评估商用现货的静态和动态灵敏度的非关键航电应用程序的多核处理器

文摘

目前的工作评估一个负担得起的和高性能的辐射敏感性COTS的非关键航电应用程序的多核处理器。目标设备是顿悟E16G301多核在65纳米CMOS生产一体的16个处理器核心。这个设备被选中由于其高性能,低功耗,和可负担性,允许公众访问并行计算。此外,E16G301是协处理器的并行处理Parallella平台,这被认为是由NASA人员DragonEye无人机的机载健康管理。设备的评估使用定量理论通过用14兆电子伏中子辐射实验来模拟高能中子出席航电海拔的影响。静态和动态横截面得到评估设备的内在敏感性以及其动态响应。结果表明,失败率E16G301运行一个矩阵乘法的应用程序达到级别的D - 178 b / C准则,被航电设备适合轻微故障条件的应用。

1。介绍

多核处理器是一个合适的解决方案实现高性能和可靠性显著不增加能耗。其处理能力和冗余能力让他们适当的设备来实现容错机制(1,2]。因此,航电产业感兴趣的将这些设备在他们的系统3]。然而,高度的小型化(纳米级)的多核增加他们易受天然辐射的影响。这种辐射可能导致瞬时和永久故障称为单一事件的影响(见)。其中,单一事件打乱(SEU)是最具代表性的,因为它可能会产生存储单元的内容的修改4]。出于这个原因,制造商正在加强制造过程和建筑设计。绝缘体(SOI)是一个明显的例子的技术改进,实现面对传统散装CMOS缺点(5,6]。抗辐射加固设计(RHBD)技术也被用来减轻SEU后果(7]。错误校正码的实现(ECCs)和奇偶校验保护处理器的内存是有用的但不够在存在的多个比特(生产部)。另一个著名RHBD技术是三模冗余(咯),极大地提高了系统的可靠性。然而,有更健壮的或专用组件意味着增加相当大的成本。因此,飞机工业的一个重要挑战是一体的商用现货(COTS)多核处理器由于预算和可用性问题(8]。当前工作评估中子辐射的影响在多核处理器上没有实现保护机制在其内部的记忆。这是通过两个加速辐射实验的手段。第一个旨在评估设备(硬件)的敏感性,而第二个评估应用程序(软件)的敏感性。的一部分,当前研究的结果提出了在9]。

2。相关工作

有一些工作在文献中关于加速辐射实验多/冲击处理器。最具代表性的是下面。

Stolt和诺曼建立了一个动态横截面模型基于quadcore多核服务器处理器45 nm制程批量CMOS技术建成的。目标多核是一个惠普c7000 BladeSystem用于飞机高度。辐射实验的多核服务器进行了14个兆电子伏中子为了模拟高能粒子的影响出现在航电高度。服务器是由6个英特尔X5570-based惠普服务器刀片和6个互连模块。考试的,可以选择操作系统,BIOS设置,处理器和输入/输出的利用率。结果估计截面每一点45纳米CMOS技术在14兆电子伏中子是1×10⁻¹⁴厘米²/位(10]。

哈德角海恩尼斯主街Guertin礼物辐射实验49-core大师处理器,这是一个设计(RHBD)设备辐射的空间应用基于Tilera公司TILE64处理器。这90海里的冲击是由机载处理可扩展的可重构体系结构(歌剧)项目和由波音固态电子发展(的意义)。实验测试进行了德克萨斯A / M大学(TAMU)使用15和25兆电子伏离子回旋加速器设施。在测试期间,内部寄存器以及L1和L2缓存瓦片核心目标的记忆。主要观察到的事件是冷门的L1和L2缓存由一个有效的纠错和检测(EDAC)包含在大师的设计11]。

