（计算机科学与技术专业论文）面向硬件故障的软件容错——模型算法和实验.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 空间计算机是空间信息处理的基础平台，具有重大的战略意义。在空间环境 中，硬件瞬时故障给空间计算机带来的可靠性问题非常突出。使用抗辐照器件可 以提高空间计算机的可靠性，但是抗辐照器件性能非常低，价格非常高，功耗也 很高，不适合用来建造用于科学计算目的的高性能的空间计算机。c o t s 器件性能 很高，价格和功耗都很低，在c o t s 器件上面通过软件技术容忍硬件瞬时故障， 可以提供高可靠、高性能、低成本和低功耗的空间计算机的解决方案。 但是软件对于硬件瞬时故障传播的影响如何，软件容忍硬件瞬时故障的能力 到底如何，这种能力对于系统有什么样的影响，都还没有模型能够描述。软件冗 余在容忍硬件故障的同时，也带来了很大的开销，如何减小这种开销的影响，也 是需要解决的问题。 本文先建立了计算数据流模型，并在计算数据流模型的基础上建立了错误流 模型。通过区分两种不同类型的错误，以及引入的6 条错误传播规则和2 条错误 独立定律，我们计算出了错误流模型中任意数据在任意时刻产生错误的概率。在 此基础上，我们根据容错概念的本质含义，概率化的定义了程序的容错能力。并 分析了程序的容错能力对软件实现的双冗余容错系统的容错能力和性能的影响。 以程序的容错能力为优化目标，我们提出了通过基于错误流分析的等价变换提高 程序的容错能力的概念和方法。其中，我们还在错误流分析的基础上，提出了两 种容错算法的优化方法，明显增加了性能并降低了功耗。 本文的主要创新如下， 1 通过引入原子数据和计算关系的概念，建立了计算数据流模型，描述了存 储单元之间由于计算而形成的时空联系。通过引入原子数据的错误概率函数 和计算关系的错误传播概率函数，在计算数据流模型上建立了错误流模型， 概率化的描述了计算关系传播硬件错误的特性，计算出了任意存储单元在任 意时刻发生错误的概率。最终建立了错误流分析的理论框架。 2 基于错误流分析提出程序容错能力的概念，给出了程序容错能力的计算方 法，提出容忍错误是程序内在属性的观点。并以程序的容错能力为优化目标， 提出了一种不进行任何显式的冗余，而仅通过基于错误流分析的等价变换就 能提高程序容错能力的方法。并且应用错误流分析，描述了构建双冗余容错 系统的方法，分析了提高单个软件副本的容错能力会给双冗余容错系统带来 的影响。 3 提出对于程序容错能力具有关键影响的错误流关键子图的概念，基于错误 流分析分别给出了由关键结点和关键路径生成错误流关键子图的方法。并且 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 提出一种仅复制错误流关键子图的部分冗余容错算法，和e d d i 算法相比， 部分冗余容错算法在损失很小的错误覆盖率的情况下，能够提高i p c 性能 1 0 ，减少执行时间1 5 ，减小能量消耗1 0 。 4 通过分析e d d i 算法由于插入的分支指令而造成的性能和功耗损失，提出 了一种通过附加计算减少分支指令数量的错误流压缩算法，和e d d i 算法相 比，错误流压缩算法在增加很小的错误延迟的情况下，能够提高性能1 2 ， 减少执行时间1 0 ，减小能量消耗5 。 主题词：面向硬件故障的软件容错，c o t s 器件，空间计算机，错误流模 型，错误流分析，容错能力， 错误流关键子图，错误流压缩算法，部分冗 余算法， 无冗余容错编译，软件实现的双冗余容错系统 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t o n b o a r dc o m p u t e r sa r ev e r yi m p o r t a n tt oi n f o r m a t i o np r o c e s s i n gi ns p a c e i ns p a c e e n v i r o n m e n t s ，t r a n s i e n th a r d w a r ef a u l t sb r i n gg r e a ti m p a c t so no n b o a r dc o m p u t e r s r a d i a t i o nh a r d e n e dc o m p o n e n t sc a ni m p r o v es y s t e mr e l i a b i l i t y ，b u tt h e i rp e r f o r m a n c e l a gs e v e r a lg e n e r a t i o n sb e h i n dc o t sc o m p o n e n t s r a d i a t i o nh a r d e n e dc o m