Lifetime Enhancement of Real-Time Satellite Embedded Systems via Multi-Core Task Mapping and DVFS

Abstract

최근 상용 기성품(Commercial Off-The-Shelf, COTS) 컴퓨터 시스템의 소형화 및 고성능 덕분에 소형인공위성에서 인기를 얻고 있다. 그러나 로켓 발사 비용이 매우 비싸기 때문에 큐브 위성(Cube Satellites, CubeSats)과 같이 물리적인 크기와 무게를 줄이는 것이 굉장히 중요하고, 고용량 배터리나 태양광 패널을 장착하기에 어려움이 있다. 따라서 저전력 설계는 이러한 시스템 설계에서 가장 중요한 문제 중 하나이다. 또한 인공위성은 진공 상태에서 지구 주위를 주기적으로 회전하며 동작 온도가 크게 달라진다. 예를 들어 SwissCube라는 저궤도(Low Earth Orbit, LEO) 큐브 위성의 온도가 섭씨 약 30℃에서 -30℃로 변하며 전자 부품에 큰 열주기(Thermal Cycle, TC)를 발생하고, 이는 가장 중요한 신뢰성 위협 중 하나로 알려져 있다. 또한 이러한 저궤도 큐브위성은 비용, 부피, 및 무게 제약으로 인해 능동적인 열 제어 및 단열로 충분히 보호하기에 어려움이 있다. 본 논문에서는 전력 제약에서 저궤도 인공위성 시스템의 수명 신뢰성을 최대화하기 위한 멀티 코어 매핑과 동적 전압 및 주파수 스케일링(Dynamic Voltage and Frequency Scaling, DVFS) 기법을 제안한다. 기존의 신뢰성 향상 기법들은 주로 온도를 낮추는 것을 중점으로하는데, 이는 저궤도 인공위성 환경에서 열주기를 확대하여 오히려 신뢰성을 악화시킬 수 있다. 이에 반하여 본 논문에서는 주어진 전력 제약에 대해 신뢰성 측면에서 열주기를 최적으로 유지하고자 노력한다. 실험 결과 제안된 기법은 Nvidia의 Jetson TK1 시뮬레이션에서 인공위성 임베디드 시스템의 기대수명을 최대 8.03배까지 향상시키는 것으로 나타났다.