（计算机科学与技术专业论文）高可靠微处理器设计关键技术研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 摘要 近2 0 年来，随着计算机技术的广泛应用，许多应用场合都要求计算机必须长 期稳定、可靠地运行，作为计算机系统核心的微处理器的可靠性因此受到广泛的 关注。辐射和电磁干扰是目前造成的微处理器失效的主要原因，其造成的单粒子 效应对于微处理器可靠性的影响是当前高可靠微处理器设计技术研究领域关注的 焦点。 单粒子效应中的单粒子翻转( s e u ) 现象不会损坏逻辑电路，但可改变逻辑电 路中信号的状态，从而造成电路工作紊乱，引发故障。s e u 具有偶然性、突发性 和随机性，因而成为目前高可靠微处理器抗单粒子效应设计中主要防护的对象。 提高微处理器可靠性最根本的方法是采用特殊的工艺和元器件，但是昂贵的 实现成本使其只适用于可靠性要求极高的航天领域和军事领域。对于商用微处理 器而言，从体系结构的角度进行可靠性设计是开销、性能和可靠性之间的一种较 好的折中方案。本文的研究工作具有重要的理论意义和实用价值。 经典的微处理器可靠性设计技术集中于提高时序电路和存储器的可靠性。但 是随着v l s i 工艺的进步，芯片特征尺寸变小，电路临界电荷减少，组合电路对单 粒子翻转越来越敏感，成为和时序电路一样易受s e u 干扰的部分。 针对上述问题，本文研究了针对s e u 的高可靠微处理器设计相关关键技术， 在此基础上设计实现了一个高可靠微处理器原型h r 8 0 5 1 ，并对其进行了测试和分 析，验证了多种微处理器可靠性设计技术的有效性。 首先，本文分析了单粒子效应对于微处理器的影响，特别是对时序电路和组 合电路的影响在此基础上，详细分析和讨论了四种微处理器可靠性设计关键技 术。j - ， 针对传统三模冗余技术只能保护时序电路的不足，本文将时间冗余和空间冗 余结合起来，提出了用于加固非反馈型电路的普通时空三模冗余技术和加固反馈 型电路的带双沿触发寄存器的增强型时空三模冗余技术，从而在提高时序电路可 靠性的同时增强了组合电路的容错性能 在深入分析检错纠错码( e d a c ) 技术原理、特点的基础上，本文针对普通汉 明检错纠错码的不足，提出了一种改进的汉明检错纠错码方案，降低了普通汉明 码的误检率和误纠率 本文针对算术逻辑运算单元的结构和功能的特殊性，提出了一种b e r g e r 码检 错方法，并详细分析和讨论了该技术的原理和特点。同时，本文提出了一种软硬 件相结合的控制流检测方法，对其算法和特点进行了详细的论述和分析 最后，本文在上述高可靠微处理器设计关键技术研究的基础上，设计实现了 ， 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 一款高可靠微处理器原型h r s 0 5 1 ，对本文提出的各种关键技术进行了实现。通过 故障注入和模拟仿真，测试结果表明h r 8 0 5 1 的可靠性优于非加固的8 0 5 1 微控制 器，从而验证了本文所提出的多种微处理器可靠性设计技术的有效性。 主题词：微处理器、可靠性、单粒子翻转、三模冗余、控制流检测、b e r g e r 码、检错纠错码 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h e r eh a sb e e nar a p i di n c r e a s e i nt h eu s eo fc o m p u t e rs y s t e m s m o s ta p p l i c a t i o n sr e q u i r ec o m p u t e rs y s t e m st ow o r ks t e a d i l ya n dr e l i a b l y t h i st r e n dh a s l e dt oc r i t i c a lc o n c e r n sw i t ht h ev a l i d a t i o no f t b er e l i a b i l i t yo f t h em i c r o p r o c e s s o r , w h i c h i st h eh e a r to f t h ec o m p u t e rs y s t e m r a d i a t i o na n de l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea r et w o t y p i c a lc a u 辩so f m i c r o p r o c e s s o rf a u l t s t h ei n t e r f e r e n c eo f s i n g l ee v e n te l e m e n t ( s e e ) c a u s e db yr a d i a t i o na n de