JP6490316B1 - 出力判定回路 - Google Patents

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Abstract

出力判定回路(4)は、ハードウェアの結線により命令を実行するハードワイヤード方式により作成されている。出力判定回路(4)は、論理情報により動作するFPGA(Field Programmable Gate Array)の出力信号(9)を決定する。出力判定回路(4)は、多数決回路(5)を備える。多数決回路(5)には、同一の動作を行う複数のFPGAの各々の出力が接続される。また、多数決回路(5)は、複数のFPGAの出力に対して多数決判定を行うことにより、複数のFPGAからの出力を出力信号(9)として決定する。多数決回路(5)は、論理演算素子のみで構成されている。

Description

本発明は、内部の論理回路を繰り返し再構成できるFPGA(Field Programmable Gate Array)の信頼性に関するものである。
機器には、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)といった専用のLSI(Large−Scale Integration)が使用されるケースが多い。しかし、近年、半導体の微細化により開発費が高騰し、生産数量が少ない場合はFPGAを使用するケースが増えている。
FPGAはユーザによって内部論理が変更できるデバイスである。FPGAは、ASICと比較して製品単価は高いが、汎用のLSIであるため、LSIの開発費は発生しない。よって、FPGAは、少量多品種の生産に適している。
FPGAでは、電源投入時に外部から論理回路情報のデータを内部のコンフィギュレーションRAM(Random Access Memory)に保存する。そして、FPGAは、その論理回路情報に従い、内部の論理が決定される。よって、FPGAでは、論理情報のRAMのデータが変化すると論理回路情報が変化し、正常な動作が実施されなくなる。そこでFPGAの製造各社は論理情報のRAMに対して誤り訂正回路を搭載するといった対策を行っている。近年、FPGAの微細化が進み、宇宙線中性子によるソフトエラーによってRAMのデータが変化し、FPGAの論理回路情報が本来の動作を実施しないことが問題となっている。同じ論理回路を複数もたせ、その出力を多数決で決定することにより本来の動作を担保させる方法がある。
特許文献1では、エラーの発生を検出する検出回路をFPGAではなく、別の放射線耐性強化ASICで構成している。しかし、放射線耐性強化ASICは宇宙放射線の影響がまったく無いとは言い切れない。放射線耐性強化ASICにおいて回路にフリップフロップなどの記憶素子を使用している場合、宇宙放射線によりデータが書き換わらないことは否定できない。よって、放射線耐性強化ASICを使用することだけではソフトエラーを回避できない場合がある。
特許文献2では、FPGAに、ソフトエラー耐性が強い高信頼実装部を設け、多数決回路といった検出回路を高信頼性実装部に搭載する。これにより検出回路の論理回路情報を保存しているRAMがソフトエラーにより変化しないとある。しかし、高信頼性実装部において完全にRAMのソフトエラーを回避する方法は記載されていない。
特開2009−534738号公報 国際公開2015/045135号
従来の方法では、エラーの発生を検出する回路について、ソフトエラーの発生に対する対策が不十分であった。
本発明は、FPGAがソフトエラーにより動作が変更になり正常な動作が行われない場合でも、他のFPGAが正常動作していることで、正常な信号を出力すること目的としている。
本発明に係る出力判定回路は、
ハードウェアの結線により命令を実行するハードワイヤード方式により作成されており、論理情報により動作するFPGAの出力信号を決定する出力判定回路であって、
同一の動作を行う複数のFPGAの各々の出力が接続され、前記複数のFPGAの出力に対して多数決判定を行うことにより、前記複数のFPGAからの出力を前記出力信号として決定する多数決回路であって、論理演算素子のみで構成された多数決回路を備えた。
本発明に係る出力判定回路は、ハードワイヤード方式により作成されている。また、出力判定回路は、同一の動作を行う複数のFPGAの各々の出力が接続され、複数のFPGAの出力に対して多数決判定を行うことにより、複数のFPGAからの出力を出力信号として決定する多数決回路を備える。また、多数決回路は、論理演算素子のみで構成されている。よって、本発明に係る出力判定回路によれば、ソフトエラーおよびフリップフロップによるエラーが発生しない回路により、複数のFPGAの出力を多数決判定することができるので、FPGAの出力を的確に判定することができる。
実施の形態1に係る処理回路の構成図。 実施の形態1に係る出力判定回路による出力判定処理のフロー図。 実施の形態1に係る多数決回路の構成例。 実施の形態1に係る再コンフィギュレーション回路の構成例。 実施の形態2に係る処理回路の構成図。 実施の形態2に係るセレクタの構成例。 実施の形態3に係る処理回路の構成図。 実施の形態4に係る処理回路の構成図。
以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には、同一符号を付している。実施の形態の説明において、同一または相当する部分については、説明を適宜省略または簡略化する。
実施の形態1.
