（计算机应用技术专业论文）数字电路软错误防护方法研究.pdf

摘要数字电路的软错误防护方法是超大规模集成电路( v l s l ) 研究的重要组成部分。随着工艺尺寸不断改进，急速下降的工作电压使得节点的关键电荷也相应减小，以及日益严重的工艺偏差，均导致软错误率不断升高。特别是在宇航环境下，高能粒子辐射引起的软错误已经成为影响芯片可靠性的首要因素。本文针对数字电路的软错误防护方法进行研究，全文主要内容及创新之处如下：( 1 )提出一种防护软错误的d i l - s e t 时序单元，在晶体管级研究软错误防护技术。d i l - s e t 在单元内部构建双模冗余的微结构，在输出端使用c 单元，可以有效提高内部节点的关键电荷，增强d i l s e t 的抗s e u 能力。d i l s e t 具有很好的功能扩展特性，可以结合时差技术对s e t 进行防护。文中的实验数据显示，和t m r l a t c h单元相比，d i l s e t 在延迟开销、面积开销、软错误防护性能等设计指标上达到了很好的折中。( 2 )提出了针对门级网表进行部分加固的软错误防护技术，将门级网表中的时序单元替换为d i l - s e t 单元。首先，使用异步随机复位的方式对电路注入软错误。其次，精确计算每个标准单元的软错误易感程度。最后，选择合适的替换策略对门级电路进行单元替换。本文讨论了面积优先的替换策略和速度优先的替换策略，并给出了相关的实验数据。( 3 )提出了容软错误的b i s t 结构：f t c b l l b o 。f t - c b i l b o 对扫描链结构进行功能复用，构建双模冗余的软错误防护结构，有效针对s e u 进行软错误阻塞，避免软错误沿数据通路传播到下一级逻辑。由于对m i s r 进行了功能复用，有效降低了硬件开销。本文对f k b i l b o 进行了功能扩展，相继提出了s e t - c b i l b o 、x o r c b i l b o 、t m r c b i l b o 结构。( 4 )提出了两种不同的自恢复有限状态机结构：c g f s m 和d e f s m 。c g f s m 结构在寄存器传输级设置硬件检查点，利用检错码检查瞬态故障的发生，利用硬件检查点中的信息来执行回卷操作，由于引入了门控时钟的新技术，相对于传统的容错结构，c g f s m 结构在面积开销上有较大的改进，并且具有良好的实时内建自恢复性能。d e f s m 结构将原始状态机拆分成两个子状态机，彼此相互进行状态备份。通过状态机拆分，d e - f s m 结构可以有效降低子状态机的逻辑复杂度，缩减关键路径的延迟，提高电路的性能。关键词：软错误防护；数字电路；部分加固；扫描链复用；门控时钟；状态机拆分a b s t r a c tt h es o f te r r o rm i t i g a t i o nf o rd i g i t a lc i r c u i t si sa ni m p o r t a n tp a r to fr e s e a r c ho fv e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ( v l s i ) w i t i lt h et e c h n o l o g ys c a l i n g ，l i t t l ec r i t i c a lc h a r g ei n d u c e db yl o w e ro p e r a t i n gv o l t a g e sa n dp r o c e s sv a r i a t i o nc o n t r i b u t et ot h ee v e r - i n c r e a s i n gs o f te r r o rr a t e( s e r ) h i g h - e n e r g yp a r t i c l er a d i a t i o ni n d u c e ds o f te r r o r sh a v eb e c o m et h ep r e d o m i n a n tr e l i a b l ei s s u e sf o rs p a c ea n da e r oa p p l i c a t i o n s i no r d e rt oa d d r e s st h es o f te r r o rm i t i g a t i o ni s s u e s ，s e v e r a lw o r k sh a v eb e e nd o n ei nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n di n n o v a t i o n si nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ：( 1 )ad u a l i n t e r l o c k e dl a t c ha p p l i e dt os o f te r r o rt o l e r a n c e ( d i l s e t li sp r e s e n t e d d i l - s e tu t i l i z e