l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei st h ef o c u so f c u r r e n th i g hr e l i a b l e m i c r o p r o c e s s o rd e s i g nt e c h n i q u e s s i n g l ee v e n tu p s e t ( s e l l ) p h e n o m e n o no fs e ew i l ln o td a m a g et h ec i r c u i to ft h e p l o c e s s o r , b u ti tc a l lc h a n g et h e1 0 9 i cs t a t eo ft h ec i r c u i t a sar e s u l t , t h ec i r c u i tw i l l w o r ki n c o r r e c t l ya n df a i l u r e sw i l lb eb r o u g h ti n s e ui sat r a n s i e n te f f e c ta n do e e u l s r a n d o m l y , s oi th a sb e c o m et h em a i nc o n c e r ni ns e em i t i g a t i o nt e c h n i q u e so ft h eh i g h r e l i a b l em i c r o p r o c e s s o rd e s i g n s p e c i a lv l s ia r t sa n dc r a f l sm a yb et h em o s te s s e n t i a lm e t h o dt oi m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo ft h em i e r o p r o c e s s o lb u tt h eh i 曲c o s tm a k e si to n l yf i tf o rt h em i l i t a r ya n d a e r o s p a c ea p p l i c a t i o n s f o rt h o s ec o m m e r c i a lr e l i a b l em i c r o p r o c e s s o r s ，a r c h i t e c t u r e l e v e ld e s i g nt e c h n i q u e sm a yb eab e t t e rt r a d e o 行b e t w e e nc o s t ，p e r f o r m a n c ea n d r e l i a b i l i t y o u rw o r ki ss i g n i f i c a n tb o t hi nt h e o r ya n dp r a c t i c a l i t y t r a d i t i o n a lr e l i a b l em i c r o p r o c e s s o rd e s i g nt e c h n i q u e sf o c u so ni m p r o v i n gt h e r e l i a b i l i t yo f m e m o r i e sa n ds e q u e n t i a lc i r c u i t s w i t ht h et r e n d so f r e d u c e df e a t u r es i z e s ， r e d u c e ds u p p l ya n dt h r e s h o l dv o l t a g e s ，s e ut o l e r a n c eo fc o m b i n a t i o n a lc i r c u i t si s a f f e c t e dm o r et h a ns e q u e n t i a lc i r c u i t s i ti se x p e c t e dt oe q u a lt ot h es e ur a t eo f u n p r o t e c t e dm e m o r ye l e m e n t si nf u t u r e b a s e do ns t u d y i n gk e yt e c h n i q u e so ft h eh i g hr e l i a b l em i c r o p r o c e s s o rd e s i g n , t h i s p a p e rd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dap r o t o t y p eo fh i 