***構成の説明***
図1を用いて、本実施の形態に係る処理回路100について説明する。
本実施の形態に係る処理回路100は、複数のFPGAと、FPGAの出力信号9を決定する出力判定回路4とを備える。複数のFPGAは、FPGA1、FPGA2、およびFPGA3である。本実施の形態の処理回路100では、同一の動作を行うFPGAを3個使用して多数決判定を行う。本実施の形態では、FPGAを3個使用しているが、5個、7個、あるいは9個のように、FPGAの数が奇数個であればよい。
処理回路100は、論理情報により動作する3つのFPGA、すなわちFPGA1、FPGA2、およびFPGA3を備える。FPGA1とFPGA2とFPGA3とは、同一の動作を行う回路である。なお、FPGA1とFPGA2とFPGA3とは、FPGAの入出力信号が同じであれば、FPGAの回路として同じものである必要は無い。
出力判定回路4は、ハードウェアの結線により命令を実行するハードワイヤード方式により作成されている。出力判定回路4はASICで実現することも可能であるが、ASICに限定しているものではなく、ハードウェア的に作成可能であればどのような作成方法で作成されていてもよい。
出力判定回路4は、FPGAの出力を出力信号9として決定するとともに、エラーを発生したFPGAを検出する回路である。出力判定回路4は、多数決回路5と再コンフィギュレーション回路6とを備える。
多数決回路5には、同一の動作を行う複数のFPGAの各々の出力が接続される。多数決回路5は、複数のFPGAの出力に対して多数決判定を行うことにより、複数のFPGAからの出力を出力信号9として決定する。なお、多数決回路5は、論理演算素子のみで構成されている。
また、多数決回路5は、複数のFPGAのうちエラーが発生したFPGAを伝えるエラー信号ERRを出力する。すなわち、多数決回路5は、FPGAの出力を判定する回路である。
再コンフィギュレーション回路6は、多数決回路5からエラー信号ERRを取得する。再コンフィギュレーション回路6は、エラー信号ERRに基づいて、エラーが発生したFPGAに再コンフィギュレーションを実施させる再コンフィギュレーション信号7を出力する。なお、再コンフィギュレーション回路6は、論理演算素子のみで構成されている。具体的には、再コンフィギュレーション信号7は、多数決回路5で不一致であったFPGAに再コンフィギュレーションを実施させる信号である。再コンフィギュレーション回路6は、再コンフィギュレーション信号生成回路ともいう。
再コンフィギュレーション信号7は、再コンフィギュレーション回路6で生成される信号である。再コンフィギュレーション信号7は、FPGA1、FPGA2、またはFPGA3に出力され、FPGA1、FPGA2、またはFPGA3の再コンフィギュレーションを実施させる信号である。
入力信号8は、各FPGAに入力される信号である。各FPGAのINには、入力信号8が出力判定回路4を介して入力される。
出力信号9は、多数決回路5によりFPGAの出力として決定された出力信号である。OUT1はFPGA1の出力、OUT2はFPGA2の出力、そして、OUT3はFPGA3の出力である。多数決回路5には、各FPGAの出力OUT1,OUT2,OUT3が入力され、多数決による判定が行われる。そして、多数決回路5から、判定結果として出力信号9が出力される。また、エラーにより不一致となったFPGAがある場合には、多数決回路5から、エラーが発生したFPGAを伝えるエラー信号ERRが出力される。
エラー信号ERRは、多数決回路5により検出される信号である。エラー信号ERRは、どのFPGAでエラーが発生したかを再コンフィギュレーション回路6に伝える。
例えば、FPGA1にエラーが発生した場合、多数決回路5はエラー信号ERRにより、FPGA1にエラーが発生したことを再コンフィギュレーション回路6に伝える。再コンフィギュレーション回路6は、エラーが発生したFPGA1に、再コンフィギュレーションを実施させる再コンフィギュレーション信号7を送信し、FPGA1に再コンフィギュレーションを実施させる。
出力判定回路4は、ハードワイヤの回路で生成されている。また、出力判定回路4に搭載される多数決回路5および再コンフィギュレーション回路6は、記憶素子であるRAMおよびフリップフロップを使用せず、論理演算素子のみで構成される。これにより、出力判定回路4において記憶素子に対するソフトエラーを考慮する必要が無くなる。その結果、FPGA1、FPGA2、あるいは、FPGA3にソフトエラーが発生し、出力信号OUT1,OUT2,OUT3の一つの出力が異常となった際でも、多数決回路5により正常な出力信号9を出力することができる。
