Posts Issued in July, 2019

グラフィックメモリの設計

posted by sakurai on July 23, 2019

ある目的があり、グラフィックメモリシステムの設計を再度行います。前回設計しているので、パラメータを少々変更するだけで簡単にできそうな気がします。

さて、設計仕様は、昔の8bit PCのVGAをエミュレートするものです。640dotx200dotのRGB各1bitの8色という仕様ですが、横に対して縦のドット数が小さいですね。VGAタイミングのサイトだと640x400というものはあっても、640x200というサイズはありません。

画面が横長に歪であることには理由があり、アドレス空間が16bitであることが関係していると思われます。640x400にすると、RGB各1bit(2^3=8色)だと、メモリに対して8bitアクセスの場合、96,000アドレスとなり、アドレスラインは17bit必要となり、通常の8bitマイコンの16bitアドレス空間として1bit足りません。しかたなく解像度を半分の640x200にすれば、3原色で48,000アドレスとなり、アドレスラインは16bit空間に入ります。

先のFIFOを用いたデザインを再利用して、タイミングだけを変更しようとしたのですが、再検討ついでにFIFOが削除できたので、そのデザインを再利用します。これだと計算が簡単で、dual port memoryで分離されている非同期クロックドメインであるため、ビデオ系のタイミングしか検討する必要がありません。

図%%.1
図133.1 グラフィックタイミング設計用ブロック図

画面構成が640x200なので、それに基づき前回と同じSVGA(800x600)のタイミングで設計することにします。

Space Invadersの画面設計を示します。左が論理画面、右が物理画面です。SVGAの物理画面の中央に論理画面を配置し、適宜拡大します。論理画面が256x256と小さいので、縦横2倍の拡大表示を行います。

図%%.2
図133.2 Space Invadersグラフィックタイミング設計図

次に今回の画面設計を示します。SVGAの物理画面のタイミングは同じで、論理画面のサイズが異なり、縦のみ2倍の拡大表示を行います。
図%%.3
図133.3 今回のグラフィックタイミング設計図


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posted by sakurai on July 22, 2019

前稿で設計したグラフィックディスプレイコントローラですが、あとから振り返るとFIFOが無駄であることに気づきました。早速リファクタリングします。

リファクタリング前のクロックドメインが3つあるのに比べて、リファクタリング後は2つに減っています。それだけでなく、FIFOとメモリをリードしてFIFOに入れる回路の2つを削減しています。これはdual port memoryが本来FIFOの役割を果たすためです。

図%%.1
図132.1 リファクタリング前の回路

図%%.2
図132.2 リファクタリング後の回路

FIFOとメモリ読み出し回路を削減し、メモリ読み出し回路から出ていたメモリアドレスをグラフィックコントローラから出す変更により、問題なくリファクタリングが達成できました。


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Down rate及びADRの取り下げ

posted by sakurai on July 18, 2019

以前の記事において、

☆(瞬間)ダウン率(Down Rate)

$$ \varphi_{item}(t):=\lim_{dt \to 0}\frac{\Pr\lbrace\mathrm{item\ down\ in\ }(t,t+dt]\ |\ \mathrm{item\ up\ at\ }t\rbrace}{dt}=\frac{q_{item}(t)}{A_{item}(t)} \tag{131.14} $$ 又は、微小ダウン確率形式として、 $$ \varphi_{item}(t)dt=\Pr\lbrace\mathrm{item\ down\ in\ }(t,t+dt]\ |\ \mathrm{item\ up\ at\ } t\rbrace \tag{131.15} $$ 修理系システムで、時刻$t$で稼働している条件において、単位時間あたりに不稼働になる条件付き確率。正確には、時刻$t$から$t+dt$までに不稼働になる条件付き確率を$dt$で割り単位時間あたりとしたもの。conditional failure intensity (条件付き故障強度), Vesely failure rate (Veselyの故障率)。

☆平均ダウン率(Average Down Rate, ADR)

