王南天，錢彥嶺，李　岳

(國防科技大學(xué) 裝備綜合保障技術(shù)重點實驗室， 湖南 長沙　410073)

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仿生自修復(fù)硬件多層結(jié)構(gòu)模型*

王南天，錢彥嶺，李岳

(國防科技大學(xué) 裝備綜合保障技術(shù)重點實驗室， 湖南 長沙410073)

針對仿生自修復(fù)硬件細(xì)胞間信號傳輸復(fù)雜、效率低等問題，借鑒內(nèi)分泌系統(tǒng)中激素的傳輸方式，提出基于片上網(wǎng)絡(luò)和近鄰連接的4層仿生自修復(fù)硬件結(jié)構(gòu)模型，并以實現(xiàn)有限脈沖響應(yīng)濾波器為例，對模型進(jìn)行詳細(xì)論述?；谠撃Ｐ偷淖孕迯?fù)硬件，具有靈活的布線能力與良好的容錯能力，表明該模型為高可靠性自修復(fù)硬件設(shè)計提供了新途徑。

仿生硬件；自修復(fù)；內(nèi)分泌；片上網(wǎng)絡(luò)；近鄰連接；有限脈沖響應(yīng)濾波器

研制具有自修復(fù)能力的通用機(jī)器的構(gòu)想，可以追溯到20世紀(jì)50年代。在20世紀(jì)90年代，Mange等為提高電子系統(tǒng)可靠性提出具有自修復(fù)能力的胚胎電子陣列(embryonic array)，諸多學(xué)者相繼進(jìn)行了相關(guān)的研究[1-7]，提出了POEtic[2]和ubichip[4]等仿生硬件。POEtic使用了兩層馮·諾依曼近鄰連接[8]，而ubichip則使用了馮·諾依曼近鄰和摩爾結(jié)構(gòu)近鄰連接[9]?；诮忂B接的結(jié)構(gòu)，細(xì)胞只與附近相鄰的細(xì)胞連接，故遠(yuǎn)距離信號傳輸慢且需要消耗較多細(xì)胞，自修復(fù)重構(gòu)過程因為涉及多個細(xì)胞而比較復(fù)雜。總線結(jié)構(gòu)[3]被引入解決遠(yuǎn)距離信號傳輸?shù)膯栴}，但存在總線時分復(fù)用而帶寬較小的問題。此外，片上網(wǎng)絡(luò)(Network on Chip, NoC)因為其高帶寬、可擴(kuò)展性好、靈活等特點[10]被應(yīng)用到自修復(fù)硬件中[11-12]。

在內(nèi)分泌系統(tǒng)中，主要有兩種激素傳輸方式：循環(huán)分泌和旁分泌。循環(huán)分泌將激素分泌到血液中并通過血液循環(huán)系統(tǒng)傳輸?shù)桨屑?xì)胞，旁分泌則將激素分泌到組織液中并通過擴(kuò)散到達(dá)靶細(xì)胞?；谂苑置?，激素能夠通過擴(kuò)散快速到達(dá)靶細(xì)胞，但是靶細(xì)胞不能夠離得太遠(yuǎn)。而基于循環(huán)分泌，激素則可以到達(dá)幾乎任意位置的靶細(xì)胞，但是會稍微犧牲速度。然而，在內(nèi)分泌系統(tǒng)中，二者相結(jié)合，則體現(xiàn)出很好的效果。這為仿生自修復(fù)硬件的體系設(shè)計提供了新的思路。

在電子系統(tǒng)中，NoC[13]體現(xiàn)出靈活的信號傳輸特點，這和循環(huán)分泌具有一定的相似性，而近鄰連接則傳輸速度快，這有類似旁分泌的特點。本文將NoC與近鄰連接相結(jié)合，提出一個具有4層次自修復(fù)能力的硬件結(jié)構(gòu)模型，并以實現(xiàn)廣泛應(yīng)用的有限脈沖響應(yīng)(Finite Impulse Response, FIR)濾波器為例，對該模型進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1　相關(guān)基本知識

1.1近鄰連接

細(xì)胞的近鄰連接指細(xì)胞與附近細(xì)胞的一種連接關(guān)系。圖1為與周圍4個(上、下、左、右方向)相鄰細(xì)胞連接的馮·諾依曼近鄰連接結(jié)構(gòu)。如果與周圍8個(上、下、左、右、左上、左下、右上、右下方向)細(xì)胞連接，則稱為摩爾近鄰連接。