***動作の説明***
図2を用いて、本実施の形態に係る出力判定回路4による出力判定処理S100について説明する。
ステップS101において、出力判定回路4は、入力信号8をFPGA1、FPGA2、および、FPGA3に入力する。
ステップS102において、多数決回路5が、各FPGAの出力OUT1,OUT2,OUT3を取得する。
ステップS103において、多数決回路5は、複数のFPGAの出力に対して多数決判定を行うことにより、複数のFPGAからの出力を出力信号9として決定する。
ステップS104において、エラーが発生したFPGAがあるか判定する。
エラーが発生したFPGAがある場合、ステップS105において、多数決回路5は、複数のFPGAのうちエラーが発生したFPGAを伝えるエラー信号ERRを出力する。
ステップS106において、再コンフィギュレーション回路6は、エラー信号ERRを取得し、エラーが発生したFPGAに、再コンフィギュレーションを実施させる再コンフィギュレーション信号7を出力する。そして、再コンフィギュレーション回路6は、エラーが発生したFPGAに再コンフィギュレーションを実施させる。
図3を用いて、本実施の形態に係る多数決回路5の一例について説明する。
図3の多数決回路5は、FPGA1、FPGA2、および、FPGA3の出力信号OUT1,OUT2,OUT3をAND回路とOR回路の組み合わせで多数決を行い、出力信号9に出力する。また、多数決回路5は、XOR回路にて出力信号OUT1,OUT2,OUT3の一致性を確認し、不一致がある場合は、不一致のFPGAを示すエラー信号ERRを生成する。そして、多数決回路5は、エラー信号ERRを再コンフィギュレーション回路6に送る。
図4を用いて、本実施の形態に係る再コンフィギュレーション回路6の一例について説明する。再コンフィギュレーション回路6は、エラー信号ERRを受け取ると、対応するFPGAに再コンフィギュレーションを実施させる再コンフィギュレーション信号7を生成する。
図4の再コンフィギュレーション回路6は、多数決回路5から出力された複数のエラー信号ERRのORを取り、グリッジを削除するための回路、すなわちグリッジ防止の遅延素子を経由し、再コンフィギュレーション信号7として出力する。図4では、FPGA1にエラーが発生したものとする。再コンフィギュレーション回路6は、FPGA1のリセット、または、FPGA1のコンフィギュレーション回路を起動させる再コンフィギュレーション信号7を出力する。
***他の構成***
本実施の形態の処理回路100では3つのFPGAを複数のFPGAの例としているが、FPGAの数を3つに制限しているものではない。処理回路100におけるFPGAの数は一例であり、FPGAの数が奇数個であれば本実施の形態を適用することができる。
また、本実施の形態の処理回路100ではFPGAを複数用いているが、FPGAに限定するものではない。ソフトエラーが発生する可能性のある回路あるいはデバイスであれば種類は問わない。
***本実施の形態の効果の説明***
本実施の形態に係る出力判定回路4は、ハードワイヤの回路で生成される。また、出力判定回路4に搭載される多数決回路5および再コンフィギュレーション回路6は、記憶素子であるRAMおよびフリップフロップを使用せず、論理演算素子のみで構成される。これにより、出力判定回路4において記憶素子に対するソフトエラーを考慮する必要が無くなる。その結果、FPGA1、FPGA2、あるいは、FPGA3にソフトエラーが発生し、出力OUT1,OUT2,OUT3の一つが異常となった際でも、多数決回路5により正常な出力信号を的確に出力することができる。
このように、本実施の形態に係る出力判定回路4では、ハードワイヤード方式で構成されているため、FPGAのような論理回路情報を保存しているRAMは使用しておらずソフトエラーの影響は受けない。また回路をフリップフロップなどの記憶素子を使用せず構成することで、宇宙放射線によりデータが書き換わる可能性もなく、宇宙放射線の影響をうけずに複数のFPGAの出力を多数決判定することができる。
また、本実施の形態に係る出力判定回路4は、多数決回路5でエラーが発生したFPGAを検出し、再コンフィギュレーション回路6に通知する。そして、再コンフィギュレーション回路6は、エラーが発生したFPGAに対して再コンフィギュレーションを実施させることができる。また、多数決回路5および再コンフィギュレーション回路6は、記憶素子であるRAMおよびフリップフロップを使用せず、論理演算素子のみで構成される。よって、本実施の形態に係る処理回路100によれば、FPGAにエラーが発生した場合でも、適切に再コンフィギュレーションを実施させることができる。
実施の形態2.
