| 초록 |
본 연구는 FPGA 기반 우주용 디지털 회로를 위한 비동기 자가 복구 시스템(self-recovery system)을 개발하는 것이다. 인공위성이나 우주 탐사선 등에 장착되는 디지털 회로는 방사선, 우주선, 또는 우주 입자들이 일으키는 고장에 영향을 받을 확률이 매우 높다. 또한 지구에서 멀리 떨어져서 활동해야 하는 제한적인 환경 때문에 우주용 디지털 회로는 이러한 고장을 스스로 탐지하고 즉시 복구할 수 있는 능력을 반드시 갖추어야 한다. 이번 연구에서는 고장 탐지와 복구 기능을 해주는 비동기 교정자를 디지털 회로와 결합시킨 새로운 자가 복구 시스템 구조를 제안하고, 제안한 이론을 실제 시스템에 적용시켜 그 성능을 검증한다. 본 연구에서 개발된 자가 복구 시스템은 하드웨어 여유 구조로 이루어져 있으며 해당 디지털회로에서 일어나는 고장뿐만 아니라 비동기 교정자에서 발생하는 고장까지 복구할 수 있는 능력을 가진다. 이를 위해서 먼저 고장이 존재하는 우주용 디지털 회로를 유한 상태 머신으로 정의하고 SEU(Single Event Upset)등 방사선에 의한 고장 사건들을 유한 상태 머신 내에서 일반적으로 표현해주는 모델링 기법을 연구한다. 그런 다음 폐루프 시스템이 고장을 탐지하고 극복할 수 있도록 하는 교정 제어기가 존재할 필요충분조건을 도출하고 제어기 설계 과정을 제시한다. 또한 사례 연구를 통해서 방사선 고장이 존재하는 우주용 디지털 회로를 위한 교정 제어기를 하드웨어와 소프트웨어로 구현하고 제안된 교정 제어기가 대상 시스템에 자가 복구 기능을 가지도록 함을 입증한다. 1차년도 연구에서는 비동기 순차 머신에서 발생할 수 있는 여러 가지 고장 중 외란 입력에 의해서 머신의 상태가 바뀌는 과도 고장(transient fault)에 대해서 집중적으로 다루었다. 디지털 시스템에서 가장 빈번하게 발생하는 과도 고장을 분석하고 유한 상태머신으로 모델링한 후 고장 탐지 방법을 제시하였다.특히 크리티컬 레이스(critical race)와 SEU 고장이 발생하는 카운터 시스템에 대하여 유한상태 모델과 고장 탐지 기법을 개발하였다. 2차년도에서 하드웨어 여유구조를 기반으로 디지털 시스템에서 고장을 탐지하고 복구하는 연구를 수행하였다. SEU로 대변되는 과도 고장과 총이온화선량(TID: Total Ionizing Doze)에 의한 영구 고장을 극복할 수 있는 하드웨어 여유 구조를 제안하였다. 중복구조(DMR)를 기반으로 SEU 고장을 복구하는 방법과 여유 상태(redundant states)를 기반으로 영구고장을 극복하는 방법을 제시하였다. 비동기 메커니즘으로 고장 탐지 및 복구가 수행되어 매우 빠른 고장 복구 능력을 보임을 증명하였다. 또 내고장성 교정 제어기를 FPGA 하드웨어로 구현하고 제어 대상 디지털 회로와 결합한 후 제어기의 성능을 입증하는 연구를 수행하였다. 3차년도 연구에서는 교정자 자체에서 발생하는 고장을 복구할 수 있는 자가 복구 교정자에 대한 연구를 실시하였다. 자가 복구 교정자는 하드웨어 여유구조를 기반으로 교정자 자체에서 일어나는 고장을 탐지하고 복구하는 기능을 가진다. 교정자의 동작 특성을 정량화하고, 고장 관측기를 설계하였으며, 교정자의 존재조건을 제안하였다. 또한 FPGA로 자가 복구 교정자를 구현하여 고장 복구 능력이 있음을 입증하였다. 4차년도에서는 복합 시스템에 대한 교정 제어 기법 개발을 주요 주제로 정하였다. 고장 극복 교정 제어의 주요 목적은 비동기 순차 머신에서 발생하는 여러 가지 고장을 진단하며 고장이 발생하는 즉시 머신을 원래의 상태, 또는 원하는 모델의 행동과 일치시키도록 하는 모델 정합(model matching)을 구현하는 일이다. 4차년도 연구에서는 특히 제어 대상 머신이 두 개의 독립 비동기 머신이 직렬 결합(cascade connection)되거나 병렬 결합된(parallel connection) 복합 시스템인 경우를 다루었다. 5차년도에는 비동기 교정자의 최적화 기법을 연구하였다. 고장 극복 교정자를 실제구현하면 대상 디지털 회로의 복잡도는 증가한다. 복합 시스템에 적용되는 비동기 교정자의 구조를 분석하고 상태 재사용 방법을 통한 교정자의 상태 축소 방법을 제시하였다. |
