【Imagination】2024分布式功能安全的创新与突破白皮书_15页_1mb

分布式功能安全的创新与突破总结

核心内容

本白皮书由Imagination Technologies首席研究员Dan Wilkinson撰写，聚焦于硬件功能安全领域的创新，旨在为需要达到ASIL-B安全等级的处理核提供更高效、低开销的解决方案。该技术不仅适用于汽车领域，还可推广至工业环境和超大规模计算系统中。

主要观点

• ASIL-B与ASIL-D的区别：

  • ASIL-B要求较低，通常可以依赖驾驶员控制来应对故障，因此其故障检测要求相对宽松。
  • ASIL-D则要求极高的可靠性，通常采用复制冗余（如DCLS）方法，但该方法在面积和功耗上开销较大。

• 传统方法的不足：

  • DCLS（双核锁步）：需要复制整个处理核，导致面积和功耗显著增加。
  • 执行两次方法：虽然有效，但会带来运行时间的翻倍，影响性能。
  • 主观论证：依赖于对未覆盖部分的假设，缺乏明确的硬性保障，存在风险。

• 分布式安全机制（DSMs）的创新：

  • DSM不依赖于重复执行工作负载，而是通过在处理核的不同部分部署安全机制来实现故障检测。
  • 该方法能够实现故障定位，是传统方法所不具备的。

关键信息

分布式安全机制（DSMs）概述

DSMs是一种硬件或硬件辅助的机制，用于检测硅设备中的硬件错误。其核心思想是将安全检测分布到处理核的不同功能单元中，从而在不显著影响性能、功耗和面积的前提下实现高覆盖率的故障检测。

安全对（Safety Pairs）与空闲周期盗用（ICS）

• 安全对：通过将相同电路实例配对，运行测试向量并比较输出，以检测故障。
• 空闲周期盗用：利用处理单元在任务模式下的空闲周期，执行测试向量以检测故障，从而避免影响任务执行。

测试向量的生成与执行

• 使用**线性反馈移位寄存器（LFSR）**或类似技术生成测试向量，以减少存储开销。
• 为确保在100毫秒的时间窗口内完成所有测试，Imagination设计了强制空闲周期机制，以确保测试向量的执行。

分布式安全机制的ADP优势

ADP（面积-延迟-功耗乘积）是衡量PPA（功耗-性能-面积）的指标。Imagination提出的DSMs在ADP方面显著优于传统方法。

• CPU：采用DSMs可实现50%以上的面积节省，同时功耗和延迟开销也显著降低。
• GPU：虽然面积略有增加，但运行时间减少近一半，功耗也降低至1/3左右。

其他安全机制

• 精确复制：适用于面积和功耗较小的功能，如关键固件模块，可确保每周期进行结果比较。
• 近似计算：通过使用低精度电路验证高精度电路，以降低功耗和面积，但需权衡故障检测能力。

结论

Imagination提出的分布式安全机制（DSMs）为实现ASIL-B级别的功能安全提供了一种更智能、更高效的解决方案。相比传统的DCLS或WGP方法，DSMs在面积、功耗和运行时间方面都有显著优化，同时具备故障定位能力，能够更精准地检测和报告错误。该方法不仅适用于汽车领域，也适用于工业和超大规模计算系统，具有广泛的应用前景。

此外，DSMs还为实现混合关键性系统和高可用性ASIL-D设备提供了可行的技术路径，减少了对复杂软件测试库的依赖，从而降低了系统集成成本。