（电路与系统专业论文）纳米电子系统容变化与容错问题研究.pdfVIP

u n i v e r s i t yo fs c i e n c e a n d t e c h n o l o g yo fc h i n a adi s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e gr e e v a r i a t i o na n df a ul tt o l e r a n t i s s u e sinn a n o e l e c t r o ni c s a u m o r sn a m e ： s p e c i a l i t y ： ，1 s u p e r v i s o r ： 1 - fi n i s h e dt i m e ： y iy _ a n 2 - ， c i r c u i t sa n ds y s t e m s a s s o c i a t ep r o f bi nl i m a y1 0 眦，2 0 1 2 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作 了明确的说明。 作者签名：垃丝签字日期：丛1 2 ：垒 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有 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。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 酗开口保密( 年) 作者签名：趣旌 签字日期：塑! 兰：笸 导师签名： 砟 签字日期：皇垒堡：垒乏：易多 摘要 摘要 随着电子系统尺度的持续缩小，器件尺寸不可避免的会达到它的物理极限。 纳电子技术作为新兴的技术，在器件集成密度、速度以及功耗等方面将比传统 c m o s 技术有显著提高。但是，由于极低的器件尺寸、以及制造工艺的精度等原 因，使得可靠性问题成为纳电子器件与系统广泛应用前所必须面对的巨大挑战。 近年来，纳电子器件与系统的可靠性问题已成为电子设计与测试领域新的研 究热点，主要集中在容变化、容缺陷和容错问题三个方面。本文所研究的纳电子 系统可靠性问题的主要工作和成果归纳如下： 1 ) 调研了新兴纳电子技术带来的机遇和挑战，以及目前主要纳电子器件的 特点，着重研究了基于c r o s s b a r 结构的纳电子系统的容变化逻辑映射问题和容缺 陷逻辑映射问题。 2 ) 在逻辑级，针对c r o s s b a r 容变化逻辑映射问题，本文首次同时考虑多个优 化目标，将容变化逻辑映射问题定义为多目标优化问题，通过扩展n s g a i i 算法 来求解该问题。实验结果表明，本文的方法可以在在优化逻辑映射总延时的同时， 平衡各条路径延时，此外，还可以为容变化逻辑映射问题一次提供多个可行解。 3 ) 基于对c r o s s b a r 容缺陷逻辑映射问题的研究，本文通过缺陷注入的方式， 将容缺陷逻辑映射问题转化为容变化逻辑映射问题。在考虑容变化问题的同时， 考虑容缺陷问题，经过改进的n s g a i i 也表现出了理想的效果。 4 ) 在系统级，本文以纳电子系统的容错问题作为主要研究对象，在 n a n o c m o s 混合容错系统的基础上提出了拓扑相关的容错问题，并分析了该问 题中冗余组织的代价构成。通过用权重二部图模型描述了容错系统的拓扑结构， 并在此基础上为拓扑相关的容错问题设计了有效的冗余组织算法。通过相关实验 结果，分析了拓扑相关的容错问题的重要性及其影响因素。 关键词：纳电子可靠性逻辑映射容变化容缺陷多目标优化问题拓扑相关 的容错问题 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h es c a l eo fe l e c t r o n i cs y s t e m sc o n t i n u e st os h r i n k ，c m o s - b a s e dd e v i c e s w i l lr e a c hi t sp h y s i c a ll i m i t s a sa ne m e r g i n gt e c h n o l o g y , n a n o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y h a sb r o u g h tr e m a r k a b l ei m p r o v e m e n ti nd e v i c ei n t e g r a t i o nd e n s i t y , s p e e da n dp o w e r c o n s u m p t i o n ，c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc m o s - b a s e dt e c h n o l o g y h o w e v e r , d u e t o t h ee x t r e m e l ys m a l ls c a l ea n dt h ep r e c i s i o no fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，r e l i a b i l i t y i m p o s e sah u g ec h a l l e n g e t om a k en a n o e l e c t r o n i cd e v i c e sa n ds y s t e m sf e a s i b l e i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e s i g nf o rr e l i a b i l i t yo fn a n o e l e c t r o n i cd e v i c e sa n ds y s t e m s h a se m e r g e da sac e n t r a lc o n c e r ni ne l e c t r o n i c a ld e s i g na n dt e s t i n gf i e l d s ，a n dt h e r e s e a r c h e sm a i n l yf o c u so nt h r e ea s p e c t s ：v a r i a t i o nt o l e r a n c e ，d e f e c tt o l e r a n c ea n d f a u l t t o l e r a n td e s i g n t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h ed e s i g nf o rr e l i a b i l i t yo f n a n o e l e c t r o n i cs y s t e m t h em a i nw o r ka n dt h ei n n o v a t i o na r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： 1 t h eo p p o r t u n i t i e sa n dc h a l l e n g e so ft h ee m e r g i n gn a n o e l e c t r o n i ca r e i n t r o d u c e di nt h et h e s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa l s oi n v e s t i g a t e d ，n a n o e l e c t r o n i cc r o s s b a r a sap r o m i s i n ga r c h i t e c t u r ei sd e s c r i b e di nd e t a i l ，e s p e c i a l l y ，v a r i a t i o na n dd e f e c t t o l e r a n tl o g i c a lm a p p i n gp r o b l e mo fn a n o e l e c t r o n i cc r o s s b a ra r ew e l ls t u d i e d 2 a tt h el o g i cl e v e l ，t h ev a r i a t i o nt o l e r a n c el o g i cm a p p i n gp r o b l e mi s f o r m u l a t e da sam u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e mi nt i f f st h e s i s w ed e v e l o pa n d a p p l yaw e l l k n o w nm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mn s g a i i o nt h e v a r i a t i o nt o l e r a n tl o g i cm a p p i n gp r o b l e m t h ea l g o r i t h mn o to n l ym i n i m i z e st h e d e l a yo ft h el o g i cm a