$ADR:=\overline{\varphi_{item}}$の存在を仮定し、$\varphi_{item}(t)A_{item}(t)=q_{item}(t)$、すなわちPUDの両辺を$0$から$T$まで積分すれば、 $$ \int_0^T\overline{\varphi_{item}}A_{item}(t)dt=\int_0^T q_{item}(t)dt \tag{66.16} $$ ここで、$\int_0^T A(t)dt\approx T$を用いれば、 $$ ADR=\overline{\varphi_{item}}\approx\frac{1}{T}\int_0^T q_{item}(t)dt=\frac{1}{T}Q_{item}(T)=\frac{1}{T}\Pr\lbrace\mathrm{item\ down\ at\ }T\rbrace=M_{PMHF} \tag{66.17} $$ これは結果的としてPFHと同じになりますが、FSマイクロではPMHFはADRであると考え、PFHであるとは考えていません。その理由はエンジニアにとって故障率$\lambda$は大変なじみのある値で、それを修理系に拡張したダウン率$\varphi(t)$やその車両寿命における平均値ADRを算出するのが自然ですが、不稼働密度$q(t)$の平均値を算出するのは不合理であるためです。故障確率という意味では、むしろ密度よりもアイテムの車両寿命における不稼働確率$Q(T)$を知りたいところですが、なぜ確率密度の平均値を知りたいのでしょう?

という記述を掲載していましたが、down rate及びADRを取り下げます。なぜなら、down rate$\varphi(t)$が、今回のモデルに限っては、故障率$\lambda$と一致するためです。 $$ \varphi_\text{IF}(t)dt=\Pr\lbrace\mathrm{IF\ down\ in\ }(t,t+dt]\ |\ \mathrm{IF\ up\ at\ } t\rbrace\\ =\frac{\Pr\{\text{IF down in }(t, t+dt]\cap\text{IF up at }t\}}{\Pr\{\text{IF up at }t\}}=\frac{q_\text{IF}(t)}{A_\text{IF}(t)}dt \tag{131.1} $$ ここで、アベイラビリティは、定期診断・修理の場合に限り、 $$ A_\text{IF}(t)=(1-K_\text{IF,MPF})R_\text{IF}(t)+K_\text{IF,MPF}R_\text{IF}(u), \text{ただし}u=t\mod\tau\tag{131.2} $$ $$ q_\text{IF}(t)=(1-K_\text{IF,MPF})f_\text{IF}(t)+K_\text{IF,MPF}f_\text{IF}(u), \text{ただし}u=t\mod\tau\tag{131.3} $$ であり、(131.2)の両辺に$\lambda_\text{IF}$をかければ、(131.3)より、 $$ A_\text{IF}(t)\lambda_\text{IF}=(1-K_\text{IF,MPF})R_\text{IF}(t)\lambda_\text{IF}+K_\text{IF,MPF}R_\text{IF}(u)\lambda_\text{IF}\\ =(1-K_\text{IF,MPF})f_\text{IF}(t)+K_\text{IF,MPF}f_\text{IF}(u)=q_\text{IF}(t)\tag{131.4} $$ よって、(131.1)は、 $$ \require{cancel} \varphi_\text{IF}(t)\cancel{dt}=\frac{q_\text{IF}(t)}{A_\text{IF}(t)}\cancel{dt}=\lambda_\text{IF}\cancel{dt}\tag{131.5} $$ これにより、down rateが定数となってしまうため、ADR(平均down rate)も定数(=故障率)となり、PMHFは故障率そのものということになってしまいます。

従って、PMHFの定義はPFHや$w_{avg}$と同じように、平均PUDとします。PMHFの定義のみの変更であり、式及び論証は変わりません。 $$ M_\text{PMHF}:=\overline{PUD}=\frac{1}{T}\int_0^T q(t)dt=\frac{1}{T}Q(T) $$


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2nd EditionのPMHF方程式

posted by sakurai on July 17, 2019

2nd EditionのPMHF方程式は前稿のように、

図109.3
図109.3 2nd Editionの規格式

となっており、Pattern 2及び4に関して、0.5がどこにいったかが謎でした。

ところが、2018年にヨーロッパで実施された機能安全ワークショップでのインテルの資料(恐らくDr. Riccard Marianiの資料)に

図%%.1
図130.1 Intelによる2nd Editionの規格式

という式が出ており、無くなったことが謎だった0.5が戻っています。どちらかと言えば、こちらのほうが(少しだけ)正しい式です。

結論としては両者とも誤っているのには違いないのですが、謎の部分が無くなったことで、規格式の誤りが明確になりました。誤りの原因は、初期状態において、IFまたはSMのいずれかがアンリペアラブルと固定している点です。本来は初期状態においてIF、SMの両方ともリペアラブルとしなければなりません。