出r e l i a b l em i c r o p r o c e s s o r sn a m e d h r s 0 5 1 b yt e s t i n ga n da n a l y z i n gh r s 0 5 1 ，t h i sp a p e rd e m o n s t r a t e dt h eu s e f u l n e s so f o u rr e l i a b l em i c r o p r o c e s s o rd e s i g nt e c h n i q u e s j f i r s t , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei m p a c to fs e u ，e s p e c i a l l yo nt h es e q u e n t i a lc i r c u i t a n dt h ec o m b i n a t i o n a lc i r c u i t t h e n , f o u rk e yt e c h n i q u e so fr e l i a b l em i c r o p r o c e s s o r d e s i g na r ed i s c u s s e d a st r a d i t i o n a lt r i p l em o d u l a rr e d u n d a n c y ( t m r ) t e c h n i q u ec a no n l yp r o t e c tt h e s e q u e n t i a lc i r c u i t , t h i sp a p e ra d d st i m er e d u n d a n c yi nt os p a c er e d u n d a n c y t w on e w r e d u n d a n c yt e c h n i q u e sc a l l e ds p a c e - t i m e 西f r ( s t - t m r ) a n de n h a n c e ds 二办姣 ( e s t - t m r ) w i t hd o u b l ee d g et r i g g e r e dr e g i s t e r sa l ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r , w h i c h i m p r o v ef a u l tt o l e r a n c eo fb o t ht h ec o m b i n a t i o n a lc i r c u i ta n dt h es e q u e n t i a lc i r c u i t s t - t m ri se f f e c t i v ei np r o t e c t i n gt h r o u g h p u tl o g i cu i r e u i tw h i l ee s b t n 日ri se f f e c t i v e i np r o t e o t i n gs t a t e - m a c h i n el o g i cc i r c u i t 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 t l l i sp a p e ra l s oa n a l y z e st h ep r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e ro fe r r o rd e t e c t i n ga n d c o r r e c t i n g ( e d a c ) t e c h n i q u e a c c o r d i n gt ot h es h o r t a g eo ft h eh a m m i n gc o d e , t h i s p a p e rp r e s e n * e c la l la d v a n c e dr a m m i n ge d a c t h i sm e t h o dd e c r e a s e dt h ei n c o r r e c t d e t e c t i n ga n dc o r r e c t i n go f t r a d i t i o n a lh a m m i n gc o d e b a s e do nt h es p e c i a la r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o no f a l u ，t h i sp a p e rp r e s e n t sb e r g e r c o d ee r t o rd e t e c t i