p o n e n t sa r e v e r ye x p e n s i v ed u et ot h e i rr a r ea v a i l a b i l i t y ，a n dt h e yo f t e nc o n s u m em o r ep o w e r ，t a k e u pm o r es p a c ea n dw e i g h th e a v i e r t h e ya r en o ts u i t a b l et ob u i l dl a j 曲p e r f o r m a n c e s p a c ec o m p u t e r s c o m p a r e d 晰t 1 1r a d i a t i o nh a r d e n e dc o m p o n e n t s ，c o t sc o m p o n e n t s h a v ev e r yh i g hp e r f o r m a n c e ，l o w e rp r i c ea n dl o w e rp o w e rd i s s i p a t i o n s s o f t w a r e i m p l e m e n t e dh a r d w a r e f a u l tt o l e r a n c eo nc o t sc o m p o n e n t sc a np r o v i d es p a c e c o m p u t e r sw i t l lh i g hr e l i a b i l i t y ，k g hp e r f o r m a n c e ，l o wc o s ta n dl o wp o w e rd i s s i p a t i o n s b u tt h e r es t i l lr e m a i np r o b l e m s t h ep r o b l e m si n c l u d eh o wd oh a r d w a r ef a u l t s p r o p a g a t ew i t h i ns o f t w a r e ，h o wi st h ef a u l tt o l e r a n c ec a p a b i l i t yo fs o f t w a r em e a s u r e d ， a n dw h a te f f e c t sc a ni tb r i n gt os y s t e mr e l i a b i l i t y a n dt h e r ei sg r e a to v e r h e a di fw eu s e s o f t w a r et ot o l e r a n t eh a r d w a r ef a u l t s ，h o wt om i n i m i z et h i so v e r h e a di ss t i l lap r o b l e m i nt h i sp a p e r ，w ef i r s ts e t u pc o m p u t a t i o n a ld a t af l o wm o d e l ，b a s e do nw h a tw e s e t u pe r r o rf l o wm o d e l b yc a t e g o r i z i n ge r r o r si n t ot w ok i n d s ，i n t r o d u c i n g6r u l e so f e r r o rp r o p a g a t i o na n d2e r r o ri n d e p e n d e n c er u l e s ，w ec a ng e te r r o rp r o b i l i t yo fa n yd a t a a ta n yt i m e a c c o r d i n gt ot h ec o n c e p to ff a u l tt o l e r a n c e ，w ed e f i n e dt h ef a u l tt o l e r a n c e c a p a b i l i t yo fap r o g r a m w ea n a l y z e dt h ec o n s e q u e n c e st h ef a u l tt o l e r a n c eo fap r o g r a m c a nb r i n gt ot h ef a u l tt o l e r a n c ea n dp e r f o r m a n c eo fas y s t e m t a k ef a u l tt o l e r a n c e c a p a b i