Santini等人提出了一个通用的指标(平均故障间隔工作负载)的可靠性评估嵌入式处理器用于执行对安全性要求苛刻的应用程序。本研究考虑截面和曝光时间证明,在现代的嵌入式处理器,启用缓存记忆可以提供好处关键系统的可靠性。这是可能的因为更大的暴露敏感地区可能更短的曝光时间补偿的应用程序。验证了提出的指标通过广泛的辐射测试活动针对28 nm COTS基于arm的SoC。实验进行的洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)和洛斯阿拉莫斯(LANSCE)与白色中子源中子科学中心,模拟大气中子通量的能谱。裸机的失效概率应用程序启用L1缓存时下降。因此,它是不够的,只有依靠截面思考可靠性(12]。

奥利维拉等人提出的辐射敏感性评价缓存记忆和内部资源的现代图形处理单元(gpu)设计一个28纳米技术节点。此外,一些硬化策略基于重复与对比(DWC)减少GPU辐射敏感性提出了通过辐射实验和验证。测试设备是NVIDIA甘蓝型包含统一计算设备架构(CUDA -)的GPU。的每一点截面L2高速缓存和共享记忆实验获得的洛斯阿拉莫斯设施使用14兆电子伏能量中子。三个不同的DWC策略旨在减轻辐射诱导对GPU用于安全性至关重要的影响和高性能计算(HPC)应用程序。提出的策略是通过实验评估的效率并与芯片的ECC保护机制。这是证明DWC策略可以比ECC当输入数据复制(更有效13]。

拉莫斯等人说明辐射实验quadcore处理器一45纳米SOI建成的。目标设备是飞思卡尔QorIQ P2041处理器,这是一个高性能的用于通信设备。GENEPI2实验进行了测试(中子脉冲发生器和强烈的粒子加速器位于格勒诺布尔,法国。结果表明,SOI技术是三到五次看到比CMOS太敏感。动态非对称多处理(AMP)测试表明,尽管平价和ECC的保护机制,错误已经发生在应用程序的结果。此外,它可以看出设备的动态灵敏度很大程度上取决于实现多处理模式(14]。

巴尔加斯等人评估的看到静态和动态灵敏度的冲击处理器28纳米CMOS建成的。目标设备是Kalray mppa - 256处理器是一种权力有效设备实现集群架构16计算集群每一个处理元素。辐射实验GENEPI2粒子加速器在格勒诺布尔,法国。设备的动态响应的评价表明,通过启用缓存记忆,可以获得性能前提下应用程序的可靠性。此外,研究结果表明,ECC和交错的静态记忆中实现目标集群非常有效减轻seu纠正(所有检测到的事件以来15]。

3所示。方法和材料

加速辐射地面测试允许执行的分析对辐射敏感的电子设备通过人工辐射环境。最快的方法是在很短的时间内获得统计学上有意义的数据,因为粒子击中组件越多,越看是观察到的16]。实验的重现性也在这一战略的另一个主要优势。因此,这项工作考虑两个模型的测试来评估多核处理器的敏感性:静态测试为了获得设备的记忆细胞的内在敏感性和动态测试评估实现应用程序的动态响应(17]。图1说明了提出方法。

在这个工作中,实验测试了14兆电子伏中子辐射模拟高能中子出席航电海拔的影响,由于中子是最具代表性的粒子在地球的大气层。文献[18]讨论了使用14兆电子伏中子测试的相关性描述数字设备的SEU敏感性。部分3和6的JESD89A文档电平标准被用作实验基地协议测试(19]。

3.1。识别的变量

辐射测试实验,可以使用定量理论加以解决。因此,第一个任务是确定变量参与实验。表1列出了独立和相关的变量的静态和动态测试。注意,动态测试还取决于系统配置和应用程序实现。

独立变量分为两组:变量根据系统动态测试(独家)和变量操纵在辐射实验。

因变量是错误在测试观察。他们可以分为单个错误,多个错误,和序列中断错误。是很重要的考虑,根据内存架构的多核,单引号和双错误可以纠正和检测,分别保护机制。

3.2。静态测试

这个测试的目的是评估的内在敏感性看到一个处理器的记忆细胞。测试设备(DUT)放置面临目标垂直地梁轴的中心距离取决于所需的辐射通量。通常情况下,该方法包括在编写一个预定义的模式的内存和寄存器访问通过指令集处理器(加载和存储)。一旦完成了初始化,DUT辐照和程序定期检查内存位置沿辐射测试来检测不安的事件。如果检测到一个心烦意乱,程序写正确的模式相关联的内存位置和日志结果外部主机通过以太网端口。在静态测试中,所有的敏感区域暴露在辐射同时,这并不代表真正的电路的行为因为并不是所有的内存资源同时执行应用程序时使用。出于这个原因,静态测试设备的灵敏度提供了最坏的估计20.]。