つまり、図109.3の2nd Editionの規格式の誤りは2か所あると思われます。


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PMHF計算の簡便法(2)

posted by sakurai on July 15, 2019

前回の前提を変えてみます。2nd Editionと同じ条件で、IFもSMもリペアラブルとします。

ただ、そう簡単でないのは、DPF1の再計算でも記したように、上記にも関わらず、SPFとなる部分はアンリペアラブルのままという点です。フォールトを起こして一発VSGとなる部分は修理が不可であるため、反対にVSG preventable部分のみがリペアラブルとなります。

そのため、前稿と同様に一括で求めようとしてもうまく行きません。

図%%.1
図129.1 VSG条件表(IFのフォールト)

前項の表と異なるのは、前述のように表129.1のVSG prevention=Yesの右半分のみ、IFがリペアラブルとなるためです。従って前稿と異なり、場合分けで求めます。

IFのフォールトによるVSG

まず前提確率を求めるため、IFのフォールトでVSGとなる、$t$におけるSMの条件を考えます。non preventable(=アンリペアラブル)部分とpreventable(=リペアラブル)部分に縦に分解すると、それぞれ、 $$ \begin{cases} \Pr\{\overline{\text{IF preventable}}\}&=1-K_\text{IF,RF}\\ \\ \Pr\{\text{IF preventable}\cap\text{SM down at }t\}&=K_\text{IF,RF}Q_\text{SM}(t)\tag{129.1} \end{cases} $$ となります。

次に遷移確率を求めるため、微小区間$(t, t+dt]$においてIFのフォールトが起きる場合を考えます。この確率を式で表せば、 $$ \Pr\{\text{IF up at }t\cap\text{IF down in }(t, t+dt]\}\tag{129.2} $$ ですが、同様に縦に分解すれば、リペアラブル、アンリペアラブルの場合のそれぞれの遷移確率は、 $$ \begin{cases} \Pr\{\text{(unrepairable)IF up at }t\cap\text{(unrepairable)IF down in }(t, t+dt]\}&=f_\text{IF}(t)dt\\ \\ \Pr\{\text{(repairable)IF up at }t\cap\text{(repairable)IF down in }(t, t+dt]\}&=q_\text{IF}(t)dt\tag{129.3} \end{cases} $$ となります(表129.1の最下段)。

従ってIFのフォールトによるPUDは、前提確率遷移確率の積となるため、それぞれ $$ \begin{cases} PUD_\text{IF,unrepairable}&=(1-K_\text{IF,RF})f_\text{IF}(t)dt\\ \\ PUD_\text{IF,reairable}&=K_\text{IF,RF}Q_\text{SM}(t)q_\text{IF}(t)dt\tag{129.4} \end{cases} $$ となり、IFのフォールトによる平均PUDは $$ \overline{PUD_\text{IF}}=\frac{1}{T_\text{lifetime}}\int_0^{T_\text{lifetime}} \img[-1.35em]{/images/withinseminar.png} \tag{129.5} $$ この後は積分して平均PUDを求めます。

SMのフォールトによるVSG

図%%.1
図129.2 VSG条件表(SMのフォールト)

まず前提確率を求めるため、SMのフォールトでVSGとなる、$t$におけるIFの条件を考えると、 $$ \Pr\{\text{(repairable)IF down at }t\cap\text{IF preventable}\}=K_\text{IF,RF}Q_\text{IF}(t)\tag{129.6} $$ 次に遷移確率を求めるため、微小区間$(t, t+dt]$においてSMのフォールトが起きる場合を考えます。この事象を式で表せば、 $$ \Pr\{\text{SM up at }t\cap\text{SM down in }(t, t+dt]\}=q_\text{SM}(t)dt\tag{129.7} $$ よってSMのフォールトによるPUDは、前提確率遷移確率の積となるため、 $$ PUD_\text{SM}=\Pr\{\text{(repairable)IF down at }t\cap\text{IF preventable}\}\\ \cdot\Pr\{\text{SM up at }t\cap\text{SM down in }(t, t+dt]\}\\ =K_\text{IF,RF}Q_\text{IF}(t)q_\text{SM}(t)dt\tag{129.8} $$ となり、SMのフォールトによる平均PUDは $$ \overline{PUD_\text{SM}}=\frac{1}{T_\text{lifetime}}\int_0^{T_\text{lifetime}} \img[-1.35em]{/images/withinseminar.png} \tag{129.9} $$ この後は積分して平均PUDを求めます。 前回の記事はこちら。