sd u a li n t e r l o c k e ds c h e m ea n dc - e l e m e n ta tt h eo u t p u t st om i t i g a t es e u d i l s e tc a l la l s om i t i g a t es e tu s i n gt i m e - s h i f t e dt e c h n i q u e c o m p a r e dw i t hp r e v i o u ss e u - h a r d e n i n gs o l u t i o n ss u c ha st m r l a t c h , t h ep r e s e n t e dd i l s e ti sm o r ea r e ae f f i e i e n t 。d e l a ya n dp o w e re f f i c i e n t ( 2 ) p a r t i a lh a r d e n i n gt e c h n i q u e sa r ep r e s e n t e d ，w h i c hr e p l a c ec o m m o ns t a n d a r dc e l l sw i t hd i l - s e ti nt h en e t l i s t f i r s t l y , r a n d o ma s y n c h r o n o u sr e s e ti su s e dt oi n j e c tf a u l t s s e c o n d l y , s o f te r r o rv u l n e r a b i l i t yo fe a c hc e l li sc a l c u l a t e d t h i r d l y , a p p r o p r i a t es t r a t e g yi su s e dt or e p l a c ec o m m o ns t a n d a r dc e l l sw i t hd i l - s e t a r e a - f i r s th a r d e n i n gs t r a t e g ya n ds p e e d f i r s th a r d e n i n gs t r a t e g yi sp r e s e n t e dw i t hc o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t s ( 3 ) t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sas o f t - e r r o r - t o l e r a n tb i s ts t r u c t u r e ：f t c b i l b 0 a sa ne v o l u t i o no fc b i l b o f t - c b i l b or e u s e ss c a nc h a i nt oc o n s t r u c td m rf a u l t - t o l e r a n ts c h e m ea n dr e d u c et h eo v e r h e a d f t - c b i l b oc a l lb l o c ks o f te r r o rt op r e v e n tt h ep r o p a g a t i o no fs o f te r r o r t h i sd i s s e r t a t i o na l s op r o p o s e ss e v e r a le v o l u t i o no ff t - c b i l b o ，s u c ha ss e t - c b i l b o 、x o r c b i l b o 、t 哏c b i l b o ( 4 ) t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e st w ok i n d so fs e l f - r e c o v e r yf s m sn a m e da sc g f s ma n dd e f s m c g f s ms e t sh a r d w a r ec h e c k p o i n ta tt h er e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l ( r t l ) a n dr e c o v e r sf r o mt r a n s i e n tf a u l tq u i c k l yu s i n ge r r o rd e t e c t i n gc o d e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lr o l l b a c kr e c o v e r y , t h ep r o p o s e da p p r o a c hu s e sg a t e d c l o c kt e c h n i q u ea