圖1　馮·諾依曼連接Fig.1　Von Neumann connections

1.2片上網(wǎng)絡(luò)NoC

有學(xué)者認(rèn)為，NoC是指在單芯片上集成大量的計算節(jié)點PE以及連接這些資源的片上通信網(wǎng)絡(luò)(On-Chip Network, OCN)[14]，因而NoC包括計算和通信兩個子系統(tǒng)。由計算節(jié)點PE組成的計算子系統(tǒng)完成廣義的計算任務(wù)，PE可以是CPU、片上系統(tǒng)(System on Chip, SoC)、各種專用功能的IP核、存儲器陣列或者可重構(gòu)硬件等。通信子系統(tǒng)負(fù)責(zé)PE之間的連接與高速通信。圖2為一個3×3 Mesh結(jié)構(gòu)[13]的NoC網(wǎng)絡(luò)，通信子系統(tǒng)用一系列通信節(jié)點R表示。需要說明的是，每個通信節(jié)點R不是只能夠連接一個PE[10]，如圖中最右邊一列每個R則連接了2個PE。

圖2　3×3 Mesh結(jié)構(gòu)NoCFig.2　NoC with 3×3 mesh structure

也有學(xué)者認(rèn)為，NoC是一種片上互聯(lián)技術(shù)[10]，可概要的認(rèn)為就是第一種觀點中的OCN。本文中的NoC主要指后者，即OCN。

NoC(OCN)主要借鑒分布式計算系統(tǒng)的通信方式，用路由和分組交換技術(shù)替代傳統(tǒng)的片上總線來完成通信任務(wù)，具有高帶寬、低功耗、擴(kuò)展性好等優(yōu)點，且有利于解決單一時鐘全局同步問題[10, 14]。

2　四層結(jié)構(gòu)模型

2.1模型層次

本文提出的硬件結(jié)構(gòu)模型一共包含4個層次，從高到低依次為管理層、通信層、功能層和布線層，如圖3所示。

圖3　四層結(jié)構(gòu)模型Fig.3　Four layers structural model

功能層是自修復(fù)硬件的計算部分。功能層包含多個二維均勻分布的功能細(xì)胞(記為F細(xì)胞或F)。每個F細(xì)胞執(zhí)行一個特定的函數(shù)，所有F細(xì)胞相互協(xié)作完成預(yù)定整體功能，這和胚胎陣列中功能模塊的作用相似。F細(xì)胞也可以被用作布線，增加布線的靈活性，這個將在下一節(jié)提到。

布線層提供了F之間的信息傳輸通道，由布線細(xì)胞(記為R細(xì)胞或R)組成。R細(xì)胞與胚胎陣列中的輸入輸出模塊功能相似。如果將F細(xì)胞類比于生物系統(tǒng)中的細(xì)胞、F之間的信號比作細(xì)胞之間傳輸?shù)募に?，則可將布線層類比于組織液。

通信層由多個通過NoC連接的通信細(xì)胞(記為C細(xì)胞或C)組成，它可以類比于生物系統(tǒng)中的血液系統(tǒng)。每個C細(xì)胞與多個(數(shù)量是沒有明確限制的，可以按照要求進(jìn)行劃分)F細(xì)胞和R細(xì)胞相連，它們共同構(gòu)成1個組織(記為T)。在陣列(指基于該模型設(shè)計的自修復(fù)硬件)初始化時，通信層是負(fù)責(zé)傳遞硬件初始配置信息并初始化細(xì)胞(包括C細(xì)胞、F細(xì)胞和R細(xì)胞)。在陣列正常工作時則與布線層協(xié)作，完成F細(xì)胞之間的數(shù)據(jù)通信任務(wù)。F細(xì)胞的輸出可以傳輸?shù)紺細(xì)胞并由其通過NoC傳輸?shù)絼e的組織。目標(biāo)組織的C細(xì)胞收到該輸出后，由其傳遞給目標(biāo)F細(xì)胞。這個機(jī)制非常有用：它使信號可以通過C層傳輸也可以通過F層傳輸，使布線和自修復(fù)的靈活性大大增強(qiáng)。在陣列自修復(fù)過程中，C細(xì)胞控制組織內(nèi)修復(fù)。