n gt e c h n i q u e t h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e ro f t h et e c h n i q u ei sa n a l y z e d a n dd i s c u s s e d an e wt e c h n i q u eu s e dt od e t e c te l r o l 甚i nt h ec o n t r o lf l o wb yb o t hs o f t w a r ea n d h a r d w a r ei sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , t o g e t h e rw i t haf i e l ds a v i n ga n dr e c o v e rs t r a t e g y 撇a l g o r i t h ma n dc h a r a c t e ri sa n a l y z e da n dd i s c u s s e dt o o a tl a s t ，b a s e d0 1 1t h es t u d yo fh i g hr e l i a b l em i c r o p r o c e s s o rd e s i g nt e c h n i q u e s ，t h i s p a p e r i m p l e m e n t e d a p r o t o t y p eo f h i 曲r e l i a b l e m i c r o p r o c e s s o r s n a m e d h r s 0 5 1 a l l t h e k e yt e c b n i q u e sp r e s e n t e di nt h i sp a p e ra r ei m p l e m e n t e d b yi n j e e t i n g f a u l t sa n d s i m u l a t i n g , t h er e s u l to f t h et e s ts h o wt h a th r 8 0 5 1h a sh i g h e rr e l i a b i l i t yt h a nt h e8 0 5 1 m i c r o e n n t r o u c rw h i c hh a sn o tb e e nh a r d e n e d a sar e s u l t ，t h eu s e f u l n e s so fa l lt h e t e e l m i q u e sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r i sp r o v e d k e yw o r d s ：m i c r o p r o c e s s o r ，r e l i a b i l i t y ，s i n g l ee v e n tu p s e t ，t r i p l em o d u l a r r e d u n d a n c y ，c o n t r o lf l o wc h e c k ，b e r g e rc h e c k ，e r r o rd e t e c t i n ga n dc o r r e c t i n g 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表目录 表3 1c t i v i r 及s t t m r 保护下组合电路容错性能。 3 2 表3 2c t m r 及s t - t i v i r 保护下组合电路容错性能3 2 表3 3c 1 咖l 及e s t t m r 保护下组合电路容错性能 表3 4c t m r 及e s t t m r 保护下组合电路容错性能 表3 5c - t m r 以及s t - t m r 保护下时钟线上的容错性能 3 2 3 2 。二3 3 表3 6c - t m r 以及s t - t m r 保护下时钟线上的容错性能3 3 表3 7c - t m r 以及e s t - t m r 保护下时钟线上的容错性能 表3 8c - t m r 以及e s t - t m r 保护下时钟线上的容错性能3 3 表4 1 汉明码中校验码与信息码的排列次序 表4 2 汉明码的分组表。 表4 3r 和k m a x 之间的关系 表4 4 改进汉明检错纠错算法 表5 1 与、或和异或操作的真值表 表5 2 加减法b e r g e r 码检测电路控制信号转换 3 8 。