p p i n ga n db a l a n c e sa l lt h eo u t p u tp a t h s d e l a y , b u ta l s op r o v i d e s m o r eo p t i m a ls o l u t i o n sa to n et i m e 3 b a s e do nt h es t u d i e so ft h ec r o s s b a r sd e f e c tt o l e r a n tl o g i cm a p p i n g p r o b l e m ，t h ed e v e l o p e dn s g a i ii se x t e n d e dt ot h ed e f e c tt o l e r a n tp r o b l e m ，i tc a n t o l e r a t ev a r i a t i o no nt h eb a s i so fd e f e c tt o l e r a n c e 4 a tt h es y s t e ml e v e l ，o u rt a r g e ta i m sa tt h ef a u l t t o l e r a n td e s i g no f n a n o e l e c t r o n i cs y s t e m s a c c o r d i n gt ot h ec o n c e p to fv o t e r c u n i ts t r u c t u r e ， t o p o l o g y - a w a r ef a u l t - t o l e r a n tp r o b l e mi sp r o p o s e d ，a n dt h ec o n s t i t u t i o no ft h ec o s t o nr e d u n d a n c yo r g a n i z a t i o na l s oi sa n a l y z e d ，a n dt h e nw ed e s c r i b et h et o p o l o g yo f t h ef a u l tt o l e r a n ts y s t e mw i t hb i p a r t i t ew e i g h t e dg r a p h ，a n dp r o p o s ea ne f f e c t i v e r e d u n d a n c yo r g a n i z a t i o na l g o r i t h m b a s e do nt h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， i i a b s t r a c t w ec a nf u l l yu n d e r s t a n dw h i c hf a c t o r sa f f e c tt h et o p o l o g y - a w a r ef a u l t - t o l e r a n t p r o b l e m ，a n dh o wt h ef a c t o r si m p a c tt h ep r o b l e m ，a l s ot h en e c e s s i t yo ft h i sp r o b l e m i sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：n a n o e l e c t r o n i c s ，r e l i a b i l i t y , l o g i c a lm a p p i n g ，v a r i a t i o nt o l e r a n c e ， d e f e c tt o l e r a n c e ，m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e m ，t o p o l o g y - a w a r e f a u l tt o l e r a n tp r o b l e m i i i 丑录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 新兴的纳米电子学发展1 1 3 纳米电子技术面临的挑战3 1 4 国内外研究现状3 1 5 本文的主要工作和内容组织4 第二章新兴的纳米电子技术7 2 1 基于纳米线的器件7 2 2 纳米c r o s s b a r 结构8 2 3 纳米电子系统1 1 2 4 纳电子电路设计面临的新机遇和新挑战1 3 2 5 本章小结1 4 第三章纳电子c r o s s b a r 逻辑映射问题15 3 1 纳米c r o s s b