用于计算机系统的非侵入性电源控制技术方案

公开了一种用于容错计算机系统的非侵入性电源控制，在硬件时钟级采用冗余表决。计算机（１１ａ）包括３、４或更多个同时操作的商用中央处理单元（ＣＰＵ）（３２）。到系统存储器（４６）和系统总线（１２）的输出（３３）是通过可在惯用集成电路（３４）中实现的耐辐射门阵列（５０）表决的。连接到表决器（３４）的接口控制（２８）可去除或连接ＣＰＵ（３２）的电源，并调节ＣＰＵ输入（３３ｉ），以防止对部件的破坏，而不需要终止操作程序。在每个ＣＰＵ时钟周期表决写到系统存储器（４６）和从系统存储器（４６）读出的输入和输出（３５）。表决状态和控制电路（３８）“读取”表决状态，并使用硬件和软件控制ＣＰＵ的状态。系统逻辑选择最好的机会，来通过给故障ＣＰＵ（３２）断电再同步所有ＣＰＵ（３２）、或切换到备用计算机（１１ｂ）、复位和重新引导换上的ＣＰＵ（３２），而从检测的故障中恢复。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高性能、容错计算机系统领域。更具体地讲，本专利技术提供了一种对用在计算机中的处理器电源的动态、非侵入性(non-intrusive)控制，在硬件时钟级采用冗余表决(redundant voting)。本专利技术可用于检测和校正计算机中的差错，尤其是远程安装的计算机，比如轨道中的太空飞船上的计算机中的错误。
技术介绍
地球上和太空中的自然辐射环境经常可造成用在计算机中的半导体器件的短期和长期劣化。这种危害对于要求无故障的计算机来说是个问题。除了这些放射影响外，计算机芯片还由于未检测的缺陷和随着时间的发展产生的弱点而经受随机错误。在半导体封装物中微量放射性材料也可能引起故障。当远程环境中的计算机必须长时间运行时，或在这些器件必须长时间无故障运行的地方，尤其需要保护系统免受故障或错误。远程或易损坏环境包括远程石油平台、潜艇、飞机和偏僻场所诸如南极。在地球轨道和地球轨道之外运行的系统尤其易受这种辐射危害。宇宙射线的存在，特别是范艾伦(Van Allen)辐射带附近空间中高能量粒子的存在能够产生称为单事件效应(single event effect，SEE)或单事件干扰(single event upset，SEU)的干扰。地球磁场偏转这些粒子，并且改变它们的能级和属性。地球磁场也捕获从太阳和其它星球向地球行进的带电粒子。一些没有由地球磁场捕获的粒子由该场引向极地附近我们的大气层。这些粒子能够穿透卫星上的电子器件。当高能粒子和γ射线穿透半导体器件时，它们在计算机电路内沉积电荷，并且产生瞬态过程和/或噪声。这个现象能够干扰(upset)存储器电路，并能引起芯片中电路的“死锁(latchup)”。干扰通常可定义为部件的误状态输出。该输出通常可包括一个或多个信号位。死锁是半导体的一种电状态，其中由于高能粒子导致在半导体电路内产生电荷沉积，器件的输出被驱动并保持在饱和态。基于互补金属氧化物半导体结构(CMOS)的器件属于最容易受影响的器件。一个CMOS器件包括同一基底上的两个NPN器件，它们共享相同的P沟道。当漂移电荷在第一个NPN器件中形成电流时，便发生死锁。该电流反馈给另一个NPN器件。如果反馈回路的结果造成该电路增益大于单位增益，该器件连续变动到一个状态，该状态称为死锁。这种状况可造成电源和地之间的短路、局部发热、半导体物质的移动，并能最终毁坏该器件。对器件死锁引起的差错的校正通常包括减小或去掉处理单元或其它部件的电源，以防止可能由死锁状态导致的灾难性破坏。死锁状态的原因可能仅仅是临时干扰。当电源重新加上时，部件可能正常工作。部件的干扰率取决于芯片的结构特征，包括芯片大小和内部电路设计。对于特定部件的干扰率可以从对于商用的、一兆位随机存取存储器芯片(RAM)的每天为10，改变到对于辐射硬化的、一兆位RAM的每2800年为1。辐射硬化部件是被特别设计并构建以抵制辐射损伤的器件。这些器件往往比常规芯片昂贵和慢。它们通常滞后于现有技术水平数年。目前用在地面上的常规应用的计算机芯片通常不受宇宙辐射的成胁。这种免除性是由地球大气层提供的保护。然而，某些地面使用的计算机芯片也受到辐射干扰。从诊断或治疗医学器件发射的辐射能够影响半导体部件。随着器件变得更复杂，来自大气宇宙射线透射的次级和三级粒子将使器件受到干扰。在Catherine Barillot等的、题为《商用空间飞行器异常现象和单事件效应发生的综述(Review of Commercial Spacecraft Anomalies andSingle-Event-Effect Occurrences)》的论文中，描述了自从1975年在太空中已经观察到的干扰事件。追踪并分析了运些事件和它们的起因。给出了数据，该数据示出了在TDRS卫星上遇到的干扰数遵循宇宙射线随太阳周期的调整。Colorado大学的L.D.Akers发表了题为《微处理器技术和单事件干扰易感性(Microprocessor Technology and Single Event UpsetSusceptibility)》的论文。