常に通信トラフィックを流しその影響を把握する本ソフトエラー試験システムでは効率的に試験をするため下記の特徴を有する 1 広い照射範囲通信機器のソフトエラーに対して弱い部分を早期に見付けるた図4 め通常の通信機器全体を照射可ソフトエラー試験システム能な直径 25 cm の

複数台同時照射るためソフトエラーが数分程度で発生する自然界の約 300 万倍の中性子強度とにコントロールすることによって照射効率をした高めた 3 複数台同時照射 4 ビーム停止直後に作業可能効率的に照射をするため複数台同時に試験ソフトエラーが発生した際場合によってが可能なようにしたその際中性子ビームをは機器に近づきボードを挿抜することによっ

4 て通信機器を設置し中性子を照射する通信機器にはユーザー信号を模擬するため測定器により常に通信トラフィックを流しその影響を把握する本ソフトエラー試験システムでは効率的に試験をするため下記の特徴を有する 1 広い照射範囲通信機器のソフトエラーに対して弱い部分を早期に見付けるた図4 め通常の通信機器全体を照射可ソフトエラー試験システム能な直径 25 cm のビーム系とした 2 自然界の約 300 万倍の中性子強度本試験では前述のサイレント故障を検出する必要があるため常に測定器で主信号の導通性と通信機器が通知する警報を監視する必要があるそのため中性子強度が強すぎて数秒単位でソフトエラーが発生してしまうとサイレント故障を引き起こした原因のソフトエラーとその他のソフトエ図5 ラーを分類することができなくな複数台同時照射るためソフトエラーが数分程度で発生する自然界の約 300 万倍の中性子強度とにコントロールすることによって照射効率をした高めた 3 複数台同時照射 4 ビーム停止直後に作業可能効率的に照射をするため複数台同時に試験ソフトエラーが発生した際場合によってが可能なようにしたその際中性子ビームをは機器に近づきボードを挿抜することによっ照射しソフトエラーの発生を検出すると装置て回復させる必要があるそのため中性子ビログの取得や正常な状態に回復させるためそーム停止直後に作業ができるように遮蔽壁をれ以上ソフトエラーが発生しないように中性子隔てた所に通信機器を設置したビームの照射を止める必要がある中性子ビームを停止してしまうとほかの機器の照射も停止してしまい効率が悪くなるそこで図 5 に 7 ソフトエラー試験による品質向上結果示すように通信機器の高さをコントロールす本試験によって得たソフトエラーによる故障ることによって各機器の照射非照射を個別発生率の低減の結果を図 6 に示すこの結果 21

ソフトエラー試験が通信機器の開発プロセスに非常に重要で通信サービス品質を向上させるのに非常に有効であることがわかった今後は本試験技術を広めるため標準化活動等を行っていきたい謝辞本研究は北海道大学大学院工学研究院との共同研究の成果である古坂道弘教授鬼柳善明教授現名古屋大学をはじめとした共同研究者の皆様に深く感謝いたします図6 ソフトエラー対策の効果参考文献

5 ソフトエラー試験が通信機器の開発プロセスに非常に重要で通信サービス品質を向上させるのに非常に有効であることがわかった今後は本試験技術を広めるため標準化活動等を行っていきたい謝辞本研究は北海道大学大学院工学研究院との共同研究の成果である古坂道弘教授鬼柳善明教授現名古屋大学をはじめとした共同研究者の皆様に深く感謝いたします図6 ソフトエラー対策の効果参考文献は試験修正再試験を数回繰り返すことによってこのようにソフトエラー耐性を向上させることに成功したまた障害処理に問題がある故障モードも検出し改善を行ったこのようにソフトエラー試験を行うことによって短時間でその対策効果を把握でき問題点があれば修正することが可能である 8 将来の展望 1 Hazucha, P. and Svensson, C., Impact of CMOS technology scaling on the atmospheric neutron soft error rate, IEEE Trans. Nucl. Sci., 47 6, Ibe, E., et al., Scaling Effects on Neutron-Induced Soft Error in SRAMs Down to 22nm Process, 3rd Workshop on Dependable and Secure Nanocomputing, June 2009, Lisbon, Portugal. 3 Furusaka, M., et al., Activity of Hokkaido University Neutron Source, HUNS, Phys. Procedia, 60, 本研究により小型加速器中性子源を用いた 22

1 薄膜 BOX-SOI (SOTB) を用いた 2M ビット SRAM の超低電圧 0.37V 動作を実証大規模集積化に成功超低電圧超低電力 LSI 実現に目処独立行政法人新エネルギー産業技術総合開発機構 ( 理事長古川一夫 / 以下 NEDOと略記 ) 超低電圧デバイス技術研究組合(

1 薄膜 BOX-SOI (SOTB) を用いた 2M ビット SRAM の超低電圧 0.37V 動作を実証大規模集積化に成功超低電圧超低電力 LSI 実現に目処独立行政法人新エネルギー産業技術総合開発機構 ( 理事長古川一夫 / 以下 NEDOと略記 ) 超低電圧デバイス技術研究組合( 理事長 : 豊木則行 / 以下 LEAP と略記 ) と国立大学法人東京大学はこのたびマイコン等に使われる論理集積回路の大幅な省エネ化を可能とする

Isotope News 2015年7月号 No.735

Isotope News　2015年7月号　No.735