管理層僅由1個管理細(xì)胞組成，簡記為M細(xì)胞或M。它負(fù)責(zé)“管理”整個硬件并提供對外的借口。在陣列初始化時，它負(fù)責(zé)生成或者從外部接收陣列的初始配置信息，并傳輸給各個組織。在正常工作時負(fù)責(zé)陣列與外部的信息交換。在自修復(fù)時控制組織間修復(fù)和全局修復(fù)。M細(xì)胞不但直接與部分R細(xì)胞連接，也通過NoC網(wǎng)絡(luò)連接。需要說明的是，所使用的NoC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有嚴(yán)格要求，可以使用任何結(jié)構(gòu)，比如圖2所示的Mesh結(jié)構(gòu)。

2.2自修復(fù)層次

本文提出的結(jié)構(gòu)模型，一共包含4個自修復(fù)層次，從低到高依次是細(xì)胞內(nèi)修復(fù)、組織內(nèi)修復(fù)、組織間修復(fù)和全局修復(fù)。

細(xì)胞內(nèi)修復(fù)指故障發(fā)生，細(xì)胞內(nèi)使用的基于海明碼的容錯、多模冗余等容錯方式能夠直接糾正錯誤。這個過程使用的具體容錯方式，已經(jīng)有較多文獻(xiàn)對其進(jìn)行詳細(xì)論述[15-16]，本文不再詳細(xì)討論。這個過程只涉及單個細(xì)胞，是自修復(fù)的第一個層次。

組織內(nèi)修復(fù)指當(dāng)組織內(nèi)的某(幾)個細(xì)胞發(fā)生故障時，在C細(xì)胞的協(xié)調(diào)控制下，通過組織內(nèi)細(xì)胞的重構(gòu)、替換等方式完成的修復(fù)。該修復(fù)只涉及組織內(nèi)部，和其他組織無關(guān)，其他組織不一定要停止工作。這是自修復(fù)的第二個層次。

組織間修復(fù)指當(dāng)故障發(fā)生時，前兩個層次都沒法完成修復(fù)的情況下，在M細(xì)胞的協(xié)調(diào)控制下，多個組織之間通過細(xì)胞重構(gòu)、替換等完成的修復(fù)。這個過程執(zhí)行時，不涉及替換操作的組織一般暫停工作，以等待修復(fù)過程的完成，但是操作數(shù)據(jù)不會丟失。這是自修復(fù)的第三個層次。

全局自修復(fù)指前三個層次的修復(fù)方法無法完成自修復(fù)，或者完成自修復(fù)后陣列運(yùn)行效率很低時，由M細(xì)胞從全局重新分配各細(xì)胞的功能。全局修復(fù)時，操作數(shù)據(jù)將丟失。本質(zhì)上，全局自修復(fù)是一個具有約束條件的細(xì)胞分化、布局布線及初始化過程。這里的約束指故障細(xì)胞和組織不可用性。

基于多個層次的修復(fù)，在不同故障程度條件下使用不同的修復(fù)策略，可以在小故障時不停機(jī)，較大故障時仍可修復(fù)，增加硬件的可用性與可靠性。

3　實例

3.1硬件結(jié)構(gòu)

基于該模型，圖4給出了一個包含3個組織(T01，T10，T11)的自修復(fù)硬件的結(jié)構(gòu)，每個組織包含4個F細(xì)胞和4個R細(xì)胞，用粗實線劃分。T00被M取代，故T00實際上不存在。M細(xì)胞及圖中實心圓點所示的3個C細(xì)胞通過NoC相互連接，NoC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬于NoC研究的范疇，不是本文關(guān)注的重點，這里選擇Mesh結(jié)構(gòu)。M也可與R20，R21，R12或與外部交換數(shù)據(jù)，如圖中箭頭所示。各種細(xì)胞都朝著2個方向按照物理位置依次編號，用下標(biāo)區(qū)分。F細(xì)胞和R細(xì)胞的細(xì)胞交替放置，每個F/R細(xì)胞與周圍的4個R/F細(xì)胞連接，如F23與相連R22，R33，R23，R13連接；R13與F12，F(xiàn)23，F(xiàn)13，F(xiàn)03相連。這種結(jié)構(gòu)使F可以方便地與周圍的8個F細(xì)胞通信，且其中4個具有2條通道，這可實現(xiàn)傳輸通道的備份，如F23可以直接與F13，F(xiàn)03，F(xiàn)12，F(xiàn)22， F32，F(xiàn)33，“F43”和“F24”(這兩個加“”的F細(xì)胞在這個包含3個組織的陣列中是不存在的)，F(xiàn)23與F22(4個中的1個)之間，可以通過R22或(和)R32通信。