3 8 3 9 4 3 4 9 5 1 表5 3 逻辑操作、旋转及移位操作b e r g e r 码检测电路控制信号转换5 4 表7 1 控制流检测单元用于现场保护和恢复的控制信号8 5 v 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图目录 图2 1 空间辐射环境1 1 图2 2 沿离子径迹的高密度等离子示意图1 2 图2 3a 粒子引起的存贮单元信息的变化1 4 图2 4d r a m 的基本电路1 4 图2 5s e u 造成存储内容的翻转1 5 图2 6 组合电路中的s e u 干扰1 6 图2 7 时钟线上的s e u 干扰1 7 图3 1t m r 对单个存储单元的保护1 8 图3 2 表决器内部结构1 9 图3 3t m r 对寄存器组，存储单元组的保护1 9 图3 4 单模、三模可靠度曲线2 0 图3 5 表决器在关键路径上引入了延时2 0 图3 6 传统三模冗余技术详细结构2 1 图3 7 时空三模冗余技术2 2 图3 8 组合电路中的部分瞬时脉冲可以被屏蔽2 2 图3 9 时空三模冗余保护的累加器结构一2 3 图3 1 0 时空三模冗余保护下的累加器受s e u 干扰时可能出错2 4 图3 1 l 时空三模冗余保护下的累加器不受s e u 干扰时可能出错2 4 图3 1 2 表决器的v e r i l o g 描述2 5 图3 1 3 单沿触发寄存器2 6 图3 1 4 普通单沿触发寄存器晶体管实现2 6 图3 1 5 双沿触发寄存器2 7 图3 1 6 双沿触发寄存器晶体管实现。2 7 图3 1 7 带双沿触发寄存器的时空三模冗余技术2 8 图3 1 8 双沿触发寄存器单元版图2 8 图3 1 9 加法器和计数器结构2 9 图3 2 0c t m r 和s t - t m r 技术保护下时序电路( 存储单元) 的容错能力3 0 图3 2 1c - t m r 和e s t - t m r 技术保护下时序电路( 存储单元) 的容错能力3 1 图3 2 2c - t m r 和s t - t m r 保护下加法器的整体容错性能3 4 图3 2 3c - t m r 和e s t - t m r 保护下计数器的整体容错性能3 4 图4 1e d a c 对单个存储单元的保护3 5 图4 2e d a c 技术对寄存器文件，存储器的保护3 6 v i 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图4 3e d a 在关键路径上引入延时3 6 图汉明,c44e d a c 系统框图4 0 图4 5 汉明码编译器内部结构4 2 图4 6 改进汉明码在关键路径中带来的延时4 3 图4 7 并行校验减少关键路径中的延时“ 图5 1 加减法的b e r g e r 检错电路5 2 图5 2m s c a 内部结构j 5 3 图5 3 逻辑、旋转、移位操作的b e r g e r 检错电路5 3 图5 4b e r g e r 码检测电路监控a l u 5 5 图6 1 程序代码的基本块划分5 8 图6 2 程序控制流图表示6 0 图6 3 错误分支的检测6 1 图6 4 带签名检测的基本块6 2 图6 5 跳转到基本块入口的错误分支，6 2 图6 6 跳转到基本块体内的错误分支6 3 图6 7 含有多扇入节点的程序流图6 3 图6 8 共享多扇入节点中使用调整签名避免混淆6 4 图6 9 算法b 示例6 6 图6 1 0 算法b 的检测指令6 6 图6 1 l 不可检测的控制流错误6 8 图7 1 未经可靠性技术加固的h r s 0 5 1 体系结构7 0 图7 2h r s 0 5 1 的存储系统：二7 2 图7 3o r l 气# d a t a 指令格式7 2 图7 4 单个寄存器的三模冗余加固和汉明码加固的面积开销。7 4 图7 5 单个寄存器的三模冗余加固和汉明码加固的延时开销7 4 图7 6 寄存器文件的三模冗余加固和汉明码加固的面积开销7 5 图7 7 寄存器文件的三模冗余加固和汉明码加固的延时开销7 5 图7 8 看门狗定时器模块内部框图，7 6 图7 9 时空三模冗余技术保护下看门狗定时器的内部结构7 7 图7 1 0 时空三模冗余技术保护下看门狗定时器可靠性7 7 图7 1 1 偶校验方式下信息位和冗余位构成7 8 图7 1 2 汉明检错方式下信息位和冗余位构成7 9 图7 1 3 改进汉明检错纠错方式下信息位( 假设为客位) 和冗余位构成。8 0 图7 1 4 可配置e d a c 编码器结构8 0 图7 1 5 可配置e d a c 译码器结构8 1 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图7 1 6 h r 8 0 5 1 中b e r g e r 码保护的a l u 结构8 3 图7 1 7 基本块中的签名存储。