n dm a k e sg r e a ti m p r o v e m e n ti na r e aa n dp o w e r c g f s mh a sg o o dr e a l - t i m eb u i l t i ns e l f - r e c o v e r yp e r f o r m a n c e d e f s md e c o m p o s e st h eo r i g i n a lf s mt ot w os u b f s m s o n es u b - f s mc a na c ta st h ec h e c k p o i n t i n go ft h eo t h e rs u b f s m a n dv i c ev e r s a t h ei n t r o d u c t i o no fd e c o m p o s i t i o ne r i e c t i v e l ys i m p l i f i e st h ef s m w h i c hc a nr e d u c et h ec r i t i c a lp a t ha n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：s o f te r r o rm i t i g a t i o n ：d i g i t a lc i r c u i t s ：p a r t i a lh a r d e n i n g ：r e u s i n gt h es c a nc h a i n ：c l o c kg a t i n g ；d e c o m p o s i t i o no ff i n i t es t a t em a c h i n e独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金目巴工些太堂或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。躲勃专签字日期。一z 7 年脏月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金旦巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权业工些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、索引或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)靴做储签咩新擞：签字日期：叫年，月日签字日期2 2 哆年j 月学位论文作者毕业后去向：工作单位：通信地址：电话：邮编：日致谢值此论文完成之际，衷心地感谢我的导师梁华国教授! 在这四年的学习和研究工作中，梁老师给予了我精心的指导和亲切的关怀，使我的研究工作有了明确的目标，使我对研究工作有了正确的态度，并且论文中的很多思想都是在梁老师引导和启发下产生的。梁老师广博的学识、开阔的学术思维、严谨的治学精神和踏实诚恳的工作作风，为我树立了榜样，时刻激励着我，并深深地影响了我。感谢计算机与信息学院的周国祥教授、刘晓平教授、高隽教授、胡学钢教授、王浩教授、唐昊教授、欧阳一鸣副教授、郭骏副教授，他们的无私指导和帮助，使我受益匪浅。感谢在中科院计算所深造的王伟老师、刘军老师对论文提出宝贵的修改意见。感谢合肥工业大学系统结构研究室的陈田、李扬、易茂祥、毛剑波、詹文法老师，以及孙科、王保青、覃敏东、宋灏龙、朱兵、董少周、陈秀美、吴珍妮、毛蔚、程旺燕、罗强、张敏生、曹源、王俊等同学，感谢他们给予我的热情支持和帮助。感谢我的硕士阶段导师蒋建国教授和高明伦教授。两位老师不仅在我攻读硕士学位期间给予我很多的指导与帮助，而且在我攻读博士期间也常常给我关心鼓励，我要真诚感谢两位老师多年来对我的指导与关心。感谢合肥工业大学微电子设计研究所的师兄王锐博士、胡永华博士、张多利博士、尹勇生博士、杜高明博士、宋宇鲲博士。感谢计算机与信息学院的杨孙梅老师、曹航老师、徐静老师、王新生老师、丁湘琳老师、罗殉老师在日常行政、教学、答辩等事务中提供的帮助。衷心感谢我的父母，在我成长的道路上，一刻也没离开过他们默默的支持和祝福；感谢我的爱人张有洁女士，多年来伴我左右，与我共度这段艰苦而美好的时光。感谢和祝福所有支持或帮助过我的老师、同学、亲人和朋友们。最后，特别要感谢在百忙中评审阅读本文的各位专家老师，并向本文中所引用文献的作者们一并表示衷心的谢意。作者：黄正峰2 0 0 9 年9 月于逸夫楼1 2 0 5 室第一章引言2 0 0 8 年国际计算机系统结构年会( i s c a ，i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nc o m p u t e ra r c h i t e c t u r e ) 上，n v i d i a 公司的d a v i db k i r k 提出了未来计算机体系结构的十大难题，其中一项就是软件腰件的可靠性【1 】。无独有偶，2 0 0 8 年中国计算机大会( c n c c 2 0 0 8 ) 上，c c f 理事、体系结构专业委员会主任、国防科技大学杨学军教授在题为高性能计算机体系结构的发展的大会报告中也深刻指出，未来高性能计算机体系结构的发展面临四大挑战，其中一项就是可靠性问题【2 】。