圖4　自修復(fù)硬件結(jié)構(gòu)Fig.4　Structure of the self-healing hardware

3.2工作過程

一般地，N階FIR濾波器可表示為卷積形式：

(1)

經(jīng)過Z變換，濾波器的傳遞函數(shù)可表示為：

(2)

這里，我們?nèi)V波器階次為3，則該濾波器可表示為：

yn=hn*xn=h0xn+h1xn-1+h2xn-2+h3xn-3

(3)

可以將式(3)計算任務(wù)分解為式(4)～(8)所示的5個子函數(shù)：

f1:y0=h0xn

(4)

f2:y1=h1xn-1

(5)

f3:y2=h2xn-2

(6)

f4:y3=h3xn-3

(7)

f5:uk=y0+y1+y2+y3

(8)

將5個子函數(shù)f1～f5分別映射到F02，F(xiàn)12，F(xiàn)23，F(xiàn)32和F22，如圖5所示，圖中箭頭表示的信號傳輸路徑映射到相應(yīng)的R細(xì)胞，如xn-2映射到R13。在后文中，執(zhí)行fk功能的細(xì)胞Fij簡記為Fij(fk)或者fk；類似地，傳輸某信號at的細(xì)胞Rkl簡記為Rkl(at)或at。

圖5　FIR濾波器的功能映射Fig.5　Function mapping of FIR filter

該(實現(xiàn)FIR濾波器的)陣列工作過程如下。M細(xì)胞產(chǎn)生或者從外部接收陣列的配置信息。當(dāng)配置信息準(zhǔn)備完成后，開始配置硬件，所有細(xì)胞的配置信息通過NoC傳輸?shù)矫總€組織(實際上是C細(xì)胞)，并由C細(xì)胞配置自己及其所在組織的4個F細(xì)胞和4個R細(xì)胞。配置完成后，陣列開始工作，xn從外接輸入到M細(xì)胞，經(jīng)R12傳送到F02(f1)；F02完成f1的計算后，正好延遲一個周期，xn變?yōu)閤n-1，并將xn-1經(jīng)R02傳輸給F12(f2)，同時將y0經(jīng)R12傳給F22(f5)；f2，f3，f4和f5依次執(zhí)行，直到F22(f5)得到y(tǒng)n并經(jīng)由R21傳輸?shù)組細(xì)胞；最后，由M細(xì)胞將yn傳到系統(tǒng)外。如果故障發(fā)生，將啟用自修復(fù)，這個在下一小節(jié)論述。

需要說明的是，可以使用流水線技術(shù)來提高上述計算任務(wù)的整體速度。此外，文中沒有太多地考慮FIR濾波器功能的分解及其到F細(xì)胞的映射，這些工作需要一些優(yōu)化算法來支持，這是下一步需要研究的工作。

3.3自修復(fù)

在FIR濾波器運(yùn)行的過程中，如果故障發(fā)生，則自修復(fù)過程將啟動。

假設(shè)某時刻F32(f4)某位存儲器由于某原因發(fā)生翻轉(zhuǎn)，隨后，其內(nèi)部使用的擴(kuò)基于展海明碼的容錯方式[17]能夠自動糾正這個錯誤。從細(xì)胞外看，細(xì)胞F32(f4)并沒有發(fā)生故障，這便是使用了細(xì)胞內(nèi)修復(fù)。

隨后，F(xiàn)32(f4)的又一位發(fā)生故障，擴(kuò)展海明碼將檢測到該故障，但是無法糾正，于是將故障通知C11。C11經(jīng)過分析后，發(fā)現(xiàn)可以按照圖6所示的替換方式進(jìn)行修復(fù)：由F33替換F32執(zhí)行f4的計算任務(wù)；計算結(jié)果通過C11傳輸?shù)紽22(f5)，如圖中虛線箭頭所示。