a r 逻辑映射简介1 5 3 1 1 c r o s s b a r 变化特性与缺陷类型1 6 3 1 2 纳米c r o s s b a r 逻辑映射研究现状1 7 3 2 纳米c r o s s b a r 容变化逻辑映射18 3 2 1c r o s s b a r 延时测量1 8 3 2 2 权重二部图映射模型1 9 3 2 3 映射矩阵模型2 0 3 3 纳米c r o s s b a r 容缺陷逻辑映射2 1 目录 3 3 1 二部图模型的缺陷注入2 1 3 3 2 矩阵模型的缺陷注入2 2 3 4 纳米c r o s s b a r 容变化逻辑映射问题定义2 2 3 5 本章小结2 3 第四章逻辑映射算法研究2 5 4 1 多目标容变化逻辑映射问题2 5 4 1 1 容变化逻辑映射问题优化目标2 5 4 1 2 多目标问题2 6 4 1 3 帕累托最优2 6 4 2 穷举法2 7 4 3 多目标遗传算法2 8 4 3 1 遗传算法简介2 8 4 3 2n s g a i i 介绍31 4 3 3 逻辑映射问题的编码3 4 4 3 4 遗传算子3 4 4 4 容缺陷问题扩展3 5 4 5 实验设计以及实验结果3 6 4 5 1 容变化实验设计3 7 4 5 2 容变化实验结果及分析3 7 4 5 3 容缺陷实验扩展4 l 4 6 本章总结4 4 第五章纳电子系统容错问题4 5 5 1 纳电子系统可靠性问题面临的机遇和挑战4 5 5 1 1 充足的硬件资源4 5 5 1 2 规则性和可配置性4 5 5 1 3 严格的互连约束4 6 5 1 。4 传统容错方法介绍4 6 5 2 纳电子系统可靠性问题的解决思路4 7 5 2 1 纳电子特性的充分考虑4 8 5 2 2 分层设计和多方法混合4 8 5 2 3 可靠性量化设计4 9 v 目录 5 3n a n o c o m s 混合系统4 9 5 3 1 c m o s - n a n o 接口实现5 0 5 3 2 混合系统容错机制5 0 5 4 拓扑相关的容错问题5 0 5 4 1 互连约束的容错系统介绍5 0 5 4 2 拓扑相关的容错问题模型5 0 5 5 拓扑相关的冗余组织算法5 0 5 6 实验结果及实验结果分析5 0 5 6 1实验设计5 0 5 6 2 实验结果及结果分析5 0 5 7 本章总结5 0 第六章全文总结和展望5 0 6 1 全文总结5 0 6 2 展望5 0 参考文献5 0 致谢5 0 攻读硕士学位期间发表的论文和参与的科研项目5 0 v i 第一章绪论 1 1研究背景 第一章绪论 作为英特尔创始人之一的戈登摩尔在1 9 7 5 年曾预言：在一个芯片上集 成的晶体管数量每两年会翻一番 1 。自摩尔定律问世几十年以来，可以看到半 导体芯片制造工艺水平以一种令人目眩的速度提高，人们禁不住会问：这种令 人难以置信的发展速度是否会永无止境地持续下去。 近几十年以来，芯片制造厂商通过晶体管的尺寸的持续缩小来达到晶体管 数量的指数增长，可以预见这种缩小不久将走到尽头。传统的基于光刻的c m o $ 集成电路由于物理限制 2 和工艺 3 的原因正在迅速地接近它现实的极限，包括 极薄的栅氧化层、短沟道效应、芯片的掺杂波动，不断增长的光刻难度和成本。 总之，技术困难和经济成本等因素被认为是摩尔定律走到尽头的主要原因。因 此，研究新的材料来补充甚至替代传统的c m o s 器件，并试图延伸摩尔定律成 为研究人员的一项重要任务。 由于极高的器件密度( 约1 0 1 2 c m 2 ) 、极高的操作频率( 超过1 0 0 g h z ) 和 低功耗等优点 4 1 1 5 1 1 6 7 】，它们共同构成纳米电子器件和结构具备未来补充甚 至替代c m o s 技术的先决条件。近年来，许多新兴纳电子器件的参数已经被验 证或预计，例如石墨烯纳米带 8 】 9 ，碳纳米管( c n t ) 1 0 1 1 】，纳米线( n w ) 1 2 1 3 ，单电子晶体管( s e t ) 1 4 ，分子器件 1 5 ，铁磁体器件【1 6 ，自旋器 件 1 7 等。然而挑战与机遇并存，由于小尺寸特性和化学自组装的生长方式， 较高的不可靠性和严格的局部互连约束成为纳米电子器件和系统投入应用的重 要制约因素。 在这样的背景下，如何利用新兴纳米电子技术所带来的机遇，进行纳米电 子系统设计成为目前相关邻域研究人员亟待解决的问题。其中，解决好纳米电 子器件和系统的不可靠性，也是纳米器件投入实际应用的首要条件。 1 2 新兴的纳米电子学发展 集成度提高使得更多的器件可以被集成在一个模板上，因此每个芯片提供 了更好的功能性。例如，增加集成度使得微处理器可以包含更大的缓存来加速 存储访问和浮点单元来加速浮点运算。提高集成度也使得同样的电路变得更小， 更便宜，更快同时消耗的功耗更少，例如我们现在广泛使用的移动电子产品。 