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Qiitaに投稿しました

posted by sakurai on July 13, 2019

FPGAの設計トライアルとしてスペースインベーダを取り上げたブログ記事を書いてきましたが、最初はAvnetのMicroZedボードで、PMOD-VGAとPMOD-I2Sのインタフェースを購入して、入力はボード上のスイッチを使用していました。

開発がほぼ完了した段階で、AvnetからUltra96 ボードが発売されたので、さっそく購入し移植しようとしましたが、Ultra96 はPMODインタフェースを搭載していないため、インタフェースボードを設計せざるを得なくなりました。

そのため、Eagleを使用して、PCBを設計し、さらに格安でPCBを製造するベンダを探しました。

この経緯をQiitaに投稿しました。合わせてYoutubeにも上げています。


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PMHF計算の簡便法

posted by sakurai on July 11, 2019

記事#103~#108(暫定的に非公開)のように、マルコフ連鎖図を書き、ひとつずつケース分解して求めるのが一番間違いが無い方法ですが、簡便法を試してみます。ここで簡便法というのは、マルコフ連鎖図を書かずに、時刻$t$におけるIFとSMの状態を別個に考え(結局はマルコフ連鎖図と等価ですが)、時刻$t$から$t+dt$の微小時間間隔でのフォールトについて、サブシステムが故障となる場合を考えます。ここでは1st Editionと同じ条件で、IFがアンリペアラブル、SMがリペアラブルとします。

以下のPUDの導出に際して、前提確率遷移確率に分解して求めます。前提確率とは、時刻$t$において、どの状態になっているかの確率であり、遷移確率とは、微小区間$(t,t+dt]$におけるダウン確率です。今回のモデルでは両者は独立であるため、$\cap$条件は確率の積となります。

IFのフォールトによるVSG

まず前提確率を求めるため、IFのフォールトでVSGとなる、$t$におけるSMの条件を考えるのですが、逆に、IFのフォールトによりVSGとならないのは、表127.1で示すように、「SMが稼働していて、かつそれがVSG抑止する場合」のみです。

図%%.1
図127.1 VSG条件表(IFのフォールト)

よって、その条件の否定がVSG条件なので前提確率式で表せば、 $$ \Pr\{\overline{\text{SM up at }t\cap\text{IF preventable}}\}=1-\Pr\{\text{SM up at }t\}\cdot\Pr\{\text{IF preventable}\}\\ =1-A_\text{SM}(t)K_\text{IF,RF}\tag{127.1} $$

次に遷移確率を求めるため、微小区間$(t, t+dt]$においてIFのフォールトが起きる場合を考えます。この事象を遷移確率式で表せば、 $$ \Pr\{\text{(unrepairable)IF up at }t\cap\text{(unrepairable)IF down in }(t, t+dt]\}=f_\text{IF}(t)dt\tag{127.2} $$ となります。

よってIFのフォールトによるPUDは、前提確率遷移確率の積となるため、 $$ PUD_\text{IF}=\Pr\{\text{(unrepairable)IF up at }t\cap\text{(unrepairable)IF down in }(t, t+dt]\}\\ \cdot\Pr\{\overline{(\text{SM up at }t\cap\text{IF preventable})}\}\\ =\left[1-A_\text{SM}(t)K_\text{IF,RF}\right]f_\text{IF}(t)dt\tag{127.3} $$ となり、IFのフォールトによる平均PUDは $$ \overline{PUD_\text{IF}}=\frac{1}{T_\text{lifetime}}\int_0^{T_\text{lifetime}} \img[-1.35em]{/images/withinseminar.png} \tag{127.4} $$ この後は(62.3)につなげて、積分して平均PUDを求めます。この手法のメリットは、いちいちIFのフォールトによるSPFとDPFを分けて考えずに一度で求められる点です。

SMのフォールトによるVSG

まず前提確率を求めるため、SMのフォールトでVSGとなる、$t$におけるIFの条件を考えると、「IFがダウンしているがVSGとなっていないとき」です。なぜなら、SMのフォールトでVSGとなるのは、SMがSPFを起こせない以上DPFの場合に限られ、かつIFのフォールトによりVSGとなってはIFによるSPFが起きてしまうので、IFのダウンかつVSGでないときに限られます。

