コンピュータデザイン研究室の研究テーマを紹介します.

コンピュータデザイン研究室の研究概要  

1. ディペンダブル dependable(頼りになる)とは ?

「提供されるサービスが正確で信頼できる」というコンピュータ システムの性質

  • サービス:ユーザが認識するシステムの振る舞い
  • ユーザ:システムと相互作用する他のシステムや人

ディペンダブル・コンピュータシステムの必要性

  • どんなものでも「完璧 (絶対大丈夫)」はあり得ない
  • 高い信頼性が要求される場面
    • 金融機関,医療機関,ロケットや人工衛星,交通機関制御
  •  私たちの生活に密着するようになり,ますます重要に
    • CPS(Cyber Physical System),IoT(Internet of Things)

安心安全なCPS/IoT社会を支える3つの要素技術

  • フォールトトレランス
  • フォールトアボイダンス(テスト)
  • エラートレランス

2. フォールトトレランス fault tolerance

  • 誤りを検出して,障害となってユーザに見える前に対応するしくみ や方法のこと(tolerance:我慢,耐久力,寛容)

フォールトトレランスのポイント

  • できるだけ小さいコストで高信頼を得たい
    • 既存の技術やデバイスで低コスト化
    • 耐故障化が必要なところだけ「強く」(以下の 4. にも関連)
  • できるだけ性能を落とさずに高信頼を得たい
    • 再構成可能性技術を使って適切な高信頼設計
    • 高い回路合成技術
    • サイバーフィジカルシステムに適したフォールトトレランス

3. テスト testing(フォールトアボイダンス)

  • システム/モジュールが正しく動作するかどうかを確かめること
  • システム/モジュールにテストパターンを入力し,出力応答を期待値と 比較することによって,正常に動作するかを判定

テストのポイント

  • 低コスト/高品質テスト
    • 設計工程の早い段階(高位)からテストの容易性を考慮した設計
    • 適切な(過不足なくちょうどよい)テストの実施
    • テストデータの圧縮/伸張
    • 設計から製造までを意識したテスト設計
  • テスト装置が壊れることの心配
  • ハードウェアの力で高速なテスト生成

4. エラートレランス error tolerance

  • 誤り(エラー)が現れてもユーザが気づかない場合があることを 積極的に利用すること
  • わずかな障害も許されないシステムがある一方で,多少の誤りでは 障害にならない(「大きな問題にならない」)システムも存在
  • システムの低面積化,低消費電力化,テストコスト削減化等,利点多数

ストカスティックコンピューティング

  • エラートレランスを実現する1つの手段
  • 確率的な演算を行うことで低消費電力,低面積,高エラー耐性を実現

5. コンピュータデザイン研究室のディペンダブルコンピューティングへのアプローチ

テーマ:新しい計算手法に基づくコンピュータシステム  

コンピュータの用途が様々な領域に広がるにつれて、用途に応じてコンピュータの計算手法を見直す動きがでてきています。例えば、動画像処理における計算処理では高精度な演算処理は必要ではない場合が多いため、数値を確率として表現し計算結果を期待値として得る計算手法(ストカスティックコンピューティング)を用いることで、ノイズに強く高速で消費電力の小さいコンパクトなコンピュータを設計することができます。

このように、研究室では新しい計算手法を用途に応じて利用したり新たに提案することで、その用途に適したコンピュータシステムの設計法を研究しています。具体的には、ストカスティックコンピューティングに基づく耐故障システムの設計法、エラートレラントアプリケーションのための論理簡単手法、非同期式回路・システムの設計とその応用、サイバーフィジカルコンピューティングのための適応型システム合成法などが挙げられます。

テーマ:高信頼システムの実現 ー ディペンダブルコンピューティングシステム  

コンピュータは家電製品や自動車などに組込みシステムとして広く利用されるようになり、その役割は単に生活を便利にするだけでなく、経済や生命にも大きく関わるものとなっています。そのようなコンピュータシステムを信頼して安全に利用できる、すなわち「頼れる(ディペンダブル)」ものにするには、耐故障性やフェールセーフなどの設計が必要です。

研究室では、小さい費用で設計可能な高信頼システムを設計するための手法を研究しています。具体的には、耐ソフトエラーを指向した高信頼設計、耐故障化システム合成法などの研究開発を行っています。また、FPGAを用いた安価で高信頼なシステムの実現も研究対象です。

テーマ:大規模集積回路/コンピュータシステムの設計とその自動化 (VLSI-CAD)  

半導体技術の進歩はめざましく、今日では、VLSI (大規模集積回路) は単にコンピュータ機器の部品として使われるだけでなく、家電製品や自動車の制御など、私たちの普段の生活に密接に関わるようになってきました。

このような大規模で高性能、高機能なVLSIの設計には、コンピュータによる支援設計(CAD: Computer-Aided Design)や設計自動化(DA: Design Automation)の技術が必要不可欠です。一般にVLSI-CAD/DAでは、面積、性能、消費電力などが考慮されますが、研究室では、VLSIの設計・製造から利用状況まで、VLSIの製品ライフサイクル全体の最適化を考えた設計、すなわち Design for X (DfX) を指向したCAD/DAを目指しています。例えば、製造容易化設計、テスト容易化設計、保守容易化設計などが挙げられます。

さらに、FPGAやGPUを用いたVLSI-CADの高速化 (ハードウェアアクセラレーション) にも取り組んでいます。