本実施の形態では、主に、実施の形態1と異なる点について説明する。
なお、本実施の形態において、実施の形態1と同様の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。
実施の形態1では、出力判定回路4をハードワイヤで構成するため、FPGAへのINおよびOUTが固定されてしまい、設計の自由度が失われる。そこで、本実施の形態ではFPGA1、FPGA2、および、FPGA3の入出力ピンに対して双方向の選択が可能なセレクタを接続し、自由に入出力方向を選択する機能を追加する。
図5を用いて、本実施の形態に係る処理回路100aについて説明する。
FPGA1、FPGA2、FPGA3、多数決回路5、再コンフィギュレーション回路6、再コンフィギュレーション信号7、入力信号8、出力信号9、およびエラー信号ERRについては、実施の形態1で説明したものと同様である。
ただし本実施の形態では、FPGA1、FPGA2、およびFPGA3の各々について、入出力ピンである入出力INOUT1,INOUT2,INOUT3が接続されている。
出力判定回路4aは、複数のFPGAの各々に接続される信号の入出力を切り替えるセレクタ10を備える。セレクタ10は、論理演算素子のみで構成されている。セレクタ10は、複数のFPGAの各々に接続される信号の入出力をセレクタ信号11により切り替える。
入出力INOUT1に接続されたセレクタ10は、FPGA1に接続されるINOUT1をINと接続するかOUT1と接続するかを選択する回路である。セレクタ信号11は、セレクタ10を制御する信号である。セレクタ信号11は、電源またはGNDに接続され、プルアップまたはプルダウンにより複数のFPGAの各々に接続される信号の入出力を切り替える。
図6を用いて、本実施の形態に係るセレクタ10の例について説明する。
図6では、セレクタ10の構成と、セレクタ信号11がLおよびHの各々の場合の接続とを示している。
セレクタ信号11を電源、またはGNDに接続することで、FPGA1へのINOUT1を、INと接続するか、OUT1に接続するかを選択可能となる。セレクタ10の回路は記憶素子を使用していないのでソフトエラーの影響を受けない。また、セレクタ10では、セレクタ信号11をプルアップあるいはプルダウンすることで動作を決定するのでソフトエラーの影響は受けない。
実施の形態3.
本実施の形態では、主に、実施の形態2と異なる点について説明する。
なお、本実施の形態において、実施の形態2と同様の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施の形態では、セレクタ信号11を電源またはGNDに接続するため、FPGAの入出力ピンの数のセレクタ信号11の端子数が必要となり、端子数の増加してしまう。そこで、本実施の形態ではセレクタ信号11をFPGAから設定可能とする。
図7を用いて、本実施の形態に係る処理回路100bについて説明する。
FPGA1、FPGA2、FPGA3、多数決回路5、再コンフィギュレーション回路6、再コンフィギュレーション信号7、入力信号8、出力信号9、エラー信号ERR、セレクタ10、およびセレクタ信号11については、実施の形態2で説明したものと同様である。
本実施の形態では、セレクタ信号11は、複数のFPGAにより設定される。そして、本実施の形態に係る出力判定回路4bは、複数のFPGAにより設定されたセレクタ信号11を決定するセレクタ用多数決回路13を備える。
セレクタ用多数決回路13は、複数のFPGAの各々から、セレクタ10に入力される信号12を取得し、多数決判定を行うことにより複数のFPGAにより設定されたセレクタ信号11を決定する。
信号12は、FPGA1、FPGA2、およびFPGA3の各々から出力される。信号12は、実施の形態2でのセレクタ信号11に相当する信号である。
セレクタ用多数決回路13は、FPGA1、FPGA2、およびFPGA3の各々から出力される信号12を多数決で判定を行う回路である。セレクタ用多数決回路13の回路例は、多数決回路5と同じである。信号12を多数決判定することにより、FPGA1、FPGA2、あるいはFPGA3がソフトエラーの影響を受け、信号12のうちの1つの出力が異常となっても、セレクタ用多数決回路13により正常な信号をセレクタ信号11として出力することが可能である。
実施の形態4.