l i t ya sat a r g e lw es u g g e s t e dt h a tb ye q u i v a l e n tt r a n s f o r m a t i o nb a s e do ne r r o r f l o wa n a l y s e sw ec a ni m p r o v et h ef a u l tt o l e r a n c ec a p a b i l i t yo fap r o g r a md u r i n g c o m p i l i n gt i m e f i n a l l y ，w eg i v et w oo p t i m i z e df a u l tt o l e r a n c ea l g o r i t h m sw h i c hc a n i m p r o v ep e r f o r m a n c ea n dr e d u c ep o w e rd i s s i p a t i o n sa tt h es a m et i m e o u rm a j o rc o n t r i b u t i o n sc a r lb ec o n c l u d e di n t o5a s p e c t sa sb e l o w , 1 w ed e f m e dc o n c e p t so fa t o m i cd a t aa n dc o m p u t a t i o n a lr e l a t i o n st od e s c r i b e r e l a t i o n sb e t w e e n r e g i s t e r s o r s t o r a g eu n i t s ，w h i c h a r ea f f e c t e d b y c o m p u t a t i o n si np r o g r a m s w es e t u pt h em o d e lo fc o m p u t a t i o n a ld a t af l o w w ed e f m e de r r o rp r o b a b i l i t yf u n c t i o no fa t o m i cd a t aa n de r r o rp r o p a g a t i o n p r o b a b i l i t yf u n c t i o no fc o m p u t a t i o n a lr e l a t i o n s ，诵t l lw h i c hw es e t u pt h ee r r o r f l o wm o d e lo nt o po fc o m p u t a t i o n a ld a t af l o wm o d e l e r r o rf l o wm o d e l d e s c r i b e dh o we r r o r s p r o p a g a t et h r o u g h c o m p u t a t i o n a l r e l a t i o n si na p r o b a b i l i t yw a y b ya n a l y s e so ne r r o rf l o wm o d e l ，w ec a l lc o m p u t et h ee r r o r p r o b a b i l i t yo fa n yr e g i s t e r so ra n yo t h e rs t o r a g eu n i ta ta n yt i m e f i n a l l yw e s e t u pat h e o r yf r a m e w o r ko fe r r o rf l o wa n a l y s e s 2 t om e a s u r et h ec a p a b i l i t yo fap r o g r a m sf a u l tt o l e r a n c e ，w ed e f i n e dac o n c e p t 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 o ff a u l tt o l e r a n c ec a p a b i l i t yb a s e d0 1 1e r r o rf l o wa n a l y s e s ，g i v eam e t h o do f e r r o rf l o wa n a y s e st oc a l c u l a t ef a u l tt o l e r a n c ec a p a b i l i t yo fa n yp r o g r a m