从超大规模集成电路( v l s i ) 的自身发展来说，可靠性问题始终伴随着v l s i 的发展和应用，并且越来越重要。自始至终，高性能和高可靠性都是v l s i发展的两个制高点【3 】。v l s i 作为计算机的核心部件，已经在银行、通信、医疗、工业控制、航空航天、军事等安全关键( s a f e t y c r i t i c a l ) 领域得到广泛应用，因此，集成电路的可靠性和高性能、低功耗都成为集成电路设计和研究的热点 4 - 6 。提高集成电路可靠性的有效手段就是使用容错技术。所谓容错技术，就是通过增加冗余资源的方法来屏蔽( m a s k ) 故障造成的影响，即使集成电路发生故障或者错误，功能也不受影响或者影响较小【4 】。由于目前计算机系统8 0 9 0 的失效都是软错误引起的【5 】，因此软错误防护技术成为研究的热点。1 1软错误防护技术的背景介绍1 1 1 基本概念本文研究数字电路的软错误防护技术，先明确相关的基本概念。闵应骅老师撰文指出：“最低层的故障( f a u l t ) ，引起数据输出的错误( e r r o r ) ，导致系统最后的失效( f a i l u r e ) ，【6 】。_失效( f a i l u r e ) 当电路( 或系统) 在运行时，偏离了指定的功能，称为失效【7 】。-故障( f a u l t ) ：我们把引起失效的一种物理缺陷称为故障【7 】。故障大体可以分为永久故障、间歇故障、瞬态故障。永久故障的主要故障模型有固定故障、桥接故障、开路故障。间歇故障是可以再生的暂时性故障，具有概率统计规律，通常用马尔科夫模型来描述。瞬态故障是引起数字系统故障的主要原因，主要由a 粒子，中子等粒子辐射【8 】、串扰【9 】、工艺参数偏差【1 0 1 、晶体管老化【1 1 】等诸多因素引起。瞬态故障的故障模型较难建立，主要的防护手段是故障屏蔽和并发故障检测。一错误( e r r o r ) = 大体可以分为硬错误和软错误。引起集成电路永久性失效的错误称为硬错误，通常由电迁移、自热效应、热载流子效应、过压失效引起。瞬态故障引起的错误称作软错误，通常是由噪声干扰或者高能粒子撞击引起的。2舍肥工业大学博论文宇宙辐射源引发软错误有三种典型情况【1 2 k ( ”封装材料中不稳定同位桑产生的a 粒子( 能量值范围：1 m e v 一9 m e v ) ；( 2 ) 、宇宙辐射中高能量中子与硅核子反应产生离子( 能量值范围：1 0 m e v i g e v ) ；( 3 ) 、宇宙辐射的低能量中子和封装材料中的同位素硼1 0 产生反应。按照发生对象，高能粒子诱发软错误的原因可咀分为两种：单事件翻转( s i n g l ee v e n tu p s e t ，s e u ) 和单事件瞬态( s i n g l ee v e n tt r a n s i e n t ，s e t ) 。在s r a m 、锁存器、触发器中发生的称为s e u ，在组合逻辑中发生的称为s e tf t 3 。图1 1 给出 i n t e l 黼款芯片的软错误研究数据，在软错误的诱固中，s e u 的比重舾j 8 9 ，s e t 的比重酬6 t t t 4 。当然s e u 和s e t 各自在软错误中所占比例和很多因素相关，诸如工作环境、海拔高度、芯片运行频率等。s t a t i cu n pr o t e c t e ds r a m4 0 图11s e u 和s e t 在软错误中的比重图12 给出了组合逻辑中发生瞬态故障，沿数据通路进行传播，被寄存器捕获，形成软错误的情形。a 粒子中子撞击u 5 并产生瞬态故障通过标准单元u 7 、u 4 传播井被u 2 锁存，由于u 2 是寄存器，u 2 中锁存的错误逻辑值至少保持1 个时钟周期，并且会传播到下一级组合逻辑造成款错误。实际情况要复杂得多。以u 4 为例，当u 4 的另一个输入端为逻辑0 ，那么s e t 就不会沿数据通路进行传播。以u 2 为例如果s e t 不能够在u 2 的建立时间( s e t u pt i m e ) 内 6 达，则不会被u 2 捕获。图12s e t 导致软错误的情形需要值得注意的是，芯片内部不同功能部件对于软错误的敏感性也有很大的区别。针对第一章引言3d l x 、a l p h a 处理器的故障注入试验显示【1 5 】，组合逻辑中仅仅有4 的瞬态故障传播到处理器的输出引脚端，时序逻辑中仅仅有1 0 的瞬态故障传播到处理器的输出引脚端。d l ) (微处理器中9 5 的瞬态故障被屏蔽，不会传播到处理器的输出引脚端。在d l x 微处理器中，分支预测部件( s p e c u l a t i o nb l o c k ) 的软错误敏感度比执行部件( e x e c u t i o nb l o c k ) 的软错误敏感度高5 倍。a l p h a 微处理器中，就软错误敏感度而言，存放排队信息的触发器是存放地址操作信息的触发器的8 倍。对于d l x 微处理器，仅仅防护3 0 的微处理器状态可以将软错误引起的失效( f a i l u r e ) 减少5 0 。对于a l p h a 微处理器，仅仅防护3 0 的微处理器状态可以将软错误引起的失效减少8 0 。