Скользящее резервирование толерантных элементов

Одним из основных путей повышения надёжности является резервирование. В частности, используется структурное резервирование. В таком случае может обеспечиваться отказоустойчивость элементов, устройств и систем. Отказоустойчивость может обеспечивать парирование как сбоев, так и отказов. Исследуется повышение надёжности путём так называемого скользящего резервирования, обеспечивающего работоспособность систем из n элементов с резервом из m элементов, которые могут заменить любой основной элемент. Предлагается усовершенствование скользящего резервирования путём восстановления элементов из нескольких отказавших элементов, но сохранивших некоторую функциональность (базис). Например, базис логической (булевой) функции в смысле теоремы Поста обеспечивается в случае, если эта функция является не сохраняющей константу нуля, не сохраняющей константу единицы, не самодвойственной, не линейной, не монотонной. Ранее автором предложены так называемые функционально-полные толерантные логические функции (ФПТФ), не только обладающие функциональной полнотой, но и сохраняющие её при заданной модели отказов. Тогда даже неисправный элемент остаётся функционально полным, но с меньшими возможностями, например, становится элементом 2ИЛИ-НЕ, хотя сама ФПТФ может быть реализована элементом 2И-2ИЛИ-НЕ. В этом случае для восстановления исходной функции необходимо несколько элементов 2ИЛИ-НЕ. Однако проблемой является диагностика этих элементов и их реконфигурация в случае отказов. Такой подход может быть интерпретирован восстановлением логики программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), которая реализована на так называемых LUT (Look Up Table), представляющих собой запоминающие устройства на основе мультиплексоров 16-1. Причём схема представляет собой дерево передающих транзисторов. При их отказах возможно использование работоспособной половины LUT. Из таких «половинных» LUT можно путём реконфигурации на основе штатных средств ПЛИС, содержащих матрицы локальных и глобальных связей, восстановить LUT, функции которых эквиваленты исходным. Это равносильно увеличению количества резервных элементов. Скользящее резервирование с восстановлением элементов из нескольких отказавших, но сохранивших базис, может быть использовано в областях критического применения систем, когда ремонт либо замена элементов невозможны. В статье предлагается формула, учитывающая такое восстановление, анализируются особенности такого резервирования и оценивается выигрыш в надёжности.

1. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике Основные понятия. Термины и определения. – М.: Издательство стандартов, 1990. – 42 с.

2. Надежные отказоустойчивые информационные системы. Методы синтеза/ И.Б. Шубинский. – 2016. – 544 с.

3. Васильев Н.П., Шубинский И.Б. Аналитическая оценка вероятности успешной адаптации к отказам модульных вычислительных систем с многоуровневой активной защитой. Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 1994. Т. 37. № 3-4. С. 47.

4. Тюрин С.Ф. Проблема сохранения функциональной полноты булевых функций при «отказах» аргументов // Автоматика и телемеханика. 1999. № 9. С. 176-186.

5. Строгонов А., Цыбин С. Программируемая коммутация ПЛИС: взгляд изнутри [Электронный ресурс]. – URL: http://www.kit-e.ru/articles/plis/2010_11_56.php (дата обращения: 16.10.2016).

6. Tyurin S.F., Gromov O.A. A residual basis search algorithm of fault-tolerant programmable logic integrated circuits // Russian Electrical Engineering. – 2013. – 84 (11). – P. 647–651. DOI: 10.3103/S1068371213110163

7. Tyurin S.F., Grekov A.V. Functionally Complete Tolerant Elements // International Journal of Applied Engineering Research. -2015.- Volume 10, №14. pp. 34433- 34442.

8. Парфентий А.Н., Хаханов В.И., Литвинова Е.И. Модели инфраструктуры сервисного обслуживания цифровых систем на кристаллах // АСУ и приборы автоматики. 2007. Вып. 138. С. 83 – 99.

9. Carl Carmichael. Triple Module Redundancy Design Techniques for Virtex FPGAs [Электронный ресурс]. https://www.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp197.pdf (дата обращения: 07.12.2016).