本実施の形態では、主に、実施の形態1から3と異なる点について説明する。
なお、本実施の形態において、実施の形態1から3と同様の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。
実施の形態1から3では、FPGA1、FPGA2、およびFPGA3の各々は独立したFPGAである。近年では、FPGAの特定のエリアのみについて、再コンフィギュレーションを実施することができるFPGAが開発されている。そこで、本実施の形態では、同一の動作を行う複数のFPGAが、1つのFPGA14に搭載されている処理回路100cについて説明する。
図8を用いて、本実施の形態に係る処理回路100cについて説明する。
図8の処理回路100cでは、同一の動作を行うFPGAを奇数個、1つのFPGA14に構成する。その他の構成については、実施の形態1と同様である。
FPGA1、FPGA2、およびFPGA3を一つのFPGA14で構成することで、複数のFPGAを一つのFPGAで構成することができる。
図8のように構成した場合でも、実施の形態1と同様の効果を奏することができる。また、FPGA1、FPGA2、およびFPGA3を一つのFPGA14で実現する構成を、実施の形態2または3に適用することにより、実施の形態2または3と同様の効果を奏することができる。
実施の形態1から4のうち、複数の部分を組み合わせて実施しても構わない。あるいは、これらの実施の形態のうち、1つの部分を実施しても構わない。その他、これらの実施の形態を、全体としてあるいは部分的に、どのように組み合わせて実施しても構わない。
なお、上述した実施の形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明の範囲、本発明の適用物の範囲、および本発明の用途の範囲を制限することを意図するものではない。上述した実施の形態は、必要に応じて種々の変更が可能である。
1,2,3,14 FPGA、4,4a,4b 出力判定回路、5 多数決回路、6 再コンフィギュレーション回路、7 再コンフィギュレーション信号、8 入力信号、9 出力信号、ERR エラー信号、10 セレクタ、11 セレクタ信号、12 信号、13 セレクタ用多数決回路、100,100a,100b,100c 処理回路。

Claims (5)

  1. ハードウェアの結線により命令を実行するハードワイヤード方式により作成されており、論理情報により動作するFPGA(Field Programmable Gate
    Array)の出力信号を決定する出力判定回路であって、
    同一の動作を行う複数のFPGAの各々の出力が接続され、前記複数のFPGAの出力に対して多数決判定を行うことにより、前記複数のFPGAからの出力を前記出力信号として決定する多数決回路であって、ソフトエラーおよびフリップフロップによるエラーが発生しない論理演算素子のみで構成された多数決回路と、
    前記複数のFPGAの各々の入出力ピンに接続される信号の入出力を切り替えるセレクタであって、論理演算素子のみで構成されたセレクタと
    を備えた出力判定回路。
  2. 前記多数決回路は、
    前記複数のFPGAのうちエラーが発生したFPGAを伝えるエラー信号を出力し、
    前記出力判定回路は、
    前記エラー信号に基づいて、エラーが発生したFPGAに再コンフィギュレーションを実施させる再コンフィギュレーション信号を出力する再コンフィギュレーション回路であって、論理演算素子のみで構成された再コンフィギュレーション回路を備えた請求項1に記載の出力判定回路。
  3. 前記セレクタは、前記複数のFPGAの各々に接続される信号の入出力をセレクタ信号により切り替え、
    前記セレクタ信号は、電源またはGNDに接続され、プルアップまたはプルダウンにより前記複数のFPGAの各々に接続される信号の入出力を切り替える請求項1または請求項2に記載の出力判定回路。
  4. 前記セレクタは、前記複数のFPGAの各々に接続される信号の入出力をセレクタ信号により切り替え、
    前記セレクタ信号は、前記複数のFPGAにより設定され、
    前記出力判定回路は、
    前記複数のFPGAの各々から、前記セレクタに入力される信号を取得し、多数決判定を行うことにより前記複数のFPGAにより設定された前記セレクタ信号を決定するセレクタ用多数決回路を備えた請求項1または請求項2に記載の出力判定回路。
  5. 前記複数のFPGAは、1つのFPGAに搭載されている請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の出力判定回路。
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