针对龙芯1 号处理器的故障注入和软错误敏感性分析显示【5 】，控制部件( 诸如取指部件、译码部件、操作队列) 的软错误敏感性比较高，而运算部件( 诸如a l u ，m u l ，f a l u ，f m u l ) 、时钟域转换部件、接口部件的软错误敏感性要低一些。1 1 2 软错误率的评价标准在评估集成电路的可靠性时需要用到很多评价指标：一r a s , i b m 公司提出的容错指标，可靠性( r e l i a b i l i t y ) ，可服务性( s e r v i c e a b i l i t y ) ，可用性( a v a i l a b i l i t y ) 。_f i t ( f a i l u r e si n1 1 m e ) ：一定时间内的失效数。即每百万器件在每一千小时内出现故障的数目。i b m 公司的软错误容错指标是1 1 4 f i t 【1 6 。一平均故障时间( m t t f ，m e a nt i m et of a i l u r e ) ：集成电路产生第一个故障的平均时间。_平均故障间隔时间( m t b f ，m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ) ：集成电路发生两个故障之间的平均时间。-平均故障间隔指令数( m i t f ，m e a ni n s t r u c t i o n st of a i l u r e ) ：集成电路发生两个故障之间的执行的平均指令数目。1 1 3 软错误率的决定因素早在2 0 世纪7 0 年代，当动态r a m ( d r a m ) 成为核心存储器时，d r a m 厂商们就发现d r a m 5 b 的数据位会自发地出现偶然翻转的情况【17 】。最初，人们这种问题归结为“系统噪声”、“电压边缘效应”、“敏感放大器”或者“模式敏感性”，但是发现这种错误是随机出现的。当向出错的数据位写入一个新的逻辑值后，就不出现同样的错误了。i n t e l 公司的研究认为，出现这种软错误的原因在于a 粒子的碰撞效应，当a 粒子在运动过程中丧失能量的同时会产生电子- 空穴对h 8 。这些过剩的载流子将收集到晶体管的扩散区终端。当聚集的电荷达到了与原有节点上电荷量相当的程度，那么电压就可能被扰乱。研究表明，集成电路的软错误率和加工工艺、使用环境、芯片工作频率、海拔高度都有紧密的相关性。4合肥工业大学博士论文集成电路的互连和封装中掺杂的铀和钍元素的衰变产生的a 粒子是软错误的主要来源，其引起的软错误率( s e r ，s o f te r r o rr a t e ) 为1 0 0 2 0 0 0 f i t m b 1 9 。在海平面上来自宇宙射线的中子流量相对比较低，随着海拔的升高，s e r 会急剧升高。文献【2 0 】显示，美国科罗拉多州丹佛市1 5 0 0 米高空的中子流量比海平面提高了5 倍。宇航飞行的高度上，中子的流量会提高两个数量级【2 1 】。在宇航高度上，宇宙射线会引发高达1 0 5 f m m b 的失效率，意味着每隔1 0 0 0 d , 时( 大约4 2 天) 就会出现一次失效。文献【2 2 】提出：在地表( g r o u n dl e v e l ) ，中子和a 粒子诱发的软错误率是相同的。在6 0 ，0 0 0英尺的高空，a 粒子诱发的软错误率保持不变，中子诱发的软错误率增加了2 3 0 倍【2 3 】。图1 3 给出了旧m 公司的实际测试数据【2 4 】：海平面的中子流强度是2 0n e u t r o n s l c m 2 1 h o u r ，意味着在1 平方厘米的面积上每小时遭受中子撞击的数目是2 0 个，飞机上的中子流强度是7 2 0 0n e u t r o n s c m 2 h o u r ，意味着在1 平方厘米的面积上每小时遭受中子撞击的数目是7 2 0 0 个。宇宙射线中有多种影响电路正常工作的带电粒子，包括正电子( e + ) 、负电子( e ) 、伽马射线( 丫) 、介子( 兀) 、蜕变产生的核子( n ，p ) 。图1 3 中带电粒子相互撞击后到达地表的主要是中子。宇宙射线产生的中子最终只有1 能够到达地表。该比例虽然较小，但是能量频谱较宽，从e v 到t e v 。c o s m i cr a y s1 5 01 0 05 00图1 3 宇宙射线导致软错误的情形1 8 0 1 3 09 06 54 53 22 2t e c h n o l o g yn o d e ( n m )图1 4 工艺节点和对应的s e r 之间的关系o，h墅ej星叠ll点m正，第一苹引言51 1 4 软错误率持续攀升的原因随着工艺尺寸不断改进，软错误率不断升高，p s h i v a k u m a r 在2 0 0 2 年预测【8 】：从1 9 9 2年到2 0 1 1 年，s e r 将会上升9 个数量级。i n t e l 公司预测【4 1 ，每更新到一个工艺节点，单个状态位的s e r 将增加8 。按照m o o r e 定律，片上集成的晶体管数目呈现指数增长，1 6 n m工艺节点s e r 将是1 8 0 n m 工艺节点s e r 的1 0 0 倍。图1 4 给出了工艺节点和对应的s e r之间的关系。