図%%.1
図127.2 VSG条件表(SMのフォールト)

よって、VSG条件を前提確率式で表せば、 $$ \Pr\{\text{(unrepairable)IF down at }t\cap\text{IF preventable}\}=F_\text{IF}(t)K_\text{IF,RF}\tag{127.5} $$ 次に遷移確率を求めるため、微小区間$(t, t+dt]$においてSMのフォールトが起きる場合を考えます。これを遷移確率式で表せば、 $$ \Pr\{\text{SM up at }t\cap\text{SM down in }(t, t+dt]\}=q_\text{SM}(t)dt\tag{127.6} $$ よってSMのフォールトによるPUDは、前提確率遷移確率の積となるため、 $$ PUD_\text{SM}=\Pr\{\text{(unrepairable)IF down at }t\cap\text{IF preventable}\}\\ \cdot\Pr\{\text{SM up at }t\cap\text{SM down in }(t, t+dt]\}\\ =K_\text{IF,RF}F_\text{IF}(t)q_\text{SM}(t)dt\tag{127.7} $$ となり、SMのフォールトによる平均PUDは $$ \overline{PUD_\text{SM}}=\frac{1}{T_\text{lifetime}}\int_0^{T_\text{lifetime}} \img[-1.35em]{/images/withinseminar.png} \tag{127.8} $$ この後は(65.1)につなげて、積分して平均PUDを求めます。 次回の記事はこちら。

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posted by sakurai on July 9, 2019

さて、前稿平均PUD計算は簡易的に、冗長システムの確率の1/2として求めましたが、厳密には、

例えば全ての部品を二重化しておき、片方が壊れてももう片方がそれを引き継ぐことができる

という、スタンバイシステムについて平均PUD計算する必要があります。常に両方が稼働する冗長(2重化)と異なり、主系がフォールトしたときに初めて従系が稼働するものです。

IF、SM1からなるサブシステムがあり、IF、SM1の両方ともアンリペアラブルだとします。それぞれの故障率は、$\lambda_\text{IF}$及び$\lambda_\text{SM}$とします。上記のように、IFもSM1も$t=0$から同時に動作している冗長系ではなく、時刻$t$において主系であるIFがダウンし、即座にスタンバイ系であるSM1が引き続いて動作するものとします。

すると、車両寿命$T_\text{lifetime}$における信頼度は、IFが$T_\text{lifetime}$までにダウンしないか、あるいは、途中の時刻$t$でダウンしたとしても、そこからSM1が$T_\text{lifetime}$までダウンせずに稼働する確率なので、

$$ R_\text{subsystem}(T_\text{lifetime})=\Pr\{\text{IF not failed at }T_\text{lifetime}\}\\ +\int_0^{T_\text{lifetime}}\Pr\{\text{IF fails in }(t + dt]\cap\text{IF not failed at }t\cap\text{SM not failed in }(T_\text{lifetime}-t]\}\\ =R_\text{IF}(T_\text{lifetime})+\int_0^{T_\text{lifetime}}R_\text{SM}(T_\text{lifetime}-t)f_\text{IF}(t)dt\\ =R_\text{IF}(T_\text{lifetime})+\int_0^{T_\text{lifetime}}e^{-\lambda_\text{SM}(T_\text{lifetime}-t)}\lambda_\text{IF}e^{-\lambda_\text{IF}t}dt\\ =R_\text{IF}(T_\text{lifetime})+\lambda_\text{IF}e^{-\lambda_\text{SM}T_\text{lifetime}}\int_0^{T_\text{lifetime}}e^{-(\lambda_\text{IF}-\lambda_\text{SM})t} dt\\ =R_\text{IF}(T_\text{lifetime})+\lambda_\text{IF}e^{-\lambda_\text{SM}T_\text{lifetime}}\left[\frac{e^{-(\lambda_\text{IF}-\lambda_\text{SM})t}}{-(\lambda_\text{IF}-\lambda_\text{SM})}\right]_0^{T_\text{lifetime}}\\ =R_\text{IF}(T_\text{lifetime})+\lambda_\text{IF}e^{-\lambda_\text{SM}T_\text{lifetime}}\left[\frac{1-e^{-(\lambda_\text{IF}-\lambda_\text{SM})T_\text{lifetime}}}{\lambda_\text{IF}-\lambda_\text{SM}}\right]\\ =R_\text{IF}(T_\text{lifetime})+\frac{\lambda_\text{IF}}{\lambda_\text{IF}-\lambda_\text{SM}}(e^{-\lambda_\text{SM}T_\text{lifetime}}-e^{-\lambda_\text{IF}T_\text{lifetime}})\\ =\img[-1.35em]{/images/withinseminar.png}, \text{ただし、}\lambda_\text{IF}\neq\lambda_\text{SM} \tag{126.1} $$