第一章绪论 根据国际半导体发展路线图( 1 t r s ) 最近的预测，m o s f e t 尺寸缩小的尽头大 约在2 0 2 2 年，大约为1 l n m 工艺f 1 8 】，并预测在达到2 2 r i m 之后，器件就会呈 现出比较棘手的障碍，例如：渐增的能量消耗( 尤其是通过泄漏电流) ，对工艺 变化较低的容忍性以及渐增的成本等 1 9 1 。根本上来说，降低尺寸就是为了使 得制造的单个晶体管更小，更快，更便宜，并且消耗的能量更少。然而很不幸 的是基于光刻掩膜的晶体管的尺寸缩小不能无限制持续下去。幸运的是，在晶 体管接近它们的尺寸极限的时候【1 9 】，纳米电子学可能会延续这种缩小。 尽管采用当前的工艺可以解决大部分的问题，然而有两个重要的例外，物 理尺寸的限制和令人震惊的成本可能迫使集成电路制造方法发生根本性的转 变。很多学者认为这个根本性转变就是纳米电子学，通过物理、化学、生物以 及工程领域的交叉，纳米电子学可以提供这样一个解决方案：在降低制造成本 的同时，促使集成电路的尺寸突破现代晶体管尺寸的物理限制【1 9 。 从c m o s 技术到纳米电子学的最大转变就是制造方法的变化。研究人员可 以在试管中制造大量而廉价的纳米电子学器件例如，个体纳米线，二极管，纳 米场效应管，以及纳米开关等。所有这些器件的尺寸只有几个纳米，因此可以 达到传统集成电路所达不到的集成度。纳米电子学被预计可以在每平方厘米集 成1 0 1 2 个器件，而i t r s 1 8 预测在2 0 1 8 年制造厂商只能达到每平方厘米1 0 1 0 个m o s f e t 晶体管的集成度 19 。 器件极小的尺寸使得器件集成将很难实现，另外现在的集成电路几乎可以 有任意图案，因而以现在制造过程独立地对纳米电子学器件形成集成图案也是 不可能的。基于上述原因，纳米电子学很有可能采用随机白组装的方式产生规 则的结构。与确定性的自组装不同，随机自组装意味着芯片制造允许器件在几 乎没有外界介入的情况下通过相互引导来构造结构。由于器件个体先被制造， 然后再组装成一个结构，并且基于可用的资源来使用组装好的结构，这与传统 集成电路自顶向下的制造方法相反，所以通常被称为自底向上的方法。在传统 自顶向下的制造方法中，先进行高层结构设计，然后把必要的器件组装在一起 以实现这个设计。已经表明采用自底向上的化学自组装技术 2 0 】，可以通过组 装纳米管( 或者纳米线) 和纳米电子学逻辑器件来构造纳米电子学结构。由于 化学自组装结构意味着规则的结构性质，因此适合实现规则的类似于可编程逻 辑矩阵( p l a ) 的矩阵结构。基于矩阵的纳米电子学结构吸引了大量的关注并 被提出和研究 2 1 2 2 】 2 3 【2 4 2 5 】。其中，二维纳米电子学c r o s s b a r 被认为是这 些结构中的基本模块并起到了关键的作用，因为它不仅可以作为可编程逻辑模 块也可以作为互连模块。 2 第一一章绪论 1 3 纳米电子技术面临的挑战 和其他技术相同，挑战与机遇并存。纳米电子学产生的不可靠性被认为是 最大的挑战。相比c m o s 器件，纳米电子器件不仅具有高的缺陷密度，同时高 的运行时错误率。因而，不可靠性成为纳米电子器件和系统大规模投入使用的 瓶颈。 由于纳米线和纳米电子学器件的极小的尺寸以及极弱的外部控制，自底向 上的组装过程导致较高的缺陷密度。虽然缺陷密度的精确值还是未知的，但是 纳米电子学芯片上1 一1 5 的资源( 线，开关等) 被认为将是有缺陷的 1 9 】， 这比传统的c m o s 要高好几个数量级。对于现在的基于光刻的c m o s 技术， 最常见的处理缺陷的方式就是拒绝任何存在缺陷的芯片。这种处理方式将对纳 米电子学来说不再适用，因为它们固有的缺陷密度意味着几乎不存在完全无缺 陷的芯片。 纳米线或者纳电子器件自集成的生长方式除了带来缺陷之外，参数变化也 是一个重要的挑战。这主要是由于自下而上生成的纳米线在长度和厚度方面不 一致，同时在交叉点的载流子浓度也不一致。这会带来严重的电容、电阻等电 学参数的不一致。因而参数变化也是纳米电子学面临的一个主要挑战。 此外，由于极小的器件尺寸和极低的供给电压，除了制造缺陷以外，纳电 子器件被认为还会经历高的运行时错误以及敏感的参数变化。极小的尺寸和极 低的电压会降低器件噪声容忍度，同时增加器件对环境中的温度、射线以及背 景噪声等外界因素的敏感性。造成的结果就是纳尺度系统会存在功能的不确定 性。因此，严重的参数变化和较高运行时错误问题成为纳米电子器件和系统可 靠运行的障碍。 最后，极小的尺寸和极低的功耗操作特性使得纳米电子学存在较严格的互 连约束，严格的局部互连特性成为纳米电子学的又一个挑战。 综合上述问题，敏感的参数变化、高缺陷率以及高错误率成为纳米电子学 面临的巨大挑战。虽然面临种种挑战，但幸运的是，纳米电子学提供的极高的 器件密度( 可提供大量的硬件冗余资源) 和规则的可重配置能力( 类似p l a ) ， 这为解决种种挑战提供了便利条件。 