a n d w es u g g e s t e dam e t h o dt oi m p r o v eap r o g r a m sf a u l tt o l e r a n c ec a p a b i l i t yb y e r r o rf l o wa n a l y s e sa n de q u i v a l e n tt r a n s f o r m a t i o n ，w i t h o ma n ye x p l i c i t r e d u n d a n c y f i n a l l yw ea p p l i e de r r o rf l o wa n a l y s e st od e s c r i b et h em e t h o dt o b u i l dad o u b l er e d u d a n c yf a u l tt o l e r a n ts y s t e m ，a n dd e s c r i b et h ee f f e c t so na d o u b l er e d u d a n c yf a u l tt o l e r a n ts y s t e mi fw ei m p r o v eas i n g l ep r o g r a m r e p l i c a sf a u l tt o l e r a n tc a p a b i l i t y 3 w es u g g e s tt h ec o n c e p to fk e ys u b g r a p ho fe r r o rf l o wg r a p h ，w h i c hh a sc r i t i c a l e f f e t c so nap r o g r a m sf a u l tt o l e r a n c ec a p a b i l i t y ，a n dg i v et h em e t h o d st o g e n e r a t ek e ys u b g r a p hf r o mk e yn o d e so rk e yp a t h s a n dw es u g g e s tap a r t i a l r e d u n d a n c yf a u l tt o l e r a n c ea l g o r i t h mb yo n l yr e p l i c a t i n gk e ys u b g r a p hi n s t e a d o fw h o l ee r r o rf l o wg r a p h c o m p a r e d 晰t 1 1e d d i ，p a r t i a lr e d u n d a n c yc a n i m p r o v ei p cb y10 ，r e d u c ee x e c u t i o nt i m eb y 15 ，a n dr e d u c ep o w e r d i s s i p a t i o n sb y10 ，a ta c o s to fv e r yl i t t l el o s so fe r r o rc o m v e r a g e 4 b a s e do ne r r o rf l o wa n a l y s e s ，w es u g g e s te r r o rf l o wc o m p r e s s i n ga l g o r i t h mt o r e d u c eb r a n c hi n s t r u c t i o n si n s e r t e d i ne d d ia l g o r i t h m , w h i c hh a v eg r e a t i m p a c t so np e r f o r m a n c ea n dp o w e rd i s s i p a t i o n s c o m p a r e d 谢t 1 1e d d i 。e r r o r f l o wc o m p r e s s i n ga l g o r i t h mc a ni m p r o v ei p cb y12 ，r e d u c ee x e c u t i o nt i m e b y10 ，r e d u c ep o w e rd i s s i p a t i o n sb y5 ，a tac o s to fv e r yl i t t l ei n c r e a s e m e n t o fe r r o rl a t e n c y k e yw o r d s ：s i h f t ，c o t s 。