平均PUDを求めるには不信頼度の時間平均が知りたいので、$\lambda t\ll 1$の前提で$R(t)=e^{-\lambda t}\approx1-\lambda t+\frac{1}{2}\lambda^2 t^2$と、2次項までMaclaurin展開し、平均PUDを求めると、 $$ \require{cancel} \overline{PUD}=\frac{1}{T_\text{lifetime}}F_\text{subsystem}(T_\text{lifetime})=\frac{1}{T_\text{lifetime}}\left[1-R_\text{subsystem}(T_\text{lifetime})\right]\\ \approx\frac{1}{\bcancel{T_\text{lifetime}}}\left[\bcancel{1}-(\bcancel{1}-\lambda_\text{IF}\bcancel{T_\text{lifetime}}+\frac{1}{2}{\lambda_\text{IF}}^2 {T_\text{lifetime}}^\bcancel{2})\right]\\ -\frac{1}{\bcancel{T_\text{lifetime}}}\frac{\lambda_\text{IF}}{\lambda_\text{IF}-\lambda_\text{SM}}\left[ (\bcancel{1}-\lambda_\text{SM}\bcancel{T_\text{lifetime}}+\frac{1}{2}{\lambda_\text{SM}}^2 {T_\text{lifetime}}^\bcancel{2})\\ -(\bcancel{1}-\lambda_\text{IF}\bcancel{T_\text{lifetime}}+\frac{1}{2}{\lambda_\text{IF}}^2 {T_\text{lifetime}}^\bcancel{2})\right]\\ =(\lambda_\text{IF}-\frac{1}{2}{\lambda_\text{IF}}^2 T_\text{lifetime})-\frac{\lambda_\text{IF}}{\bcancel{\lambda_\text{IF}-\lambda_\text{SM}}}\left[(\bcancel{\lambda_\text{IF}-\lambda_\text{SM}})-\frac{1}{2}T_\text{lifetime}(\bcancel{\lambda_\text{IF}-\lambda_\text{SM}})(\lambda_\text{IF}+\lambda_\text{SM})\right]\\ =(\bcancel{\lambda_\text{IF}}-\bcancel{\frac{1}{2}{\lambda_\text{IF}}^2 T_\text{lifetime}})-\lambda_\text{IF}\left[\bcancel{1}-\frac{1}{2}T_\text{lifetime}(\bcancel{\lambda_\text{IF}}+\lambda_\text{SM})\right]\\ =\img[-1.35em]{/images/withinseminar.png} \tag{126.2} $$ 以上から、前稿の2重化での簡易計算と完全一致します。


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あるWebの記事について(2)

posted by sakurai on July 8, 2019

同じ記事のPMHFについても怪しいところがあります。

まずPMHFそのものは単純で故障する頻度そのものである。ただ実際には1億回あたり1回未満というのはかなり難しい。一般にエレクトロニクス業界で使われている故障頻度には「FIT」(Failure in Time:10億時間あたりに発生する故障回数)と呼ばれるものがあるが、自動車向けのMCUなどではどんなに少ないものでも20FIT(10億時間あたり20回)といわれており、このままでは10^-8/hを満たせない。 ただ、PMHFは、ある特定の回路そのものの故障頻度ではなく、システム全体の故障頻度と見なすこともできる。例えば全ての部品を二重化しておき、片方が壊れてももう片方がそれを引き継ぐことができるとすれば、トータルとしての故障頻度は10FITに減る計算になり、これでASIL DのPFHFの目標をクリアできることになるからだ。

