Reliable Consensus Voting in FPGAs

Abstract

나노 스케일 FPGA 회로는 메모리 기반의 재구성 가능한 로직으로 구현되기 때문에 우주와 같은 극한환경에서 방사선에 의한 영향을 받기 쉽다. 임무필수 또는 안전필수가 요구되는 응용 프로그램의 경우는 적합한 결함감내를 위한 결함허용 기술이 일반적으로 사용된다. 방사선으로 인한 결함으로부터 FPGA를 보호하기 위해 가장 일반적으로 적용되는 기술이 회로의 삼중 중복화(TMR)이다. 삼중화된 회로의 출력을 결정하는 보팅 회로는 분산되어 있으며, 동의 결과는 오프 - 칩 (off-chip)의 중복 출력을 이용하여 계산된다. 그러나 칩에서 입출력으로 사용할 수 있는 핀 수가 충분하지 않은 경우, TMR 시스템은 칩 내부에서 결함허용이 고려되지 않은 단일 출력 시스템으로 변환되어야 하고, 이 때 사용되는 보팅 회로는 단일 실패 지점, 즉 단일 장애점(Single Point of Failure)이 될 수 있다. 본 논문에서는 FPGA로 구현된 동의 보팅 회로의 신뢰도를 높이기 위하여 보팅 회로의 복사본을 사용하는 자가검증 보팅 회로를 제안한다. 결함 주입 및 신뢰도 분석을 한 결과, 제안된 자가검증 동의 보팅 회로는 결함허용이 고려되지 않는 단일 보팅 회로에 비하여 약 26 \% 더 신뢰할 수 있다.|Nanoscale FPGA circuits are more prone to radiation-induced effects in harsh environments because of their memory-based reconfigurable logic fabric. Consequently, for mission- or safety-critical applications, appropriate fault-tolerance techniques are widely employed. The most commonly applied technique for hardening FPGAs against radiation-induced upsets is triple modular redundancy (TMR). Voting circuits used in TMR implementations are decentralized and consensus is calculated from the redundant outputs off-chip. However if there is an insufficient number of pins available on the chip carrier, the TMR system must be reduced to an on-chip unprotected simplex system, meaning voters used at those locations become single points of failure. In this work, we propose a self-checking voting circuit for increased reliability consensus voting on FPGAs. Through fault injection and reliability analyses, we demonstrate that the proposed voter, which utilizes redundant voting copies, is approximately $26 \%$ more reliable than an unprotected simplex voter when reliability values of voters over normalized time are averaged.