s p a c ec o m p u t e r ，e r r o rf l o wm o d e l ，e r r o r f l o wa n a l y s e s ，f a u l tt o l e r a n c ec a p a b i l i t y ，k e ys u b g r a p ho fe r r o rf l o w 。 e r r o rf l o w c o m p r e s s i n ga l g o r i t h m ，p a r t i a lr e d u d a n c ya l g o r i t h m ， n o n - r e d u n d a n c yf a u l tt o l e r a n c ec o m p i l a t i o n ，d o u b l er e d u d a n c yf a u l t t o l e r a n c es y s t e m 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表1 1 典型粒子在空气中的吸收距离。6 表1 2 抗辐照器件和c o t s 器件的对比9 表3 1 错误流压缩算法的指令特性6 2 表3 2b p l ( n ) 6 4 表3 36 0 ，帕6 4 表3 4 部分冗余算法的指令特性7 0 表附1模拟器配置1 17 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图 图 图 图 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图 图 图 图 1 2 7 8 9 1 0 图2 11 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图2 1 9 图目录 雨燕( s w i f t ) 观测卫星2 机遇号在火星表面3 通讯带宽的发展4 高能带电粒子轰击p n 结5 范艾伦辐射带5 大气层中的宇宙射线5 抗辐照微处理器和c o t s 微处理器的性能对比。1 0 s c c 和o s c 11 故障延迟，错误延迟和容错延迟。1 3 在不同程序中注入错误( 一) 2 0 在微处理器的不同部件中注入错误2 0 在不同程序中注入错误( 二) 2 1 原子计算和计算关系。2 7 分支指令。2 8 全局变量声明2 9 m a i n ( p ) 主函数2 9 b u i l d ( g ，6 护皿p 伽) 函数3 0 u r m 存储单元示意图3 2 计算砷的u r m 程序3 2 计算x + y 的u r m 程序流图3 2 计算川的u r m 计算数据流图3 3 计算计y 的u r m 错误流图3 3 独立定律1 3 5 独立定律2 3 5 一元计算3 6 二元计算3 9 起始结点和终止结点4 5 完全关键子图生成算法f u u ( g ，v o ) 4 8 部分关键子图生成算法p a r t ( g ，c h o o s e ) 4 9 从关键结点生成关键子图4 9 完全关键子图生成算法砌以g ，d 5 0 第1 v 页 j 2 3 4 5 石7 名9 j l，lllll，ll 图图图图图图图图图图 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图2 2 0 图2 2 l 图2 2 2 图2 2 3 图2 2 4 图3 1 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图 图 图 图 9 图附1 部分关键子图生成算法p a r t ( g ，z ，c h o o s e ) 51 从关键路径生成关键子图51 错误流子图的复制算法c o p y ( g ，g ) 。5 2 复制后的完全关键子图5 2 复制后的部分关键子图5 3 e d d i 算法的执行时间开销5 5 e d d i 算法5 8 e d d i 算法的错误流图5 8 e d d i 算法的模拟试验开销5 9 错误流压缩算法c o m p r e s s ( g ) 6 0 错误流压缩算法的错误流图6 1 错误流压缩算法实验结果( 一) 6 5 错误流压缩算法实验结果( 二) 6 6 错误流压缩算法实验结果( 三) 6 7 错误流压缩算法实验结果( 四) 6 7 部分冗余算法p a r t c o p y ( g ，e v a l u a t e ) 6 9 部分冗余算法的错误流图6 9 部分冗余算法的实验结果7 1 计算口( 6 + 力的程序尸l 。7 2 程序尸l 的错误流图g l 7 2 计算动+ 口c 的程序尸2 7 2 程序尸2 的错误流图g 2 7 2 二元计算7 2 软件副本7 7 双冗余容错系统的模型7 7 双冗余容错系统的运行控制算法d o u b l e ( a 固7 8 实验流程图1 18 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题良盈鱼礁缉垫哮鱼童墼耸壅盟二壅兰! 