由于这个测试,静态截面(σ_静态)的设备。它被定义为检测到心烦意乱事件的数量除以影响,中子通量的集成,如下方程表示:

记忆回路的基本数据模式是一个合乎逻辑的棋盘(19]。所有零和的也是一个常见的模式中使用的辐射测试。然而,一些记忆如后发展出通常有一个最喜欢的错误失败,0 - > 1或1 - > 0。出于这个原因,测试在没有先验信息组件,测试模式必须平衡的0和1。因此,所选模式0 x55aa55aa静态测试。关于设备的辐射曝光时间,重要的是要考虑到意外事件的概率在一个给定的一段时间是一个随机过程,遵循泊松分布。因此,读操作之间的等待时间在静态测试可以验证通过分析事件的数量的分配单位的时间。如果不遵循泊松分布法,获得的等待时间应调整。

3.3。动态测试

这个测试的目的是估计看到动态响应的应用程序运行在一个处理器上。由于实验,动态横截面(σ_{直流发电机})。与静态测试不同,它只评估应用程序所使用的记忆细胞。应用程序的方法在于定期执行处理器时辐照诱导。一旦完成每个程序的执行,结果与先前获得的一组正确的值相比,以检测错误。实验启动和监控使用主机电脑位于装甲外室。外部主机和Parallella主机之间的通信是通过使用Linux的以太网端口的手段ssh通信指挥。所有检测到的错误被记录和传播到外部主机存储结果。

3.4。中子辐射设施

加速辐射进行了地面试验GENEPI2(中子脉冲发生器和强烈的)设施位于月球探测科学中心(Laboratoire de体格Subatomique et Cosmologie)在格勒诺布尔,法国。这对核物理实验加速器最初开发,自2014年以来,它一直被用来照射集成电路从不同的技术。GENEPI2是一个静电加速器产生的中子撞击氘核光束到氚(T)的目标。在220 keV加速后,氘核(d)聚变反应产生的中子(n)的d + T→n+ 4他(21]。

中子全向发射到DUT的平均能量14兆电子伏。DUT设置直接面对目标距离取决于所需的中子通量。实验中子辐射宣传考虑,只有释放完全向前DUT的影响。为保护读出电子平台除了DUT,使用一个专用的中子屏蔽。

一个新的T目标提供的最大中子通量安装在2015年针对增加了加速器中子生产,同时提高可靠性。替换当前的主要修改由由一个新的氘离子源,基于电子回旋共振(ECR)技术,提供higher-beam强度。图2说明了GENEPI2粒子加速器。

3.5。测试设备

所选设备为本研究的Adapteva顿悟E16G301推出这种处理器设计的并行计算Parallella董事会。这个委员会是一个高性能计算平台基于双核的手臂A9处理器,作为主持人,顿悟E16G301作为协处理器。顿悟是一个可伸缩的多核架构的4095处理器共享一个共同的32位内存空间。它定义了一个并行计算织物组成的二维阵列的处理器节点由低延迟网network-on-chip连接。E16G301,基于第三代顿悟的多核IP,推出这种芯片系统中实现一个65纳米CMOS技术(22]。每个处理器核心是32位浮点RISC cpu,超标量体系结构能够执行两个浮点操作每个时钟周期和一个整数计算每个时钟周期。设备的最佳性能32 Gflops (2 Gflops /核心)。最大的芯片功耗小于2 W。每个CPU都有一个有效的通用指令集,擅长计算密集型应用程序,有效地在C / c++编程。图3显示了E16G301架构的实现。