8 4 图7 1 8r a m 保存和恢复单元的总体结构框图8 6 图7 1 9 写缓冲格式8 7 图7 2 0 控制流检测器结构框图8 8 图7 2 l 采用可靠性加固技术后的h r 8 0 5 1 体系结构8 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，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 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材科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 学位论文题目：直互靠筮缝垄墨遮i 土羞鳇挂盔珏嚣皇塞理 学位论文作者签名：夕窆堑名坠 j 期：夕矿莎年，月4 ，日 ， 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 ： 许论文被查阕和借阕；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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：直互靠垡矬墨墨遮盐差缝挂壅丑盔生塞煎 学位论文作者签名 作者指导教师签名 日期：秽z 年，月腑 l e t 期：加口占年芎月，芗日 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第一章绪论 近2 0 年来，随着计算机系统日益广泛的应用，其可靠性已成为一个十分突出 的问题。许多应用场合都要求计算机必须长期稳定、可靠、安全地运行，否则就 无法进行工作。在航空、航天、核控制、石油勘探、导弹控制、过程控制和金融 及交通管理等应用领域，计算机系统的一个微小的故障，都可能造成巨大的损失， 甚至会造成一场灾难的发生。因此，可靠性成了计算机系统的生命线，成为系统 能否推广应用的关键因素之一作为计算机系统的核心，微处理器的容错能力和 可靠性问题因此也得到了越来越多的关注。在微处理器研发的过程中，必须高度 重视微处理器的可靠性问题，并针对应用环境特点进行相应的可靠性设计。 1 1 课题研究背景 由于计算机技术的广泛应用，计算机使用场所逐渐从条件优越的机房转到工 厂、野外、海上、天空、宇宙等复杂的环境，其气候、力学、电磁和辐射等应力 条件往往比标准机房恶劣，恶劣的环境导致计算机及其应用系统出错的概率增加。 这也使得作为计算机系统核心的微处理器的可靠性面临着严峻的考验 相对于温度、湿度、电压等，辐射和电磁干扰引起的单粒子效应是目前造成 微处理器失效的主要原因【l 】。 航天器在空间中飞行，一直处在带电粒子构成的辐射环境中。空间辐射环境 中的高能质子、中子、粒子、重离子等都能导致航天器电子系统中的半导体器件 发生单粒子效应，严重影响航天器的可靠性和寿命。带电粒子在航天器电子系统 中产生的瞬时扰动即使持续时间很短，但对某些应用系统，可能是致命的微处 理器会因为单粒子扰动而中断正常功能，有可能导致灾难性事故。据有关资料1 2 1 统计表明，自1 9 7 1 年至1 9 8 6 年，国外发射的3 9 颗同步卫星，因各种原因造成的 故障共1 5 8 9 次，其中与空间辐射有关的故障有1 1 2 9 次，占故障总数的7 1 。而 在辐射造成的故障中，由单粒子效应造成的故障有6 2 1 次，占辐射总故障的5 5 我国发射的航天器也发生过类似的故障。 ：； 单粒子效应并非只发生于太空环境中，也发生于大气环境中m m 和波音公 司的飞行试验表明，大气环境中的中子可以导致航空电子器件发生单粒子效应。 美国费米实验室的大型计算机系统a c p m a p s ，包含有1 6 0 g b 的d r a m 存储器， 当被全面监测时，每天大约观察到2 5 次翻转，相当于每小时每位有7 x 1 0 _ 1 3 个翻 转 此外，陶瓷管壳所含的微量放射性同位素铀和钍放出的。粒子，也能在集成 第1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 电路中引发单粒子效应。这也是造成日常使用的各种微处理器不可靠的因素之一。 电磁干扰( 或称电磁辐射) 是造成微处理器产生故障的另一原因，并且是日 常应用中微处理器产生故障的主要原因。从各种商业广播装置或移动电话到民用 波段的各种无线电通信设备和广播设备都可能是电磁干扰源，同时微处理器的一 些内部模块也可能产生高频的电磁干扰，并通过系统线柬传导或是辐射到其它的 模块中去。这种电磁干扰会引发频率达无线电频率的电流和电压。据有关资科报 道【1 9 1 ，在英国高速公路上测得，这种干扰产生的影响从几伏特每米到2 0 0 v m 。这 些电磁干扰产生和单粒子效应类似的影响，即不损坏任何元器件，但是会暂时改 变微处理器的状态，从而导致故障的产生。 从上面的论述不难看出，无论是在一些特殊的应用领域还是日常应用领域， 微处理器的可靠性问题正日益彰显。 同时随着半导体技术的迅猛发展，半导体器件的集成度不断提高，器件的特 征尺寸越来越小，工作电压越来越小，相应地，临界电荷越来越小，单粒子效应 对于集成电路的影响将会越来越显著。 提高微处理器可靠性最根本的方法就是使用特殊的v l s i 设计工艺，实现防辐 射、防电磁干扰的微电子器件 3 1 。但是特殊工艺的实现成本往往太高。