窒堕秽疆 学位论文作者签名：；舀迈日期：2 p 口6 年口月彦日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：壹鱼卿垫孽鱼皇堑燃二捷些：蔓这盘宴骖 学位论文作者签名：量选 作者指导教师签名：竞 ， 乡 v j 日期：2 矽夕6 年o 月矿日 日期：p d 6 年p 月7 日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 在上个世纪七十年代末美国终止阿波罗登月计划【l o 】以后，空间探测进入了一 段相对沉寂的状态。随着本世纪初美国恢复载人登月计划卜5 】和启动载人登陆火星 计划1 6 j ，尤其是在我国历史性的实现载人航天，并启动了探月的嫦娥计划【7 】以后， 世界范围内的空间探测热潮又再度兴起。和上个世纪七十年代美苏两个超级大国 之间浓厚的军备竞赛背景不同，当今空间探测的目的趋于理性，逐步回归到为科 学、经济和社会服务的宗旨上来。 随着空间科学探索的深入，空间探测对于高性能计算的需求不断增加，需要 在空间探测器上配备高性能空间计算机。在基于c o t s 器件的空间计算机上通过 软件实现面向硬件故障的容错，可以通过软件技术容忍宇宙射线在空间计算机中 引起的硬件瞬时故障，能够提供高可靠、高性能、低成本和低功耗的空间计算机 解决方案。但是软件本身是如何传播硬件故障的? 软件容忍硬件故障的能力到底 如何? 这种能力对于系统有什么样影响? 对于这方面的研究都还很不充分。而且 通过软件来容忍硬件故障会带来较大的软件运行开销，如何减小这种开销，也是 一个亟待研究的问题。 1 1 1 高性能的空间计算机 在本节中，我们分别从空间高性能计算的需求和通讯带宽的限制出发，论述 了给空间探测器配备高性能的空间计算机的需求。 1 1 1 1 空间高性能计算的需求 随着空间探测活动的扩展和深入，空间探测计划被赋予越来越丰富的科学实 验任务，有时一个探测器常常要肩负多项科学探测任务，携带多种探测仪器。空 间探测器执行的科学任务越复杂，对高性能计算能力的需求就越迫切。许多正在 开展或者即将开展的太空探测计划，都需要高性能计算能力来处理日益庞大的探 测数据，完成复杂的科学探测任务。 n a s a 的g l a s t ( g a m m a - m yl a r g ea r e as p a c et e l e s c o p e ) s - l o 】项目被设计用 来观测宇宙深处的伽马射线暴( g a m m ar a yb u r s t ) 。伽马射线暴的能量十分巨大， 在不到一秒的时间里所释放的能量相当于银河系里所有恒星在一年里所释放的总 能量。伽马射线暴为研究宇宙的起源提供了很好的证据。余晖观测对研究伽马射 线暴非常重要。余晖通常发生在伽马射线暴发生的一秒到几秒之后，由于伽马射 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 线无法穿透大气层，所以传统的方法是等待卫星收集的大量数据传送回地面，在 地面经过分析数据后，得到伽马射线暴的方位，然后再由地面指挥空间的观测卫 星和地面的射电望远镜，对准伽马射线暴的方位进行余晖观测。然而这种非实时 性的观测不能达到要求，往往等到地面分析出伽马射线暴的方位之后，余晖已经 开始或者刚刚结束。在2 0 0 4 年1 1 月2 0 日发射的雨燕( s w i f t ) 【1 1 】观测卫星本身就 携带有高性能的计算单元，能够实时的处理收集到的伽马射线暴信息，可以在伽 马射线暴发生后立即确定其方位，并自动调整观测角度，拍摄余晖照片。雨燕观 测卫星是第一个可以自动跟踪伽马射线爆的人造卫星。雨燕观测卫星所拍摄的第 一幅伽马射线暴余晖的照片刊登在了2 0 0 5 年1 0 月6 日出版的英国自然( n a t u r e ) u z j 杂志的封面上。g l a s t 是比雨燕更为先进的伽马射线暴观测计划。n a s a 预计， 在g l a s t 计划中，每秒将产生5 1 0 m b 的原始观测数据，需要至少5 0 m i p s 的计 算能力才能够实时的定位伽马射线暴的方位【1 3 】。这些计算需求主要来源于对原始 观测数据的处理和实时分析。 图1 1 雨燕( s w i f t ) 观测卫星 n a s a 的n g s t ( n e x tg e n e r a t i o ns p a c et e l e s c o p e ) b 4 - 1 s 】项目是计划用来替代 哈勃太空望远镜( h u b b l es p a c et e l e s c o p e ) 【1 9 】的下一代空间望远镜。n g s t 使用高 分辨率的数字成像技术，大量的数字图像信息需要进行预处理，比如压缩原始的 数字图像，以及大量的二维快速傅立叶变换等。