g菩1 0 01 0、0 2 50 1 8o 0 9p r o c e s st e c h n o l o g y ( m i c r o n s )图1 5 关键电荷和工艺节点的关系软错误率不断升高的原因如下：( 1 )急速下降的工作电压使得节点的关键电荷也相应减小。在状态节点上保持一定的关键电荷q c r i t ( q = c v ) 可以有效降低软错误出现的概率。随着电源电压的不断降低，对应节点的关键电荷也越来越少。图1 5 给出了i r o c 公司针对不同工艺节点测量得到的关键电荷。横坐标是工艺节点，纵坐标是对应的关键电荷。可以看出，随着工艺尺寸不断缩减，节点的关键电荷也不断减小。( 2 )由于集成度的不断提高，出于低功耗设计的考虑，设计者倾向于使用更低的电压。低电压设计使得噪声容限( n o i s em a r g i n ) 降低。( 3 )工艺尺寸的改进，互连线之间更加接近，使得串扰( c r o s s t a l k ) 的发生率增加。( 4 )日益严重的工艺偏差。芯片的特征尺寸快速减4 , , 至l j 6 5 n m 、4 5 n m 以至3 2 n m ，却仍然使用1 9 3 n m 的大尺寸光波光刻工艺。光刻中大尺寸光波显著的干涉和衍射效应造成了硅片( w a f e r ) 上成像的图形发生日益严重的偏差，c m o s 器件的栅长、沟道宽度等主导器件性能的几何参数都将发生越来越显著的偏差。纳米时代的铜互连工艺所采用的化学机械抛光( c m p ) 造成芯片不同位置互连线高度的偏差。总而言之，日益严重的工艺偏差造成硅片上图形的三维特征尺寸与版图上的特征尺寸发生了严重的偏离，并在6 5 纳米节点达到了3 5 的严重程度【2 5 】。6合肥工业大学博士论文上述原因引发的s e r 持续攀升，严重影响了集成电路的可靠性【1 2 1 ，集成电路的可靠性又直接决定了计算机系统的可靠性。下面列举几个实例：( 1 )美国旧mb l u eg e n e 超级计算机的计算过程整整持续一年，平均每隔四天就会有一个处理器芯核失效 2 6 】。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室( l o sa l a m o sn a t i o n a ll a b ) 从19 9 6 年至u 2 0 0 5 年对2 2 个高性能计算机系统的检测数据显示，数千节点的并行系统的平均故障间隔时间( m t b f ) 会降到几个小时f 2 】。( 2 )相对于地表( g r o u n dl e v e l ) ，在航空航天和强辐射环境下，高能粒子对芯片会产生强烈的噪声干扰f 2 7 1 。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室( l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 的抗辐射试验显示，商用m i p sr 3 0 0 0 微处理器在地表5 0 0 公里的低轨道上，几分钟就会发生一次s e u 2 8 。( 3 )文献 2 9 】在0 1 8 p m 的t s m c - i - _ 艺下，设定工作频率1 0 0 m h z ，使用高能粒子轰击组合逻辑电路，使用定制的时差锁存器( t e m p o r a ll a t c h ) 对组合逻辑电路中产生的干扰脉冲宽度进行测量。测量结果显示：干扰脉冲宽度在0 3 5 n s 到1 3 n s之间，并且与粒子的能量值大致保持线性关系。( 4 )研究表明，软错误会对微处理器芯片造成严重的后果【1 5 1 。1 9 9 9 年，由于存储芯片受宇宙射线影响产生软错误，最终导致美国一些长途电信公司和网络服务公司的s u n 高端服务器瘫痪。2 0 0 1 年，软错误导致c y p r e s s 公司的交叉存取系统崩溃【3 0 】。目前计算机系统8 0 - 9 0 的失效都是软错误引起的【5 】。由上述实例可见，由于软错误率不断升高，严重影响了计算机系统的可靠性，因此，采取有效手段对集成电路进行软错误防护，降低集成电路的软错误敏感性，成为迫在眉睫的研究课题。1 2 软错误防护技术的研究动态软错误的防护技术多种多样，无论哪一种防护技术，都和冗余技术密不可分。冗余技术分为四类：( 1 ) 硬件冗余技术；( 2 ) 信息冗余技术；( 3 ) 时间冗余技术；( 4 ) 软件冗余技术。诸多软错误防护技术还会综合使用上述四种冗余技术。1 2 1 软错误的防护对象按照防护对象的不同，软错误防护技术可以分为两类【3 1 】( 1 )存储器的软错误防护技术。主要是采用信息冗余技术，但是对不同存储器通常采用形式各异的检错码，纠错码加以防护。以日本f u j i t s u 公司的p r i m e p o w e r 6 5 0u n i x 服务器为例【3 2 1 ，使用9 0 n ms p i a r c 6 4v 处理器，s p a r c 6 4v 中有4 m b 的2 级高速缓存，使用s e c d e d ( 纠单错、检双错) 码。s p a r c 6 4v 中有3 个1 级高速缓存，第一章引言7大小均是1 2 8 k b 。1 级数据高速缓存使用s e c d e d 码。1 级指令高速缓存使用奇偶校验码。如果发现错误，会从2 级高速缓存找到对应的正确备份。