1 4 国内外研究现状 高缺陷密度使得新兴的纳米电子学结构迫切需要设计精妙的容缺陷技术， 因此为使得有缺陷倾向的纳米电子学达到可靠计算，众多的研究工作致力于纳 第一章绪论 米电子学申的容缺陷技术。近年来，。提出的容缺陷技术主要分为两类：缺陷已 知的容缺陷设计技术【2 6 2 7 【2 8 】 2 9 3 0 3 1 3 2 】和缺陷未知的容缺陷设计技术 【3 3 3 4 】 3 5 。缺陷已知容缺陷设计技术试图有更高的资源覆盖性和利用率，更 适合用户自定制设计；而缺陷未知设计技术试图最小化每个芯片的后制造设计 工作量，并大幅削减需要保存的缺陷地图尺寸，更适合大量生产。与容错方法 以及容变化方法相比，这两种方式的容缺陷方法都相对成熟，且效果较好。 由于任何电子器件参数变化对器件的行为特性都具有重要影响，针对纳米 电子学的容参数变化近来也受到少量研究工作者重视 3 6 3 7 ，容变化研究主要 是集中于研究器件延时参数，采用智能优化方法 3 6 、图同构 3 7 等方法优化器 件延时。容变化是近年来被逐渐重视的一个重要的研究课题，目前的研究工作 还比较少。 容变化与容缺陷的研究工作大多集中在纳米器件级或结构级。为了实现可 靠的纳米电子系统，多模块冗余( n m r ) 和多路( m u l t i p l e x i n g ) 等基于冗余的 容错技术再次得到学者们的广泛重视 3 8 3 9 4 0 4 1 。近年来，人们重点研究 了器件错误行为及其建模方法 4 2 1 1 4 3 1 、以及合理设定冗余度的理论与方法 3 9 4 0 等。这些工作主要基于单一功能器件的可靠性问题进行研究，或者将整 个系统视为一个静态系统并通过冗余配置提高系统可靠性。而任何实际的计算 系统都是由大量不同的功能器件组合而成，各功能器件错误的行为及成因各不 相同，因此器件错误概率及其变化模式可能各不相同，前期的基础研究成果远 不能满足实际大规模系统的设计要求。因此，需要研究更为高效、智能的设计 方法来解决如此大规模、复杂的冗余资源配置以及集成设计问题，在保证可靠 性的同时，满足用户在硬件资源和功耗等多方面的设计需求。 综上，研究容变化问题，进行更有效且合适的容错设计对纳米电子学可靠 应用显得比较重要。这也是本文主要工作所在。 1 5 本文的主要工作和内容组织 针对当前纳米电子学可靠性设计面临的技术难点，本文遵循在器件级或逻 辑级进行容变化、容缺陷研究，而在系统级进行容错研究的原则，对于c r o s s b a r 逻辑映射问题以及纳电子系统考虑互连的容错问题进行研究，并给出了相应的 可靠性优化方法。本文的主要贡献包括： 1 ) 研究了纳米电子学的发展，重点调研了一种很有前途的结构纳电子 c r o s s b l t l 。通过对c r o s s b a r 逻辑映射问题的研究，提出了多重目标设计的思想， 并重点将容变化逻辑映射问题看作多目标优化问题加以解决。 4 第一章绪论 2 ) 通过对c r o s s b a r 容缺陷逻辑映射问题的研究，将多目标优化方法n s g a i i 扩展到容缺陷逻辑映射问题，在容缺陷的基础上得到容变化的逻辑映射方案。 3 ) 以一种被认为有前途的c m o s n a n o 混合系统为研究对象，分析了该系 统的容错代价构成，并提出拓扑相关的容错问题模型以及相关与之相关的冗余 组织算法，期望以最小的冗余组织代价满足系统的可靠性要求。 各章节的具体内容组织如下： 第一章从新兴的纳电子技术带来的机遇和挑战方面入手，分析了课题的研 究背景，阐述了纳米电子学中可靠性问题的相关研究现状。 第二章研究了目前主流的纳电子器件和纳电子系统，重点介绍了纳电子 c r o s s b a r 结构的特性。分析了纳电子电路以及系统所面临的机遇和挑战。 第三章重点研究了纳米电子c r o s s b a r 逻辑映射问题，主要是对c r o s s b a r 容 变化逻辑映射问题和容缺陷逻辑映射问题的问题模型以及问题描述进行了相关 研究。 第四章重点研究了纳米电子c r o s s b a r 容变化逻辑映射算法，主要是对多目 标容变化逻辑映射的相关算法做了调研，主要介绍了穷举法和一种扩展的多目 标遗传算法n s g a i i 两种算法，接着将n s g a i i 扩展到容缺陷逻辑映射问题中。 最后展示了相关实验设计以及实验结果分析。 第五章阐述了纳米电子系统容错设计问题，从系统可靠性设计所面临的机 遇和挑战入手，详细介绍了可靠纳电子系统的设计思路。接着介绍了一种被认 为有前途的、基于c m o s n a n o 的混合容错系统。在该系统基础上提出了拓扑相 关的容错问题及其问题模型。最后提出冗余组织的容错算法，并展示了实验结 果以及结果分析。 第六章是对本文的总结和展望，主要总结本文以及介绍下一步的工作计划。 第一章绪论 6 第二章新兴的纳米技术 第二章新兴的纳米电子技术 本章主要介绍新兴的纳米电子技术，侧重于基于纳米线的器件。