Development of computer system components in critical applications: problems, their origins and solutions

Abstract

The article is devoted to analysis of problems of the computer system development in the domain of critical applications. The main trends of this development were highlighted, which consisted in increased demands for performance based on parallelization of calculations, processing of approximate data and ensuring functional safety in accordance with the need for structuring for parallelism and fuzziness of the natural world, as well as with increased responsibility in decisions made. Analysis of problems encountered in implementation of existing solutions was carried out. There was a lag behind theories limited by the model of exact data from the practice of processing approximate data for modern systems receiving initial data from sensors, including safety-related systems. The problems of matrix structures, which underlie the design of modern computer systems and demonstrate low efficiency in performance and power consumption, as well as in providing functional safety, important for critical applications, are disclosed. The application of fault-tolerant solutions as the basis of functional safety and distrust of these solutions, which is manifested in the practice of using dangerous imitation modes, were noted. They recreate emergency conditions to improve the checkability in solving the problem of hidden faults, since a fault-tolerant solution does not become fail-safe when there is a shortage of checkability. An analysis was given to the sources of the problems considered and the possibilities of solving them from the point of view of a resource-based approach, which identifies the problem of hidden faults as a challenge of growth with a lag of components from the development of the system. The role of matrix structures in the backlog of components and the need to solve the problem by repeating the version redundancy for these structures are shown. Method of introduction of version redundancy into matrix structure on the basis of strongly connected versions for solution of problems of fault tolerance and checkability in complex is proposed. The effectiveness of the method is estimated on an example of the iterative array multiplier using its software model.

Стаття присвячена аналізу проблем розвитку комп'ютерних систем в домені критичних додатків. Виділено основні тренди цього розвитку, які полягають в підвищених запитах до продуктивності на основі розпаралелювання обчислень, до обробки наближених даних і забезпечення функціональної безпеки відповідно до необхідності структурування під паралелізм і наближеність природного світу, а також до підвищення відповідальності щодо прийнятих рішень. Проведено аналіз проблем, що виникають при реалізації існуючих рішень. Відзначено відставання теорій, обмежених моделлю точних даних, від практики в обробці наближених даних для сучасних систем, які отримують вихідні дані від датчиків, включаючи системи критичного застосування. Розкрито проблеми матричних структур, які лежать в основі проектування сучасних комп'ютерних систем і демонструють низьку ефективність у продуктивності та енергоспоживанні, а також у забезпеченні функціональної безпеки, важливої для критичних додатків. Відзначено застосування відмовостійких рішень як основи функціональної безпеки і недовіру до цих рішень, яке проявляється в практиці використання небезпечних імітаційних режимів. Вони відтворюють аварійні умови для підвищення контролепридатності у вирішенні проблеми прихованих несправностей, оскільки відмовостійке рішення не стає відмовобезпечним при дефіциті контролепридатності. Дан аналіз джерел розглянутих проблем і можливостей їх вирішення з позиції ресурсного підходу, який ідентифікує проблему прихованих несправностей як проблему зростання з відставанням компонентів від розвитку системи. Показана роль матричних структур у відставанні компонентів і необхідність вирішення проблеми шляхом розвитку версійної надмірності для цих структур. Запропоновано метод введення версійної надмірності в матричну структуру на основі сильно пов'язаних версій для вирішення проблем відмовостійкості та контролепридатності в комплексі. Ефективність методу оцінена на прикладі матричного помножувача з використанням його програмної моделі.

Статья посвящена анализу проблем развития компьютерных систем в домене критических приложений. Выделены основные тренды этого развития, заключающиеся в повышенных запросах к производительности на основе распараллеливания вычислений, к обработке приближенных данных и обеспечению функциональной безопасности в соответствии с необходимостью структурирования под параллелизм и приближенность естественного мира, а также с повышением ответственности в принимаемых решениях. Проведен анализ проблем, возникающих при реализации существующих решений. Отмечено отставание теорий, ограниченных моделью точных данных, от практики в обработке приближенных данных для современных систем, получающих исходные данные от датчиков, включая системы критического применения. Раскрыты проблемы матричных структур, которые лежат в основе проектирования современных компьютерных систем и демонстрируют низкую эффективность в производительности и энергопотреблении, а также в обеспечении функциональной безопасности, важной для критических приложений. Отмечено применение отказоустойчивых решений как основы функциональной безопасности и недоверие к этим решениям, которое проявляется в практике использования опасных имитационных режимов. Они воссоздают аварийные условия для повышения контролепригодности в решении проблемы скрытых неисправностей, поскольку отказоустойчивое решение не становятся отказобезопасным при дефиците контролепригодности. Дан анализ источникам рассмотренных проблем и возможностей их решения с позиции ресурсного подхода, который идентифицирует проблему скрытых неисправностей как проблему роста с отставанием компонентов от развития системы. Показана роль матричных структур в отставании компонентов и необходимость решения проблемы путем развития версионной избыточности для этих структур. Предложен метод введения версионной избыточности в матричную структуру на основе сильно связанных версий для решения проблем отказоустойчивости и контролепригодности в комплексе. Эффективность метода оценена на примере матричного умножителя с использованием его программной модели.