例如使用加 固的存储单元h m c ( h a r d e n e dm e m o r yc e l l ) 作为存储器、c a c h e 以及各种寄存器 中的存储单元。h m c 在每一个普通存储单元上加上额外的晶体管以防止存储内容 受s e u 的影响而发生翻转 4 1 。h m c 的实现不仅增加了每个存储单元的面积，同时 也增加了每个存储单元的读写时间。因此，虽然使用加固的存储单元可以高效地 防止s e u 对存储单元的干扰，但是使用特殊的存储器技术带来的开销是昂贵的， 这种开销不仅仅是面积和读写时间的开销，还包括使用特殊的实现工艺所带来的 昂贵的成本。目前只有一些高端的军用微处理器和星载微处理器中的关键部件上 使用h m c 。对于一些商用、民用高可靠微处理器而言，采用商成本的h m c 技术 无疑违背了其追求高性价比的原则 因此，目前微处理器的可靠性设计中，急需有效的设计技术，在体系结构一 级对微处理器进行改进。从而在增强微处理器可靠性的同时，降低可靠性设计的 成本。因此，该课题的研究具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 课题研究现状 1 2 1 国外微处理器可靠性设计技术研究和发展概况 国外对微处理器可靠性及其相关领域的研究起步较早，并且有了许多业已成 熟的研究成果和技术产品 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 美国自1 9 6 2 年就成立了国际核辐射及空间辐射效应组织，致力于研究核辐射 及空间辐射对于各种电子器件的影响自7 0 年代以来，单粒子效应对于电子器件 特别是微处理器的影响成为该组织年会的热门议题。自2 0 0 0 年以来，该组织更是 将微处理器的可靠性技术作为年会的重要议题。 自1 9 8 5 年至今，美国喷气推进实验室( j p l ) 每2 年汇总1 次单粒子效应模 拟试验数据。每次试验包含的器件种类涉及微处理器、微控制器、逻辑器件、r a m 、 r o m 、a s i c 、门阵列、a d 和d ，a 转换器、d c d c 电源转换器、线性电路和混 合电路以及e c l 、双极逻辑电路、c m o sd s p 、f l a s h 存储器等，特别是当前具有 代表性的一些器件，如p e n t i u m 4c p u 、5 1 2 m 位的s d r a m 、0 1 5i lm 的f p g a 等。 美国航天总局，费米实验室，欧洲空间局、法国t i m a 实验室等也都是这一 领域比较著名的研究机构。它们对在单粒子效应、电磁干扰造成的集成电路故障 方面进行了大量的试验与研究，推动了可靠性微处理器的研究和发展。 在这些研究机构的协助和推动之下，很多处理器厂商像i n t e l 、i b m 、m o t o r o l a 及s u n 都发布了抗辐射的处理器芯片，并且投入了市场。每款产品都对特殊环境 及军事应用提供了不同程度的容错、检错能力。 a t m e l 推出了存储器采用奇偶校验保护的e r c 3 2s p a r c v 7 n 容错微处理器。 m o t o r o l a 公司的m a x w e l l 设计了一款防止单粒子翻转效应的p o w e r p c i 6 1 ，其存储器 采用检错纠错码保护，同时c p u 中的一些关键模块用到了三模冗余( t m r ) 保护 技术。法国的t i m a 实验室成功设计出了一款容s e u 8 0 5 1 微控器【7 】，其所有寄存 器及存储单元都采用汉明编码来保护，对单个粒子翻转故障的容错率达到了 1 0 0 。欧洲空间局成功推出了用于空间辐射环境的l e o n i s 系列微处理器，该处 理器已被许多星载计算机采用l e o n 芯片目前在市场上的报价已达到数万美金每 片。 上述可靠性微处理器大多用于空间环境或是各类辐射环境。适用于日常应用 的可靠性微处理器也得到了大力的开发，比如m o t o r o l a 推出的m 6 8 0 4 0 微处理器 是一款采用看门狗和控制流检测技术的可靠性微处理器 9 1 ，用于检测和消除单粒子 效应或电磁干扰造成的暂时错误。这款处理器主要应用于一些可靠性比较高的系 统，如自动化交通控制a t c ( a u t o m a t i ct r a f f i cc o n t r 0 1 ) 系统。与此相似的还有m i p s 的r 3 0 0 0 1 0 j 高可靠微处理器 7 除了上述可靠性微处理器、微控制器外，许多公司还推出了相关的其它可靠 性产品，如x i l i n x 推出了抗辐射的v e r t e xf p g a 芯片【l ”。同时x i l i n x 公司承诺将 长期支持航天和军用市场，将高可靠f p g a 芯片作为其未来产品的重要分支，不 断扩大产品范围a t m e l 公司己生产出加固型f p g a 器件【1 2 j ，具有很强的抗单粒子 翻转能力 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 由此可见，国外对于微处理器失效机理的研究已经非常成熟，可靠性微处理 器技术正处于热点研发和向商用转换的阶段。