1 级分支历史高速缓存( l e v e l1b r a n c hh i s t o r yc a c h e ) 使用奇偶校验码，如果发现错误，会当作不命中( c a c h em i s s ) 来处理。1 级数据高速缓存和1 级指令高速缓存中的标志位( t a g ) 使用奇偶校验码，如果发现错误，会从2 级高速缓存找到对应的正确备份。页表缓存( t l b ) 使用奇偶校验码，如果发现错误，会当作不命中( c a c h em i s s ) 来处理。以i b m 公司的p o w e r 6 处理器为例【3 3 】。1 级高速缓存使用奇偶校验码保护。2 级高速缓存、3 级高速缓存、内存、内部信号( i n t e r n a ls i g n a l s ) 和所有的接口引脚( i n t e r f a c ep i n ) 均使用纠错码( e c c ，e r r o rc o r r e c t i n gc o d e ) 保护。如果1 级高速缓存检查出奇偶错误，会直接从内存中调入对应的正确数据备份。( 2 )组合逻辑和时序逻辑的软错误防护技术。时序逻辑的软错误防护技术主要是针对s e u 进行防护，组合逻辑的软错误防护技术主要是针对s e t 进行防护。一s e u 防护技术主要是设计加固的静态存储单元( h a r d e n e ds t a t i cs t o r a g ec e l l ) ，包括触发器、锁存器、s r a m 3 4 - 4 1 。较有代表性的是文献【3 4 】中提出的d i c e ( d u a li n t e r l o c k e ds t o r a g ec e l l ) 单元，d i c e 单元在内部构建节点冗余的微结构，确保任意单个节点发生瞬态故障时，可以由相邻节点来自行恢复到正确的逻辑值，整个d i c e 单元的逻辑值仍然保持不变。一s e t 防护技术较为复杂，开销比s e u 防护技术要大。需要在面积、速度、功耗和可靠性等设计参数之间作出有效折中。典型的是双模冗余和三模冗余技术。双模冗余可以有效侦测软错误( s o f te r r o rd e t e c t i n g ) ，三模冗余可以有效屏蔽软错误( s o f te r r o rm a s k i n g ) 。文献【4 2 】提出了r a z o r 方法，通过在主触发器( m a i nf l i p f l o p ) 和影子锁存器( s h a d o wl a t c h ) 之间构建异构的双模冗余结构，通过比较器来侦测软错误( s o f te r r o rd e t e c t i n g ) ，并通过微结构级回卷( m i c r o r o l l b a c k ) 技术将指令流水从软错误中快速恢复。文献【1 3 】提出了一种时差采样锁存器( t e m p o r a ls a m p l i n gl a t c h ) ，综合使用了三模冗余技术和时移采样技术( t i m e s h i f t e d ) ，可以有效屏蔽软错误。1 2 2 软错误的防护层次按照软错误防护层次的差异，软错误的防护技术可以分为工艺级、晶体管级、逻辑级、功能部件级，芯核级、指令级和线程级、系统级。( 1 )工艺级的软错误防护技术。工艺级的软错误防护技术采用抗辐照技术，即在集8合肥工业大学博士论文成电路生产过程中采用有别于c m o s 的特殊制造工艺，有效针对高能粒子辐射进行防护。i b m 公司发明的绝缘体上硅( s o l 。s i l i c o n o n i n s u l a t o r ) 工艺，通过在绝缘体上形成半导体薄膜，具有了体硅所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅c m o s 电路中的寄生闩锁效应；采用s o ! 工艺制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低电压( 低功耗) 电路等优势，可以有效针对软错误进行防护 4 3 - 4 6 。下面给出s o l 工艺的应用实例。_2 0 0 6 年1 1 月，美国推出了基于s o l 技术的p s 3 游戏机，为了购买这款游戏机，许多美国人排队长达1 0 天，这样的激情足以空前绝后，即使在太平洋战争爆发，珍珠港被偷袭的时候，他们也未曾这样排长队去银行兑换现金、抢购生活品。一旧m 公司在9 0 n m 、1 3 0 n m 、1 8 0 n m 的c m o s ，s o i 工艺下，分别对s r a m软错误率进行测算对比，部分耗尽型( p a r t i a l l y - d e p l e t e d ) s o l 的软错误率比c m o s 的软错误率平均下降了5 倍【4 6 】。-i b m 公司于2 0 0 8 年推出的6 4 位微处理器p o w e r6 ，即采用了1 0 层铜互连以及s o i 工艺，运行频率高达4 7 g h z 3 3 。一a m d 的处理器核心也是由a m d 以及特许半导体( c h a r t e r e ds e m i c o n d u c t o r ) 采用s o i 工艺生产。