Sicherstellen der Robustheit in stromsparenden asynchronen Schaltungen

Derzeit werden alle internen Abläufe in so gut wie alle komplexeren digitalen Schaltungen wie z.B. Mikroprozessoren von einem fixen Takt gesteuert, d.h. diese Schaltungen arbeiten synchron. Eine alternative Entwurfsmethodik, das asynchrone Design, bietet, bei entsprechender Optimierung, das Potenzial, die gleiche Funktionalität energieeffizienter, performanter und robuster zu realisieren. Das Projekt ENROL befasst sich genau mit letzterem Aspekt, nämlich der Frage, wie weit asynchrone Designs tatsächlich robuster, im Sinne von toleranter gegenüber einwirkenden Störungen oder sub- optimalen Betriebsbedingungen, sind als synchrone. Zu diesem Zweck wird zunächst für die relevanten existierenden asynchronen Entwurfsmethoden eine formale Modellierung des korrekten Verhaltens der entsprechenden Schaltungen angestrebt. Davon ausgehend sollen weitestgehend vollständig alle möglichen Fehlereffekte erfasst, klassifiziert und mit einer zugehörigen Wahrscheinlichkeit versehen werden. Für jene Fehler, die von der Schaltung letztlich toleriert werden, wird analysiert, auf welchen Mechanismen diese Toleranz beruht. Diese Ergebnisse werden mit jenen für synchrone Schaltungen verglichen, wobei die Hypothese nachgewiesen werden soll, dass asynchrone Schaltungen robuster sind als synchrone; der Unterschied soll auf Basis entsprechender Metriken auch quantifiziert werden. Hierbei werden die theoretischen Überlegungen flankiert von umfangreichen Simulationen und experimentellen Messungen an Prototypen, deren Entwurf ebenfalls Teil des Projektes ist. Auf Basis eines Verständnisses für Wirkmechanismen von Fehlern bzw. für inhärente Fehlertoleranz können dann gezielt Modifikationen bzw. Erweiterungen der asynchronen Schaltungen und Konzepte entwickelt werden, die eine Erhöhung der Robustheit bewirken. Die dafür angedachten Konzepte reichen von technologischen Maßnahmen beim Fertigungsprozess (Geometrie und Anordnung der Transistoren) über Änderungen in der Schaltung bis hin zu Codierung. Während es in der Literatur bisher immer wieder Ansätze für fehlertolerantes asynchrones Design gab, bildet die geplante systematische Vorgangsweise von der Modellierung bis hin zum Experiment, mit einer umfassenden Abdeckung aller relevanten asynchronen Entwurfsmethoden und einem unmittelbaren Vergleich aller Alternativen eine klare Erweiterung des Standes der Technik. Mit den Ergebnissen von ENROL wäre es möglich, die inhärente Stärke des asynchronen Designs bezüglich Robustheit nachzuweisen und noch besser zur Wirkung zu bringen. Dies könnte asynchrone Schaltungen für kritische Applikationen attraktiver zu machen, wo man deren weitere Vorteile wie Energieeffizienz und Performanz ebenfalls zu schätzen wüsste. Langfristig liefert ENROL damit einen Beitrag für den Aufbau von energieeffizienten, schnellen Computern, die dennoch unter Einwirkung von Störungen oder sub-optimalen Betriebsbedingungen zuverlässig arbeiten.

Forschungsprojekt "Ensuring Robustness in Low-Power Asynchronous Circuits (ENROL)" Kurzfassung Computer werden zunehmend auch in Anwendungen eingesetzt, in denen ihr Versagen fatale Konsequenzen haben kann. Sie müssen daher dort in der Lage sein, trotz Einwirkung von Störungen wie elektromagnetischen Feldern oder Strahlung korrekte Ergebnisse zu liefern, also Fehler zu tolerieren. Zur Erreichung dieser Fehlertoleranz in konventionellen synchronen Computern gibt es zahlreiche etablierte Methoden. Vergleichsweise wenig Lösungen gibt es dagegen für asynchrone Computer. Während die traditionellen synchronen Computer stets mit gleicher Geschwindigkeit, vorgegeben durch ihre Taktfrequenz, arbeiten, passen asynchrone Computer ihre Geschwindigkeit an die Anforderungen sowie die Gegebenheiten selbständig dynamisch an. Das macht sie schon vom Prinzip her robuster gegen Störeinflüsse, die das Zeitverhalten betreffen. Zusätzlich haben sie dadurch auch Potenzial, besonders energieeffizient zu arbeiten. Die selben asynchronen Prinzipien findet man auch in "neuromorphen" Computern, die versuchen, das Gehirn zu imitieren, und zum Teil gerade im Bereich der Künstlichen Intelligenz gerne eingesetzt werden. Hauptziel des Projektes ENROL war die systematische Erforschung der Fehleranfälligkeit asynchroner Computer, und darauf aufbauend die Entwicklung vom Mechanismen zur Verbesserung von deren Fehlertoleranz. Das Forscherteam konnte ermitteln, in welcher Form die Robustheit von Grundbausteinen für asynchrone Computer von der Arbeitslast abhängt, wo es besonder empfindliche Bereiche gibt, und zu welchen Zeitpunkten, bezogen auf den Programmablauf, die Empfindlichkeit besonders hoch ist. Die daraus abgeleiteten Methoden zur Erhöhung der Robustheit sind daher sehr zielgerichtet und verursachen nur wenig zusätzlichen Aufwand. Letzteres ist nicht nur deshalb wichtig, damit die Energieeffizienz asynchroner Computer erhalten bleibt, sondern auch deshalb, weil ja jede hinzugefügte Komponente selbst wieder von einer Störung betroffen werden kann. Zum Nachweis der erzielten Verbesserung wurden in Simulationsexperimenten Milliarden von künstlich erzeugten Störungen in asynchrone Computer bzw deren Funktionsblöcke eingebracht und deren Auswirkungen studiert, einmal vor und einmal nach Einfügen der Verbesserungsmaßnahmen. Die dabei beobachtete Verbesserung ist je nach Einzelfall unterschiedlich aber in den meisten Fällen beachtlich. Diese umfangreichen Experimente wiederum waren nur möglich, nachdem das Forscherteam eine geeignete Infrastruktur für die Simulationen geschaffen hatte, die das effiziente Durchspielen umfangreicher Variationen von betrachtetem Computerbaustein, Auslastung, Betriebsbedingungen sowie Störeffekt erlaubte. Bei ihren wissenschaftlichen Untersuchungen war das Forscherteam in Kontakt mit anderen Forschern aus Deutschland, Frankreich und den USA. In Summe hat das Projekt ENROL damit einen wichtigen Beitrag dafür geleistet, die Anwendung asynchroner Computer in sicherheitsrelevanten Anwendungen attraktiver zu machen sodass deren Potenziale auch dort genutzt werden können.