并且有越来越多的研究机构投身于 可靠性微处理器的研究和开发之中 1 2 2 国内微处理器可靠性设计技术研究和发展概况 国内单粒子效应研究可以说是一项跟踪国外单粒子效应研究动态的研究【1 3 1 ， 始于8 0 年代中期。随着我国卫星上出现单粒子效应故障，单粒子效应研究得到了 高度的重视。目前，国内有多家研究机构，根据客观需求和现实条件，从不同的 侧面开展了单粒子效应研究。 。 在单粒子效应机理研究方面，主要对s r a m 的单粒子翻转效应进行了解析分 析和模拟计算，分析了影响单粒子翻转的因素和参数；研究了c m o s 器件的单粒 子效应，进行了计算机模拟分析；还对c p u 的单粒子效应进行了初步研究。 在重离子单粒子效应方面，主要开展了存储器( s r a m 、d r a m 、e p r o m 、 髓p r o m 、f l a s hr o m ) 和微处理器的单粒子效应辐照实验，其中包括对多位翻 转的探索。对a d 转换器及中小规模逻辑电路也进行了初步的单粒子效应实验研 究。在实验研究的基础上，开展了单粒子效应数值仿真和空间单粒子翻转率预估 研究，建立了初步的实验测量系统和方法。 质子单粒子效应实验研究开展得很少。在中国科学院高能物理所的质子加速 器上进行了几次s r a m 的辐照实验，并初步进行了c p u 的辐照实验，建立了基本 的实验测量系统和方法，取得了一定的成果。质子单粒子效应理论研究处于起步 阶段。 针对需求，国内还开展了中子单粒子效应研究。先后进行过d r a m 、s r a m 、 e p r o m 、e e p r o m 和f l a s hr o m 的1 4 m e v 中子辐照实验，得到了大量有价值 的成果。特别在f l a s hr o m 和e e p r o m 的1 4 m e v 中子辐照实验研究中，发现 了一些新现象，提出了一些新观点 尽管经过近二十年的研究，我国单粒子效应的研究取得了很大的成绩，得到 了许多有参考价值的结果，对正确认识单粒子效应规律和采取适当的加固措施有 重要的指导意义。但是前为止，对存储器及c p u 中的单粒子效应的研究还停留在 实验室阶段尽管有一系列对于计算机系统可靠挂设计技术的研究，但是基本上 都是通过多机的冷、热备份来提高可靠性的。微处理器的可靠性设计技术还没有 得到有效的研究，与国外先进研究成果还存在很大的差距。 1 3 课题研究内容 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 1 3 1 课题研究的内容 本课题的目标是：对微处理器各功能单元进行恶劣环境下的失效情况分析， 开展对高可靠微处理器设计和实现关键技术的研究。 基于上述目标，该课题的主要研究内容有： 1 单粒子效应下微处理器失效分析 微处理器各组成功能单元，如存储器、a l u ，或是内部电路，如时序电路、 组合电路等，由于其结构不同，它们对于单粒子效应的敏感程度是不同的，因此 采取的保护策略也会有所不同。在研究各种提高可靠性的策略之前必须先对微处 理器各组成部分在单粒子效应和电磁干扰下的失效情况进行深入细致的分析，为 后续的研究工作奠定基础。 2 高可靠微处理器设计关键技术和体系结构研究 微处理器的可靠性设计，最直接的方法就是加固的各种存储单元这种方法 尽管最为直接和可靠，但是会带来极大的面积开销和性能损失，并且实现的成本 和工艺要求都太高。因此在体系结构一级进行加固是一种高效的方法。课题研究 的主要内容就是要在高可靠微处理器失效分析和现有微处理器设计技术的基础 上，研究微处理器不同模块的相应保护策略，从而设计出高效的高可靠微处理器 体系结构，解决好高可靠微处理器中各部件的功能划分与协作机制，达到极大提 高c p u 整体性能的同时增强可靠性，简化硬件设计的目的，并结合体系结构性能 评价和可靠性评价，不断改进和完善高可靠微处理器的体系结构。并且从一定程 度上降低微处理器的功耗、面积开销和性能损失。 3 高可靠微处理器原型设计和实现 根据高可靠微处理器体系结构，充分利用我们在已经掌握的微处理器内核设 计技术和v l s i 实现技术，在完成体系结构设计、验证及可靠性和性能评价后，使 用硬件描述语言进行r t l 级功能设计与验证。在保证功能正确性的基础上，对可 靠性和性能进行评估，找出影响微处理器可靠性和性能的瓶颈，并从逻辑设计上 改进可靠性和性能，消除瓶颈，满足设计要求。 4 高可靠微处理器测试方法的研究与实现 在高可靠微处理器研制的各个阶段，都需要有相应的可靠性验证的方法，以 检验所采用的检错容错机制的有效性。拟研究的验证技术主要有两个方面，一是 在设计的早期阶段，在使用硬件描述语言进行r t l 级功能设计与验证时通过软件 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