值得一提的是，2 0 0 8 年中科院上海微系统与信息技术研究所宣布，由王曦研究员领导的s o l 研究小组，在上海新傲科技有限公司研发平台上，通过技术创新，制备出我国第一片8 英寸键合s o i 晶片，实现了s o l 晶片制备技术的重要突破 4 7 1 。( 2 )晶体管级的软错误防护技术。电路级防护技术采用全定制的设计方法，设计防护s e u s e t 的标准单元，替代未经加固的普通标准单元，可以无缝嵌入当今流行的商用设计流程。_软错误屏蔽( s o f te r r o rm a s k i n g ) 技术。较为流行的软错误屏蔽技术是使用三模冗余技术 2 1 2 5 ，但是面积开销、性能损失较大。文献 4 8 ，4 9 通过精细调整标准单元中晶体管的尺寸来进行软错误屏蔽，该方法对于不同的工艺尺寸需要二次设计，与工艺节点的相关性强，不具有通用性。文献 5 0 】另辟蹊径，提出了s e m - l a t c h e s ( s o f te r r o rm a s k i n gl a t c h e s ) 单元，采用施密特触发器( s c h m i t tt r i g g e rc i r c u i t ) 和传输管( p a s st r a n s i s t o r ) 对组合逻辑上发生的软错误进行屏蔽。一软错误阻塞( s o f te r r o rb l o c k i n g ) 技术。该方法需要人为产生两路输入到第一章引言9( 3 )( 4 )c w s p ( c o d ew o r ds t a t ep r e s e r v i n ge l e m e n t ) 单元【5 1 】，利用c w s p单元独特的逻辑特性，在任何一路输入上产生软错误时，可以确保输出端保持不变。该特性非常适合于目前基于流水的体系结构，可以有效杜绝将软错误传播到下一级流水级。文献【5 2 】、【5 3 都是在时序单元内部构建双模冗余的微结构，产生两路输入到c w s p 单元，达到阻塞软错误的作用。文献 5 3 1 在两路输入上插入延迟单元，可以有效过滤s e t 干扰脉冲。文献【5 4 对该方法作了详尽的定性分析和定量分析，确保将延迟损失( d e l a yp e n a l t y ) 控制在1 以内。逻辑级的软错误防护技术。文献【5 5 】提出重连线技术( r e w i r e ) ，通过选择性地增加冗余功能连线，针对组合逻辑中发生的s e t 进行软错误屏蔽，达到抑制软错误的目的，并力图在面积、延迟、功耗、可测性和软错误防护性能等诸多设计参数之间取得最佳的平衡点。文献【5 6 1 提出了基于a t p g 的重连线技术，文献【5 7 】提出了基于s p f d 算法的重连线技术。针对目前综合技术和软错误防护技术相分离的现状，该类方法将二者有机结合起来，在综合阶段就统筹优化，将软错误防护性能也作为综合的优化目标。众所周知，目前主流的e d a( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 综合工具已经在低功耗设计、可测性设计方面实现了自动化，但是在软错误防护设计方面还不够成熟，还不能有效地自动生成软错误防护电路。在低功耗设计方面，s y n o p s y s 公司的d e s i g nc o m p i l e r 、c a d e n c e 公司的a m b i t ，可以自动插入门控时钟，有效降低功耗。在可测性设计方面，m e n t o r 公司的d f t a d v i s o r 、f a s t s c a n 可以自动插入扫描链并生成测试向量。逻辑级的软错误防护设计方法作为可靠性综合( s y n t h e s i sf o rr e l i a b i l i t y ) 的理论基石和算法原理，可以无缝嵌入相关的e d a 综合工具，实现软错误防护电路的自动生成，具有较大的实用性和应用前景。功能部件级，芯核级的软错误防护技术。主要是在功能部件级倦核级引入硬件冗余或信息冗余技术，以屏蔽或检测软错误。_u c l a 大学设计的镜像处理器( m p ，m i r r o rp r o c e s s o r ) 【5 8 ，使用b e r k e l e yr i s c 微处理器作为研究载体，将内嵌的两个同构芯核分别作为主m p和从m p ，按照主，从结构( m a s t e r s l a v e ) 来工作，只有主m p 的数据和地址才能输出到外部总线。主m p 和从m p 利用锁步( i o c k s t e p ) 方式工作来完成并发错误检测( c o n c u r r e n te r r o rd e t e c t i o n ) 。每个时钟周期，主m p 和从m p 都需要比较内部信号，一旦发现软错误，主m p 和从m p 都执行微结构级回卷( m i c r o r o l l b a c k ) 【5 9 。_ h i t a c h i 公司在u c l a 大学设计的镜像处理器的基础上，引入了时差( t i m ed i v e r s i t y ) 技术【6 0 】，让主m p 和从m p 错开一定时间间隔工作，比较二者l o合肥工业大学博士论文的数据总线、地址总线和控制总线的信号，并且有效避免了噪声引起的共模故障( c o r r e l a t e df a u l t s