RISC-Ｖプロセッサ向けALUとレジスターの３重実装の設計例
Design example of a triple modular redundancy ALU and a register file for RISC-V processors
磯邉 雅人 †渡邊 実 ††渡邊 誠也††
Masato Isobe
Minoru Watanabe
Nobuya Watanabe††岡山大学学術研究院環境生命自然科学学域†岡山大学工学部情報系学科††Okayama University Environmental, life, Natural, Science and Technology† Okayama University Department of Information Technology
あらまし
宇宙空間や原子力発電所などの放射線の強い場所では，プロセッサには放射線に対する耐性が求められる．既存のプロセッサは放射線に対して極めて脆弱であり，強い放射線環境下では急激に劣化し，故障に至る．
そこで我々は放射線に対する耐性を上げるためにプロセッサの三重化実装に取り組んでいる．本稿ではその設計例を示す．
Abstract
Under a strong radiation environment such as space and nuclear power plants, processors must have high-radiation tolerance. Currently available processors
are always weak for radiation and are easily broken by radiation for a short period. Therefore, we have been developing a triple-modular-redundant processor
to increase the radiation tolerance. This poster presents one design example for an Arithmetic Logic Unit (ALU) and a register file.
・研究の背景（Research Background）
・三重化ALU (Triple-modular-redundant ALU)
３重化実装は通常、ソフトエラー対策として用いられるが、ここではトータルドーズ耐性の改善を目的として実装を試みた．
Although TMR is always used for increasing soft-error tolerance, here, inorder to increase the total-ionizing-dose tolerance of a processor, we haveintroduced triple modular redundancy (TMR) for ALU and register file ofthe processor.

・通常のレジスタファイルの設計(Design of a normal register-file)Fig. 5: Triple modular redundant ALU
design.

Fig. 6: RISC-V instruction set.

図5に三重化されたALUのブロック図を示す．２つ同じセルが実装されている以外，通常のALUと同じデザインである．多数決演算は実装しておらず、ALUにライトバックされる時に自動的に多数決が行われるデザインとしている．

Fig. 1: Block diagram of anormal register consisting ofregister cells.

Fig. 2: Block diagram of aregister cell.

Figure 5 shows a triple-modular redundant ALU design. The ALU includes
three ALU units which is same as a normal RISC-V ALU. Although thecalculations on the triple-modular redundant ALU never include any majority
voting operation, the majority voting operation is executed automaticallywhen the calculation result is written back to the register-file.
・三重化レジスタのシミュレーション結果(Simulation result of thetriple-modular-redundancy register-file)

耐放射線設計されていない普通のレジスタファイルのブロック図を図1，図2に示す．この場合，一か所でも故障すれば動作不良に至る．
Figures 1 and 2 show the block diagram of a normal register-file. In theregister-file, if one transistor is broken, the function is down.

・三重化レジスタファイルの設計（Design of a triple modular redundancy
register-file)Fig. 7: Simulation result of the triple-modular-redundancy register-file .implementation
test results.

図7は三重化レジスタのシミュレーション結果である．正しい動作を確認した．
Figure 7 shows the simulation result of the triple-modular-redundancy registerfile. The correct operations could be confirmed.
・三重化ALUのシミュレーション結果（ Simulation result of thetriple-modular-redundant ALU）

Fig. 3: Block diagram of triple
modular redundancy (TMR)
register-file.

Fig. 4: Block diagram of a TMR register cell.

三重化レジスタファイルの設計例を図3，4に示す．三重化レジスタセルは多数決回路、D-flip-flop、セレクタから構成される．1モジュールが故障しても，そのまま継続利用することが可能である．図4にそれらを用いた３重化レジスタファイルのブロック図を示す．
Fig. 8: Simulation result of the triple-modular-redundant ALU.
Figures 3 and 4 show the block diagram of a triple modular redundancy register
file. A triple modular redundant register cell consists of majority voting circuits,flop-flops, and selectors. At every clock cycles, the majority voting operation is 図8は三重化ALUのシミュレーション結果である．正しい動作を確認した．
automatically executed on the circuit. The entire triple modular redundancy
register file was constructed by using the triple modular redundant register
Figure 8 shows the simulation result of the triple-modular-redundant ALU.
cells.
The correct operations could be confirmed.