Сбоеустойчивые обратимые схемы и метод их синтеза в пространстве Хеммингастатья

Работа с статьей

Прикрепленные файлы


Имя Описание Имя файла Размер Добавлен
1. Полный текст Statya_RS-HS_PIiI_v6.docx 6,6 МБ 22 ноября 2018 [sgur]

[1] Кормаков Г. В., Гуров С. И. Сбоеустойчивые обратимые схемы и метод их синтеза в пространстве Хемминга // Прикладная математика и информатика. Труды факультета Вычислительной математики и кибернетики МГУ имени М.В. Ломоносова. — Т. 55. — МАКС Пресс Москва, 2018. — С. 21–35. На сегодняшний день стал уже очевиден кризис классических информационных технологий на элементной базе интегральных микросхем (ИМС), которые перестают отвечать возрастающим требованиями по быстродействию, объёмам используемой памяти, плотности элементов на кристалле, надёжности вычислений и др. [1]. Основными недостатками классических методов вычислений является чрезмерное выделение тепла при обеспечении указанных требований и недостаточная устойчивость специализированных ИМС к внешним воздействиям. Известно, что выполнении логических операций классическими схемами при потере одного бита информации выделяется энергия ε_0=k·T·ln⁡2 [Дж], где k постоянная Больцмана, T температура в градусах Кельвина [2]. В пересчете на процессор суммарная рассеиваемая мощность вырастает уже до величин порядка 1 Вт . На практике, с учётом активных сопротивлений реальных полупроводников, получаем процессоры, которые по тепловыделению обгоняют утюги . Эту ситуацию можно назвать тепловым проклятием существующей парадигмы ВТ. В известной статье Р. Меркля и К. Дрекслера Спиральная логика отмечалось, что есть только два способа, как обеспечить рассеивание энергии ниже ε_0: проводить вычисления при низких температурах, уменьшая kT, или использовать обратимую логику [3]. При этом низкотемпературная работа не уменьшает общую рассеиваемую энергию, а просто переносит её затраты на холодильное оборудование. Ч. Беннет в 1973 г. показал, как можно построить обратимый компьютер, рассеивающий энергию, значительно меньшую, чем ε_0 на каждую элементарную операцию, а в идеале и иметь нулевое рассеивание энергии [4]. В связи с этим понятны причины активизации в последнее время интереса к развитию методов синтеза обратимых схем, как комбинационных, так и последовательностных [5 9]. На этом пути, однако, возникает проблема надёжности функционирования ИМС, и, в первую очередь проблема их устойчивости к кратковременным самоустраняемым отказам или сбоям (SEU, single event upsets), второй из указанных выше недостатков. Причинами сбоев являются воздействия на схему различных видов помех: радиационных, скачков напряжений питания, деградаций сигналов во времени и др., и чем выше частота тактовой синхронизации, тем больше вероятность сбоя. Кроме того, современные специализированные вычислительные устройства часто работают в условиях воздействия внешней радиации. Ионизация высокой интенсивности, вызванная как α- и γ-излучением, так и тяжелыми заряженными частицами, создает импульсы переходного тока, которые могут вызвать переключение битов в схемах функциональной логики, что делает схему временно неисправной. При уменьшении проектных норм до десятков и единиц нанометров, энергия активации, вызывающая ошибки, уменьшается. Поэтому сбоеустойчивость является важнейшим требованием к аппаратуре, работающей, например, в тяжелых условиях космоса. В настоящее время в мире активно развивается направление радиационно-стойкого проектирования (RHBD, Radiation Hardening By Design) основанное на использовании схемотехнических, топологических и алгоритмических методов повышения сбоеустойчивости [10 12]. В данной статье рассмотрены основные существующие модели построения сбоеустойчивых обратимых схем и предложен новый подход к данной проблеме.

Публикация в формате сохранить в файл сохранить в файл сохранить в файл сохранить в файл сохранить в файл сохранить в файл скрыть