混合模块化冗余：在 RISC-V 多核计算集群中探索模块化冗余方法以实现空间可靠处理
系统与控制
2024-01-12 v2 硬件体系结构
系统与控制
摘要
空间信息物理系统（S-CPS），如航天器和卫星，强烈依赖机载计算机的可靠性以保障任务成功。仅依赖抗辐射技术极其昂贵，且为在系统内引入模块化冗余而开发不灵活的体系结构与微体系结构修改会导致显著的面积增加与性能下降。为缓解传统抗辐射与模块化冗余方法的开销，我们提出一种新颖的混合模块化冗余（HMR）方法，该冗余方案以 RISC-V 处理器集群为特征，具备灵活的按需双核与三核锁步分组及运行时分离-锁步（split-lock）能力。此外，我们提出软件基与硬件基两种恢复方法，以权衡性能与面积开销。在 430 MHz 下，我们的容错集群在非冗余模式下矩阵乘法基准测试达 1160 MOPS，在双模与三模下分别为 617 与 414 MOPS。三模中的软件基恢复需 363 个时钟周期，占用 0.612 mm²，相对于非冗余 12 核 RISC-V 集群为 1.3% 的面积开销。作为一种高性能替代，一种新的硬件基方法仅需 24 个时钟周期实现快速故障恢复，占用 0.660 mm²，即相对于基线非冗余 RISC-V 集群约 9.4% 的面积开销。该集群还增强了分离-锁步能力，以最小性能损失进入任一冗余模式，允许执行关键任务或性能段，进入与退出开销小于 400 个时钟周期。所提系统首次在开源 RISC-V 计算设备上集成这些功能，实现了可精细调节的可靠性与性能权衡。
引用
@article{arxiv.2303.08706,
title = {Hybrid Modular Redundancy: Exploring Modular Redundancy Approaches in RISC-V Multi-Core Computing Clusters for Reliable Processing in Space},
author = {Michael Rogenmoser and Yvan Tortorella and Davide Rossi and Francesco Conti and Luca Benini},
journal= {arXiv preprint arXiv:2303.08706},
year = {2024}
}