圖6　組織內(nèi)修復(fù)示例Fig.6　Paradigm of Tissue-in healing

圖7　組織間修復(fù)示例Fig.7　Paradigm of Tissue-out healing

如果R21(yn)發(fā)生故障，且不能夠通過細(xì)胞內(nèi)修復(fù)完成自修復(fù)，則R21將通知C01，C01發(fā)現(xiàn)組織內(nèi)修復(fù)也沒辦法完成自修復(fù)，C01則通知M細(xì)胞，請求組織間修復(fù)。M分析后，認(rèn)為可以通過如圖7所示的修復(fù)方式進(jìn)行修復(fù)。方式(1)：f5將計算得到的yn通過R23輸出，并依次經(jīng)由T01中的F31，R31，F(xiàn)30，R20傳輸?shù)組，如實線箭頭所示；在這其中，F(xiàn)31和F30被用作布線。方式(2)：將計算結(jié)果yn傳到C11(如長虛線箭頭所示)，并經(jīng)由NoC傳遞到M，這便是NoC在工作時用作信號傳輸。可以發(fā)現(xiàn)，上述兩種方式都犧牲了一定的時間：第一種方式，信號要從原來的經(jīng)過1個細(xì)胞變?yōu)榻?jīng)過4個細(xì)胞，延遲明顯增加。第二種方式，使用了NoC，也增減了延遲。

假設(shè)此時，濾波器的延遲已經(jīng)到了可以容忍的最大值。如果再有故障發(fā)生，出現(xiàn)以下兩種情況之一：①系統(tǒng)不能夠通過前面三個層次的修復(fù)完成自修復(fù)，②通過前面三個層次的修復(fù)完成自修復(fù)后，延遲增加，系統(tǒng)延遲將不可接受，此時，將啟動全局修復(fù)：將發(fā)生故障而不可用的幾個細(xì)胞作為約束條件，重新完成陣列的功能分化、初始化等操作，以使陣列能夠重新被配置成滿足時間要求的FIR濾波器。

4　結(jié)論

本文將近鄰連接與NoC相結(jié)合，給出了一個4層自修復(fù)硬件結(jié)構(gòu)模型，并以實現(xiàn)FIR濾波器為例，對其進(jìn)行了詳細(xì)的說明?；谠撃Ｐ驮O(shè)計的自修復(fù)硬件具有靈活的信號傳輸能力與較強(qiáng)的容錯能力，它為設(shè)計電子系統(tǒng)的高可靠性自修復(fù)硬件提供了一種新的方法。該模型所述金字塔形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可為分布式計算中處理器的分布提供參考。該模型也提供了一種將工業(yè)級甚至商業(yè)級的現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)用于高可靠性場合的低成本解決方案——使用少量高可靠性的軍品級或者宇航級FPGA來管理并自修復(fù)大量低可靠性的工業(yè)級或商業(yè)級FPGA，這對宇航級、軍品級FPGA購買較困難的中國，具有更重要的意義。

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Multi-layer structural architecture for bio-inspired self-healing hardware

WANG Nantian, QIAN Yanling, LI Yue

(Science and Technology on Integrated Logistics Support Laboratory， National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Inspired by the circulatory secretion and paracrine of hormone, aimed at solving the problems such as low efficiency and complexity during the cellular communicating, a four-layer structural architecture for bio-inspired self-healing hardware based on NoC (network on chip) and neighborhood connections was proposed. A self-healing hardware realizing an FIR (finite impulse response) filter based on the architecture was brought in to explain the architecture in detail. The hardware shows flexible routing ability and good fault-tolerant ability. It indicates that the structural architecture provides a new approach to design a self-healing hardware with high reliability.

bio-inspired hardware; self-healing; incretion; network on chip; neighborhood; finite impulse response filter

10.11887/j.cn.201604013http://journal.nudt.edu.cn

2015-03-30

國家自然科學(xué)基金資助項目(51675523)

王南天(1986—)，男，重慶人，博士研究生，E-mail：wangnant@126.com；錢彥嶺(通信作者)，男，研究員，博士，碩士生導(dǎo)師，E-mail：ylqian@nudt.edu.cn

TP330

A

1001-2486(2016)04-085-05