n a s a 预计n g s t 产生的数据将 超过5 0 m b s 【l3 ，这些数据需要实时的进行压缩、存储以及必要的图像处理和变换 等操作，这都需要高性能的计算能力。 n a s a 的a m r s ( a u t o n o m o u sm a r sr o v e rs c i e n c e ) 2 0 - z 5 1 项目的目标是研制能 够在火星上自主导航和分析岩石样本的火星车。由于火星距离地球非常遥远，最 远时电磁波需要4 0 分钟才能从地球往返火星，巨大的通讯延迟要求火星车必须实 现高度的自主导航，而不能依赖地面的遥控。复杂的路面信息收集、分析和判断 需要实时的高性能计算能力才能满足需求。至于岩石和其他地理样本的物理性质 和化学成分分析等也都需要使用高性能的计算。n a s a 已经计划将人类送上火星， 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 在将人类送上火星之前，n a s a 还要再发射若干科学探测能力更强大的火星车到 火星表面进行探测，寻找水的痕迹以及执行其他相关的任务。火星探路者( m a r s e x p l o r a t i o nr o v e r ) 计划中两个火星车勇气号( s p i r i t ) 和机遇号( o p p o r t u n i t y ) 已 经成功地在火星上运行了超过3 0 个月的时间，是原计划3 个月的十多倍【2 6 】，这和 火星车上应用的大量容错技术不无关系。它们为地球上的科学家们发回了大量超 过预想的高质量图像和其他信息。图1 2 显示机遇号火星车在火星表面的画面。 图1 2 机遇号在火星表面 n a s a 的o t i s ( o r b i t i n gt h e r m a li m a g i n gs p e c t r o m e t e r ) 【1 3 1 项目的探测器在极 地轨道上运行，拥有6 4 个1 2 位的数字高分辨率温度传感器，分辨率达到3 0 米。 o t i s 所产生的数据量约为3 0 m b s 1 3 】。针对每个像素点，o t i s 都要计算它的温度 值，从而绘制出地面的温度图像。这对空间高性能计算能力的需求也非常大。 许多其它n a s a 的项目包括s t e r e o ( s o l a rt e r r e s t r i a lr e l a t i o n so b s e r v a t o r y ) 【2 7 1 ，p h o e n i xm a r sl a n d e r 2 睨9 】等，都会产生大量的实时数据，并需要进行实时的 处理。事实上，未来肩负更复杂科学探测任务的空间探测器，对于高性能的空间 计算机的需求会越来越大。 随着国际空间技术竞争的加剧，我国要想在空间技术上有所作为，必须大力 进行科学探测和研究。包括将要发射的绕月卫星和未来可能登陆月球的月球车， 在探测过程中都会产生大量的数据并需要进行实时的处理，这些都离不开空间高 性能计算的支持。 1 1 1 2 通讯的限制 远距离无线通讯的发展难以跟上空间探测发展的需求。在图1 3 中，两条直线 表示摩尔定律的增长速度，实折线表示微波通讯带宽的发展速度，虚折线表示激 光通讯带宽的发展速度。我们可以看到，不论是采用微波还是激光通讯，通讯带 宽的发展都远远落后于摩尔定律【l3 1 。由于受到通讯带宽和通讯延迟的限制，未来 肩负科学任务的空间探测器不可能把获取的大量原始数据全部传送回地面处理。 例如传输没有经过压缩的高分辨率原始遥感图像需要超过l o m b s 的带宽，而这样 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 的带宽在远距离空间探测中通常是很难达到的；至于在遥远火星表面上执行探测 任务的火星车，更不能等待地面的遥控，因为地面看到的至少是2 0 分钟以前的情 况。可见，将空间探测器获得的大量原始数据全部发送回地面处理是很不现实的。 解决通讯带宽和通讯延迟的方法就是给空间探测器配备高性能的空间计算 机，先将大量的原始数据进行处理后，只把分析的结果传送回地面，而不是传送 原始数据【13 1 ，这样才能有效减少科学任务对通讯带宽的需求，为飞行测控留下充 裕的通讯带宽：也只有通过实时的科学计算，处在遥远空间中的探测器才能进行 更为智能的自主控制，对复杂的空间环境做出正确和及时的反应。这种方案已经 被n a s a 等机构验证并正在应用。 图1 3 通讯带宽的发展 1 1 2 空间应用对空间计算机的制约因素 除了通讯带宽的限制外，由于空间应用环境比较特殊，给空间计算机的可靠 性、成本和功耗等问题也都提出了特殊的要求。 1 1 2 1 空间环境对空间计算机可靠性的影响 在空间环境中进行计算遇到的最主要困难就是宇宙射线辐射的影响。 