CC BY
46УДК 51-74
Использование кода Хэмминга для исправления двойных сбоев в смежных разрядах памяти в аппаратуре космического назначения
П.М. Еремеев
АО «Научно-исследовательский институт «Субмикрон» (г. Москва) Национальный исследовательский университет <МИЭТ.»
Use of Hamming Code to Correct Double Errors in Adjacent Memory Bits in Space Equipment
P. Eremeev
«Scientific research institute «Submicron» JSC, Moscow National Research University of Electronic Technology, Moscow
Рассматривается способ исправления двойных сбоев в смежных разрядах памяти на основе подбора специальных синдромов ошибок для кода Хэмминга. С этой целью вводится еще один дополнительный контрольный разряд. Исправление сбоев смежных разрядов особенно актуально при разработке аппаратуры космического назначения, которая должна функционировать без сбоев в условиях воздействия тяжелых заряженных частиц.
Ключевые слова: код Хэмминга; тяжелая заряженная частица; многократные сбои.
The method of the double error correction in adjacent memory bits, based on selection of the special Hamming code syndromes, has been proposed. It has been shown that this method requires an introduction of one additional control bit of memory. The adjacent memory bits error correction can be especially relevant in development of space equipment, which must operate without failures when exposed to heavy charged particles.
Keywords: Hamming code, heavy charged particle, multiple errors.
Особенность проектирования аппаратуры космического назначения - необходимость учета воздействия тяжелых заряженных частиц, которые могут вызывать как катастрофические отказы при возникновении тиристорного эффекта, так и сбои ячеек памяти.
Классическим способом защиты элементов памяти от сбоев является применение кодов Хэмминга [1], которые используются в большинстве бортовых компьютеров, но они обеспечивают исправление ошибок только в одном разряде слова.
С уменьшением топологических норм элементов памяти растет вероятность того, что зона пространственного заряда от воздействия тяжелых заряженных частиц может захватить два и более соседних разрядов. В работе [2] показано, что для коммерческой технологии 90 нм многократные, преимущественно двойные сбои превалируют над однократными сбоями при воздействии частиц с линейными потерями энергии 7 МэВсм2/мг и более при углах падения, отличных от нормали к поверхности кристалла. В [3] рассматривается влияние угла падения тяжелых заряженных частиц и записанного кода на кратность сбоев в микросхемах сверхоперативного запоминающего устройства при различных энергиях частиц.
© П.М. Еремеев, 2015
Краткие сообщения
При использовании классического кода Хэмминга, если длина информационного слова составляет m двоичных разрядов, к ним добавляется k контрольных разрядов, при этом количество контрольных разрядов определяется из неравенства
2k > m+k+1. (1)
Контрольные разряды должны обеспечивать идентификацию инверсии одного любого из m+k разрядов, т.е. ошибку в любом из информационных или контрольных разрядов. Также возможен случай, когда ошибка отсутствует, т.е. всего возможно m+k+1 вариантов. Эти варианты должны быть декодированы по контрольным разрядам, общее число комбинаций которых равно 2k. Естественно, что число комбинаций контрольных разрядов должно быть больше, чем число возможных исправляемых ошибок плюс вариант отсутствия ошибки, иначе будет невозможно различить, в каком разряде произошла ошибка.
Исправление двух любых ошибок в слове - задача, требующая больших вычислительных затрат. Так как при воздействии тяжелых заряженных частиц сбиваются не любые, а смежные разряды, то имеет смысл найти решение для этого частного класса ошибок. Предлагается способ исправления двойных сбоев в смежных разрядах памяти. При этом, естественно, исправляются и одиночные сбои.
Количество декодируемых ситуаций для такого класса ошибок составляет
2k > (m+k+1)+( m+k-1). (2)
Первое слагаемое (m+k+1) показывает количество возможных одиночных ошибок плюс вариант без ошибки. Второе слагаемое (m+k-1) - это количество возможных двойных сбоев смежных разрядов.
Общее количество декодируемых ситуаций 2(m+k) увеличилось по отношению к классическому коду Хэмминга не более чем вдвое, т.е. для их идентификации требуется добавить один контрольный разряд. Выполнение неравенства (2) является необходимым, но необязательно достаточным условием существования искомого кода, но такие коды существуют.
Дополнительно используемый контрольный разряд позволяет обеспечить исправление как одиночных, так и двойных смежных сбоев в микросхемах памяти. Описанный механизм реализован в контроллере памяти для процессоров 1890ВМ1Т / 5890ВМ1Т, разработанном в АО «НИИ «Субмикрон». Контроллер памяти выполнен на основе базового матричного кристалла серии 1592ХМ2.
Бортовой компьютер с контроллером памяти 1592ХМ2-008 эксплуатируется в составе малого космического аппарата МКА ФКИ ПН2 «Рэлек», запущенного 8 июля 2014 г.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (соглашение №14.578.21.0061).
Литература
1. Питерсон У., Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки. - М.: Мир, 1976. - 593 с.
2. Lawrence R.K., Kelly A.T. Single event effect induced multiple-cell upsets in a commercial 90 nm CMOS digital technology // IEEE Trans. Nucl. Sci. - 2008. - Vol. 55. - № 6. - P. 3367-3374.
3. Боруздина А.Б., Уланова А.В., Горбунов М.С., Чумаков А.И. Влияние угла падения тяжелых заряженных частиц и записанного кода на кратность сбоев в микросхемах СОЗУ // Проблемы разработки перспективных микро-и наноэлектронных систем: сб. трудов. Ч. III / Под общ. ред. А.Л. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2014.
Поступило 22 января 2015 г.
Еремеев Петр Михайлович - заместитель главного конструктора, начальник отдела АО «НИИ Субмикрон» (г. Москва), старший научный сотрудник Научно-исследовательской лаборатории интегральных технологий МИЭТ. Область научных интересов: разработка высоконадежных бортовых отказо- и сбоеустойчивых вычислительных комплексов преимущественно космического назначения. E-mail: eremeevpm@mail.ru