作者指出，当前采用大功率微电路控制空间飞行器各方面的卫星更加易受重离子引起的SEC的损害。他预测低功率和高速度的微器件的出现，加上来自大的太阳耀斑的粒子的可望增加，将导致SEU的更高发生率。他认为小卫星的设计者将需要实现SEU减低技术，以保证未来卫星飞行任务的成功。在NASA主办的出版物中，在1996年2月15日由Allan Johnston所写的题为《单事件效应危险程度分析(Single Event Criticality Analysis)》的文章中，描述了SEU和相关效应，比如由于高能粒子的通过而造成的电子器件的“死锁”。他指出了在系统或子系统级通过检测过电流来克服死锁的困难，过电流是死锁的告警信号。这种困难的出现是因为必须在毫秒级内从受侵害的部件断电。在复杂电路中存在许多不同的死锁路径和电流信号。Johnston报导说，发现于地球上和太空中的辐射环境中的高能量质子和重离子随着它们通过物质会损失能量。这个现象最初是由电离过程引起的。粒子在它们通过电子部件的P-N结时沉积密集的电荷。有些主种电荷将在结触点处被收集。电荷也可以从结外部收集。净效应(net effect)是一个在由粒子所撞击的内部电路节点处的非常短持续时间的电流脉冲。由该电路节点收集的总电荷的大部分发生在约200皮秒(picosecond)内。如果从粒子撞击收集的电荷超过器件转换(例如从非导通状态到导通状态)状态所需的最少电荷，则粒子的通过将干扰或者影响电路。最小或“临界电荷”取决于受撞击的具体器件的设计。由高能离子撞击在集成电路中引起的几种效果为(1)瞬间结果，如单事件干扰和多位干扰，它们可改变内部存储元件的状态，但可被简单地复位到正常操作；(2)替在毁灭性事件，如单事件死锁，除非很快被校正，否则会造成部件毁坏；和(3)单事件硬错误(hard error)，可在复杂电路内部造成单个内部晶体管的毁灭性故障。许多隔离结集成电路包括寄生、双极晶体管，可形成类似于硅控整流器的四层区域。这些双极结构不涉及CMOS器件的正常操作。它们可以由瞬间电流触发。所有的CMOS设计都采用特定的保护带并在输入/输出(I/O)端采用嵌位电路，以防止在标准应用环境中发生死锁。然而，在辐射环境中，瞬间信号不再被限制在I/O端。来自重离子或质子的电流脉中有可能引发CMOS器件内部区域及I/O电路中的死锁。一旦发生死锁，所述四层区域将会切换到导通状态。它将维持在该状态，直到死锁区的电压减小到很低的值。在死锁期间，电流可能非常高。这是对太空系统是一个严重问题。Johnston指出了在系统或子系统级通过检测过电流来克服死锁的困难，过电流是死锁的告警信号，因为必须在毫秒级内将电源从受影响的部件中除去，以避免可能的灾难性危害。在复杂电路中存在许多不同的死锁路径和电流信号。先前设法减轻影响计算机芯片的辐射危害已经获得了各种结果。关于容错计算机的工作主要在高级例如在寄存器级处理差错检测。在IEEE 1984年第152至157页的、C.M.Krishna等的题为《在冗余实时系统中的同步和故障屏蔽(Synchronization and Fa本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非侵入性电源控制设备，包括：多个同步操作运行软件应用程序的中央处理单元（ＣＰＵ）（３２），在所述ＣＰＵ（３２）的每个时钟周期，所述多个ＣＰＵ（３２）中的每一个的每个操作步骤并行完成，并且与所述多个ＣＰＵ（３２）的每一个其它ＣＰＵ的操 作步骤基本上同时进行；所述多个ＣＰＵ（３２）中的每一个具有ＣＰＵ输入（３３ｉ）和一ＣＰＵ输入（３３ｏ）；一表决器（３４），具有表决后输出（３５）；所述表决器（３４）连接到每一个所述多个ＣＰＵ（３２），并接收所述ＣＰＵ输出（３３ｏ）；所述 表决器（３４）采用所述ＣＰＵ输出（３３ｏ）的冗余表决来检测所述多个ＣＰＵ（３２）中任何一个的故障，该故障的ＣＰＵ（３２）与所述多个ＣＰＵ（３２）的多数的输出（３３ｏ）不一致；由所述表决器（３４）在每一个时钟周期一个与另一个地比较每一个所述ＣＰＵ输出（３３ｏ）；一电源总线（２０），用于将电源电压（２４）提供给每一个所述多个ＣＰＵ（３２）；所述电源总线（２０）连接到每一个所述多个ＣＰＵ（３２）；并且，当由所述表决器（３４）在一个受影响的ＣＰＵ（３２）中检测出潜在的破坏性故障时 ，所述电源电压（２４）被从所述受影响的ＣＰＵ（３２）中去除，并且所述ＣＰＵ输入（３３ｉ）被限制给到所述受影响的ＣＰＵ（３２），而不用终止所述运行软件应用程序。...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂芬富克斯，安德鲁J沃德罗普，
申请(专利权)人：通用动力信息系统公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]