E16G301多核的内存架构是基于平面共享内存映射。每个计算核心1 MB的本地内存作为一个独特的可寻址总32位地址空间的一部分。核心处理器可以访问自己的本地内存以及其他处理器的内存加载/存储指令的标准。4独立的本地内存由银行,每一个8 KB总共32 KB为每个CPU核心。特殊情况下的顿悟E16G301实现16个核心芯片有一个512 KB的分布式共享内存(23]。这个多核处理器不实现任何的内存保护机制。

3.6。基准测试程序

标准的45×45矩阵乘法(毫米),这是一个内存受限的应用程序,选择要测试在这工作。它被认为是由于矩阵乘法是数值代数中最重要的算法之一以及在分布式、科学、和高性能计算24]。关于航空电子学的应用,毫米用于图像处理,滤波,自适应控制,导航和跟踪。输入矩阵与十进制数填满“5”,而矩阵B是塞满了6 s;因此预期的结果是1350年产生的矩阵的所有元素c .变量的总数用于矩阵乘法的实现是6078,分布在4050个输入变量,2025输出变量,3循环操作的索引。每个变量在32位实现,被目标敏感地区24 KB,完全适合每个核心的32 KB的本地内存。矩阵的大小而言,数据占领尽可能多的内存空间,留下足够的空间程序的代码。

4所示。结果与讨论

辐射实验进行顿悟E16G301非常有趣和类似的其他作品针对多核处理器相比,因为看到产生的错误显然认为他们不戴面具的ECC或平价等保护机制。这个事实可以更好的分析设备在面前看到的行为。

关于实验的局限性,需要考虑以下两点:(我)E16G301处理器没有直接访问printf函数用于日志记录的结果。出于这个原因,它必须写信息观察事件的外部DDR内存。这个记录的信息主机处理器(ARM)。(2)E16G301多核和之间的物理距离主机处理器Parallella董事会小于1厘米。因此有必要限制避免粒子影响中子通量主机处理器和其他电路。

4.1。实验装置

DUT放置在38.5±0.5厘米到目标的距离。中子束的能量与估计通量14兆电子伏一个错误的 。需要特别注意保护其它平台组件辐射。,E16G301多核辐照通过小窗口在5厘米厚度聚丙烯块旨在保护读出平台。多核平台的电力供应是监控通过使用一个相机的炮塔加速器设施可用。通过这种方式,电压和电流参数的控制。

4.2。内在敏感性

这个评估是由目标的内部内存和寄存器访问的每个核心E16G301处理器。的主机处理器Parallella董事会负责填充内存和寄存器多核与一个预定义的模式的使用顿悟SDK工具E-READ和E-WRITE [25]。通过这种方式,整个内存E16G301多核的可能目标。表2总结了多核处理器的敏感区域。

三个静态测试进行的曝光时间1小时,每一个提供的影响根据中子设施记录。在测试期间,死伤69和7单片机产生bit-flips被检测到。没有观察到的错误处理器的寄存器。此外,5 SEFI导致挂观察。表3总结了测试结果。注意,下标数字单片机后表示不满的多样性。

表4显示了一个示例的数据包含bit-flips由业务单位和单片机产生的本地内存并记录在实验。

在实验的最后,静态截面通过应用(1)估计。它提供了最坏的设备的灵敏度建于65年纳米CMOS技术。

由于缺乏实验数据,95%置信区间被应用到这个结果。在这种情况下,最准确的方法来计算使用之间的关系的不确定性利润率由泊松和卡方分布的累积分布函数中描述(26]。然后,上下动态横截面的极限

自测试了多核处理器的内存区域表示静态截面的95%置信区间估计每一点

4.3。动态响应

这个评价是获取动态的横截面运行的应用程序的多核处理器。三个动态测试进行的曝光时间1小时每一个提供的总积分通量根据加速器记录。获得并正确的结果之间的比较是在多核处理器执行。矩阵乘法的持续时间是27597年µ年代,比较时间是1.44µ年代。因此,在一个小时内(3600年代),应用程序执行130449次,乘以比较时间为0.19秒(0.0052%)的曝光时间的损失可以忽略不计。表5总结了动态辐射活动的结果。

