应用设计过程的胚胎硬件细胞单元粒度优化方法

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1、航空学报Nov．252016V01．37No．113502．3511ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000．6893CN11-1929／V======================================一===一http：／／hkxb．buaa．educnhkxb@buaa．edu．on应用设计过程的胚胎硬件细胞单元粒度优化方法张砦*，王友仁南京航空航天大学自动化学院，南京210016摘要：胚胎硬件的高可靠性主要由新颖的硬件体系和细胞电路结构来保障，缺乏应用设计过程的可靠性提高方法研究。分

2、析了在应用设计过程中可调的胚胎硬件可靠性影响因素，针对细胞单元粒度不同会导致细胞面积变化从而影响细胞阵列可靠性的实际情况，对传统可靠性模型无法体现细胞面积变化的不足进行了改进，建立了新的可靠性模型。通过实例分析，总结出不同细胞单元粒度情况下的细胞阵列可靠性变化规律，进而给出细胞单元粒度优化选择方法，设计者基于该方法不需设计完整电路就能确定自身设计能力范围内获得最大可靠性的细胞单元粒度。关键词：胚胎硬件；可靠性分析；电路优化；细胞单元粒度；可重构中图分类号：V243．1；TPl8文献标志码：A文章编号：1000—6893(2016)11—3502—1

3、0具有功能重配置特点的可重构硬件已成为电子系统容错设计的主要对象之一。当前，可重构硬件容错主要由片外注入测试向量法进行故障检测，根据测试结果生成重配置数据，整个过程由片外或系统外控制，容错速度慢、算法复杂、计算量大，系统可靠性也因为难以高效利用内部冗余资源而较低，对实时性、可靠性要求高，外部控制困难的应用，如航空航天、深海、辐射、军事等领域电子系统，亟待研究片内自主控制，能自修复的新型可重构硬件及其设计方法。胚胎硬件(ErnbryonicsHardware)是一种具有芯片自愈特色的新型可重构硬件，基于该硬件方法的芯片系统，具有内部自诊断、自修复逻辑

4、，可自主触发局部动态重构完成自愈，整个过程完全由芯片按生物启发式方法进行分布控制，设计者无需做复杂的设计决策，且运算复杂度低、容错速度快。此外，由于硬件冗余发生在芯片内的电子细胞层，硬件容错代价大大减小，与传统板级外部控制下的芯片重构相比，不仅实现了自主控制，可靠性也得到大幅提高[1。4]。胚胎硬件研究主要基于二维细胞单元阵列结构，以提高硬件资源利用率、容错修复速度和可靠性为目标，基本研究思路是模仿生物机体结构(器官、组织、细胞)和功能系统(神经系统、内分泌系统、免疫系统)工作方式，研究细胞单元的故障检测、移除和替代策略。当前胚胎硬件的研究重心是如

5、何将仿生机制用硬件实现[4。9]，重点改进硬件体系和细胞电路结构，但作为一项高可靠性硬件类型，应用设计过程中基于可靠性分析的优化方法研究十分缺乏。Ortega和Tyrrell[10‘¨1在胚胎硬件研究早期分析了不同容错策略对系统可靠性的影响；林勇和罗文坚[121分析了细胞阵列布局结构对系统可靠性的影响，但在可靠性建模中都将细胞视为固定节点，未考虑细胞内部模块受阵列收稿日期：2015—11．27；退修日期：2015—12．16；录用日期：2016-02—15；网络出版时间：2016-02—2416：43网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms

6、／detail／11．1929．V．201602241643．008．htmI基金项目：国家自然科学基金(61202001，61402226)*通讯作者．Tel．：13851798450E-mail：wolnyzhang愚nuaaedu．crl嘲甬摇武I张砦．王友仁．应用设计过程的坯骀硬件细胞单元粒度优化方法￡Jj．航空学报。2016．37(11)：3502-3511．ZHANGZ，WANGYRCeilgranularityoptimizationmethodofembryonicshardwareinapplicaitondesignproces

7、s[JJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2016．37(11)：3582-3511张砦，等：应用设计过程的胚胎硬件细胞单元粒度优化方法规模、细胞布局和容错策略影响的情况，相关结论与实际设计结果存在较大偏差，要用于实际应用设计指导，需要建立与细胞电路设计结合更紧密、能体现多种设计因素的新可靠性模型。胚胎硬件设计中，影响系统可靠性的主要因素包括：阵列规模、细胞单元电路(包含单元粒度大小和模块组成结构)、容错策略和细胞布局等。从可靠性角度，阵列规模、细胞模块组成结构和容错策略的影响很大，但应用设计过程是特定人员在

8、已知芯片上实现一定系统功能，阵列总规模和细胞电路设计方法(决定了细胞组成结构和阵列容错策略)已确定，设计过程对系统可靠性的