我们知道，在半导体电路中通过保持或者释放一定的电量来表示逻辑上的1 和0 。但是由于各种电子噪声的影响，比如说不稳定的电源电压、闪电和宇宙射线 等 3 0 l 的影响，都有可能导致半导体电路中的p n 结产生瞬时充放电，使其中存储的 电量发生移动，导致信息发生逻辑状态上的翻转，比如原先存储的l 翻转成0 。 在太空中，导致这种状态翻转的主要因素是宇宙射线辐射。这种由于宇宙射 线辐射而导致逻辑状态翻转的瞬时故障被称为s e u ( s i n g l ee v e n tu p s e t ) 3n - 4 9 特 别的，如果一次引起多位信息的翻转，那么也可以称作m b u ( m u l t i p l eb i t su p s e t ) 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 5 0 4 7 】。在大气层内外，都普遍存在宇宙射线辐射的影响。宇宙射线由各种高能带 屯粒子组成，比如高能质子流和阿耳法射线等。这些高速运动的带电粒子穿透能 力很强，当某个带电粒子轰击到半导体电路中，就会在很短的距离上引起半导体 内部电荷的瞬时运动，从而引起充放电，改变在半导体p h i 节中存储的电量，从而 改变数据的逻辑状态。带电粒子轰击p n 结的情景如图1 4 所示。 c h a r g e 图1 4 高能带电粒子轰击p n 结图1 5 范艾伦辐射带 图1 6 大气层中的宇宙射线 到达地球大气层边缘的宇宙射线的密度大约是1 , 6 0 0 m 2 j ，其中9 2 是带正 电的质子，6 是阿耳法粒子( 两个质子和两个中子组成的粒子) ，其余的都是较 重的粒子1 5 8 】。这些粒子的能量大都远远超过1 g e v 。由于和大气中的原子核相互作 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 用，在这些高能宇宙射线的轰击下，产生了大量的第二代和第三代粒子流，在大 约1 2 0 0 0 米的高度，宇宙射线的密度增加为1 , 0 0 0 ，0 0 0 m 2 s ，约合1 0 0 c m 2 s s s 】， 其中大部分粒子的能量已经衰减很多。由于大气层对宇宙射线的持续吸收作用， 在靠近地面的大气层以内，宇宙射线的强度随高度减小而成指数规律衰减。在海 平面的高度上，宇宙射线的密度降低为小于i c m 2 s ，大约是3 6 0 m 2 j 【5 引。大气 层中宇宙射线的分布如图1 6 所示。 在大气层外，电子设备就完全暴露在宇宙射线的辐射之下。由于还受到地球 磁场等因素的影响，外层空间中宇宙射线并非均匀分布。外太空的宇宙射线主要 有三个来源：太阳风，范艾伦辐射带和深空辐射【5 9 1 。太阳风是太阳内部核聚变反 应放射出来的高能粒子流，呈现以1 1 年为周期的活动规律。在太阳活动极大年 ( s o l a rm a x ) 期间，太阳风的强度急剧增加，地球轨道上的卫星也会受到很大影 响甚至损坏，地面的通讯和供电也会受到影响甚至中断。地球磁场捕获太阳风中 的高能粒子，在地球周围组成了范艾伦带，分为内带( i n n e rb e l t ) 和外带( o u t e rb e l t ) 两个区域，如图1 5 所示。人造地球卫星的轨道通常避开这两个区域，分别位于这 两个区域的内部、中间和外部，也就是低地球轨道( l e o ) 、中地球轨道( o ) 和地球同步轨道( g e o ) 。而深空辐射包含了能量更高的辐射，比如伽马射线暴 ( g a m m ar a yb u r s t ) 等，脱离地球磁场保护的探测器都会受到这些超高能射线的 影响。 高能粒子流在大气层中传播时由于和空气分子相互作用会产生衰减，可以根 据式( 1 1 ) 计算密度为，的粒子流从海拔高度a 传播到海拔高度a ：后的密度，：【5 引， 纠e 文华) 表1 1 典型粒子在空气中的吸收距离 粒子名称吸收距离 电子( e l e c t r o n s ) l o o g c m 2 质子( p r o t o n s )1l o g c m 2 中子( n e u t r o n s ) 1 4 8 9 c m 2 介子( m u o n s ) 5 2 0 9 c m 2 式( 1 1 ) 中海拔高度a 。和a ：的单位都使用g c m 2 ，实际上就是使用大气压来 表示相应的海拔高度；工是相应粒子在空气中的吸收距离，如果使用单位g c m 2 表 示，那么对于每一种粒子来说工都是一个常数，几种典型粒子的吸收距离已经列 第6 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 在表1 1 中。可以使用式( 1 2 ) ： 8 g c m 2 表示的海拔高度转换为英尺【5 8 1 ，其中h 的单位是英尺，彳的单位是g c m 2 ， a = 1 0 3 3 0 0 3 6