从表中给出的结果5,只有错误的结果,超时,挂考虑动态截面计算如下:

沉默错误观察通过阅读输入矩阵旨在检测损坏数据造成的不安事件中不产生错误结果矩阵。他们提出了显示的总数的seu发生在动态测试。在静态情况下,利润率被添加到结果的不确定性。然后,动态横截面的上下极限的95%置信区间如下:

从动态测试的结果,错误的结果是最重要的因为程序认为他们是有效的结果影响显著应用程序的可靠性。设备的可靠性可以评估通过的失败率。失败率(λ)的设备估计推断动态横截面在航电的高度(35000英尺)的中子通量(φ)是关于 ,通过以下方程:

多处理器/冲击的可靠性很大程度上取决于实现应用程序(软件),设备的故障率可分为内do - 178 b / C(软件考虑机载系统和设备认证)。do - 178 b / C是发展的方针作为事实上的标准航电软件系统(27]。表6显示失败的水平状态。

航电系统的失败条件描述如下:(我)灾难性的:失败可能会导致崩溃。错误或损失所需的关键功能安全起降飞机。(2)危险:失败有很大负面影响安全或性能或降低船员操作飞机的能力因身体不适或更高的工作负载,或造成严重或致命伤害的乘客(安全意义)。(3)主要:失败是重要的,但有较小的影响比危险故障(例如,乘客不适)或显著增加船员工作负载(安全相关)。(iv)小:失败是显而易见的,但有较小的影响比重大故障(例如,乘客不便或常规飞行计划改变)。(v)没有影响:失败对安全没有影响,飞机操作,或船员工作负载。

结果表明,多核执行矩阵乘法的失败率的应用水平下降D - 178 b / C。因此,该设备是方便轻微故障条件,其中包括多个应用程序对数据和图像处理。事实上,NASA的报告,“智能Hardware-Enable传感器和软件安全与健康管理自治(UAS)”显示了使用Parallella板包含顿悟为无人机系统(多核30.]。当前文章是有关,因为它支持使用Parallella董事会在飞机应用程序通过提供实验数据对其辐射敏感性。

5。结论

与14兆电子伏中子辐射实验进行一个很有用的技巧,评估的内在敏感性多核和应用程序的动态响应。结果表明,顿悟E16G301多核嵌入式系统适用于执行的非关键航电应用程序。顿悟的事实没有实现保护机制允许一个真正出错率的估计,证实保护机制影响[测试如上所述31日]。

尽管提供的最大通量辐射设施 ,应用中子通量是有限的为了避免干扰的电路Parallella董事会。然而,应用通量比通量约8个数量级航电海拔地区,这对应于近10年的曝光时间的装置在35000英尺的中子辐射。

尽管努力保护平台的其他组件,包含Linux操作系统的SD卡被损坏的一个实验。这是解决由一个新的取代污染SD和重复测试。

在未来的工作中,Adapteva顿悟多核处理器将提出用于图像处理的军用飞机。包含顿悟处理器并行,另一个模块将执行一个内存受限的应用程序为了检测建在实际生产操作环境。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

信息披露

本文是一个扩展的抽象的海报在举行的“纳米科学和纳米技术周”Quito-Ecuador 28/08/2017 01/09/2017。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢Maud Baylac,弗朗西斯卡别墅,Solenne雷伊从月球探测科学中心辐射实验期间给予的宝贵支持了这项工作。这项工作已经由厄瓜多尔政府通过Secretaria de Educacion优越,Ciencia Tecnologia e Innovacion (SENESCYT)和大学组织de las舰队ESPE(格兰特no.pic - 2017 ext - 005)。辐射实验在GENEPI2月球探测科学中心(CNRS /佐治亚大学)执行“描述项目”内的红外热成像nanoelec和得到法国政府框架下的所谓的“项目d 'Investissements d未来”ANR-10-AIRT-05的引用。

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