要約すれば、主系とバックアップ系が、それぞれ20FITの故障率を持つ2重化システムがあるとき、「トータルとしての故障頻度」が10FITになるということのようです。

実際には「トータルとしての故障頻度」はDPF(Dual Point Failure)の時であるから、車両寿命を$T_\text{lifetime}$として単純な確率計算では、 $$ \Pr\{\text{DPF}\}=\Pr\{\text{Channel 1 failed}\cap\text{Channel 2 failed}\} =\Pr\{\text{Channel 1 failed}\}\Pr\{\text{Channel 2 failed}\}\\ =(\lambda_\text{IF}T_\text{lifetime})(\lambda_\text{SM}T_\text{lifetime}) =(10\times 10^{-9})^2{T_\text{lifetime}}^2=1\times 10^{-16}{T_\text{lifetime}}^2 $$ となります。

この確率には主系⇒バックアップ系のフェイルオーバーだけでなく、その逆の場合も含まれるので、フェイルオーバーの場合の平均PUDを求めると、この1/2を$T_\text{lifetime}$で割った値となります。 $$ \overline{PUD}=\frac{1}{2}\lambda_\text{IF}\lambda_\text{SM}T_\text{lifetime} $$

この値は、車両寿命がいくら大きくても10FITにはなりません。例えば車両寿命が10万時間の場合の平均PUDは、 $$ \overline{PUD}=\frac{1}{2}\lambda_\text{IF}\lambda_\text{SM}T_\text{lifetime}=0.5\times 10^{-16}\cdot 1\times 10^{5}=0.005[FIT] $$ となります。逆にこれが10FITだとすると、車両寿命は5,708年というあり得ない値となってしまいます。

誤りの原因は2重化の場合の確率計算を引き算にしてしまったところにあります。本来は2重化システムにおいては、主系に故障があっても、バックアップ系が動作するフォールトトレラント性があるため、引き続いてバックアップ系にもフォールトが起きないとシステムの故障とはなりません。従って、確率計算としてはいずれかにフォールトが起こる足し算ではなく、両方にフォールトが起こる掛け算とすべきです。

以前の記事のように、レアイベント近似を用いれば、直列系は確率の足し算、並列系は確率の掛け算となります。従って、直列系であればむしろ、20FIT+20FIT=40FITと増えてしまうので、故障率低減効果がありません。従って表記の記事は2重に(並列系を直列系に、加算を減算に)誤っていることになります。


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あるWebの記事について

posted by sakurai on July 5, 2019

ある記事に以下のような文章が載っていました。SPFM、LFMに関する説明文です。

冗長によるPMHFの低減を説明した後に、

 ただこの二重化の場合、ある部品が壊れたかどうかを確認するための仕組みが別途必要になる。また、この仕組みが確実に「その部品が壊れたかどうか」を判断できなければならない。これに関する数値がSPFMであって、要するに99%以上の確率で、その部品が正常か壊れたかを判断できるようにする必要があるわけだ。

 また、この「部品が壊れたかどうか」を判断する回路も、当然電子回路で構成される以上故障する可能性がある。そこで、この判断部そのものが故障していないかどうか、を90%以上の確率で判断できないといけない、というのがLFMというわけだ。

一見良さそうなこの説明文ですが、良く読むと誤りがあります。どこをどう直したら正しくなるか考えてみてください。

  • ヒント1: 冗長の場合は互いに主機能と安全機構(1st SM)の働きを行います。
  • ヒント2: SPFMはこの場合、平均的な故障検出率ではありません。安全機構(1st SM)の持つ平均的な故障抑止率です。
  • ヒント3: LFMの対象は「部品が壊れたかどうか」を判断する回路(=安全機構)だけではありません。この場合は故障抑止回路(1st SM)とするべきです。安全機構(2nd SM)の持つ平均的な故障検出率です。

2とおりの修正方法があります。引用した文章は2つに分かれており、それぞれSPFMとLFMについての説明とするならば、

セミナーにてご説明します。

となります。あるいは、それぞれLFMと2nd SMの故障検出についての説明とするならば、

セミナーにてご説明します。

となります。どうみても最初の解釈が良さそうですが、文章を大幅に修正しなければなりません。それは、元の文章が1st SMの機能である故障抑止と2nd SMの機能である故障検出について混同しているためです。

元の文章が勘違いしているために、部分修正しても文意が伝わりにくくなっています。


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