着重介绍了 纳电子c r o s s b a r 结构以及纳米电子系统。除此之外还简要阐述t c r o s s b a r 结构和纳 米电子计算系统所面临的挑战。另外，与容变化、容缺陷以及容错问题相关工作 的调研也会在本章中详细介绍。 2 1基于纳米线的器件 研究表明碳纳米管和纳米线不仅仅可以用来作为连接的器件 4 4 1 ，由于纳 米线在生长过程中可以控制载流子类型和载流子浓度，所以还可以生长p 类型 和n 类型填充的半导体纳米线。基于上述原因，在众多的新兴纳米器件中纳米 线被认为是未来很有前途的器件。 依据p - n 结的特性，通过氧化物的生长来避免连接。研究人员在 4 5 1 1 4 6 1 展 示了利用纳米线生长二极管和场效应晶体管f e t 的方法。基于传统的硅工艺， f e t 可以用来制作逻辑门。c u i 和l i e b e r 在 4 6 】中介绍了基于纳米线的二极管和 晶体管的应用。 p 类型和n 类型的半导体纳米线可以在他们交叉点形成一个结，因为两条 交叉的纳米线可以形成一个短电路，大的电流流过p - n 结，通过加热暴露在空气 中的p - n 结来获得生成氧化物 4 7 。从图2 1 ( b ) 可以看出，纳米线交叉点的二 极管的电流一电压曲线与c m o s 的电流一电压曲线的规律是一致的，均服从式 2 1 。 i = i s ( e ( 7 r r ) 一1 ) ( 2 1 ) 第二章新兴的纳米技术 c 宅5 0 盘 藿 。 墨 u - 5 0 v o l t a g e ( v ) v o l t a g e ( v ) 图2 1 基于s i 填充的纳米线交叉结 4 6 两束纳米线可以用来生长二极管，而三束纳米线通过合理交叉形成的交叉 点可以用来产生三端器件( 例如f e t s ) ，微观图如图2 1 ( a ) 中所示。在图2 1 ( c ) 中描述了集电极一基极之间的电流随着基极一发射极之间电压、集电极 一基极之间电压的变化曲线。传统晶体管的电流增益随着集电极基极的电压 关系如图2 1 ( d ) 所示。可以看出基于s i 填充的纳米线二极晶体管具有好的电 流增益特性。这份研究可以表明基于纳米线的晶体管在未来的系统中有可能代 替基于c m o s 技术的晶体管。 除了基于纳米线的器件，分子器件也显示了好的特性。例如分子共振隧道 二极管则具有负微分电阻的特。1 生 4 8 1 。通过合理的使用，它可以用来作为信号 恢复和v o 分离功能的分子锁相环。除了负微分电阻之外，有机分子器件可以 用来作为非易失性的可编程分子开关 4 4 。用途还远不止如此，例如使用碳纳 米管可以起到开关的作用，而使用两束碳纳米管正交可以形成c r o s s b a r ，这两束 碳纳米管在范德瓦尔斯引力的作用下贴在一起，通过施加电压的方式对交叉点 进行编程保证交叉点的状态 4 9 】。 2 2 纳米c r o s s b a r 结构 基于纳米线的c r o s s b a r 结构可以用来实现逻辑函数，例如，研究人员使用 正交纳米线之间的环状分子实现存储、逻辑模块以及可编程互连 5 0 5 1 。通过 对纳米c r o s s b a r 阵列的纳米线提供不同的电压可以实现对交叉点的编程，而交 叉点通过对两组纳米线( 水平纳米线和垂直纳米线) 编码可以用来实现寻址功 能。在图2 2 就介绍了一种纳米c r o s s b a r 的结构。 第二章新兴的纳米技术 u p p e rp l a n e 图2 2 基于双稳态开关的纳电子c r o s s b a r 5 2 1 除了基于开关的c r o s s b a r 之外，基于f e t 的c r o s s b a r 也可以提供p n 结的 功能。这些结构可以通过对交叉点激活或者关闭实现f e t 的功能以及对线的中 断和导通。 由于纳米c r o s s b a r 具有规则、可配置和可互换等特性，纳米c r o s s b a r 可以 作为基本构成单元实现一些类似n a n o p l a 、n a n o f a b r i c s 、c m o l 以及补充的n 和p 类型的阵列等较复杂的结构。纳米c r o s s b a r 作为这些结构的核心组成实现 一系列逻辑函数。其中下列几种结构是被研究学者最为认可的。 赫 图2 3c m o l 结构 5 3 】 c m o l 是一种c m o s 器件与纳米器件混合的结构，在c m o l 中基于二极 管的纳米c r o s s b a r 结构集成在c m o s 单元的上部。在图2 3 中显示了c m o l 结 构的截面图以及俯视图，可以看出c m o l 使用锥状插槽来实现c m o s 与 c r o s s b a r 阵列的连接，c r o s s b a r 结构绕着锥状插槽旋转某一小于9 0 度的夹角。 从图中可以看出即使它们不能精确对准，也可以实现c m o s 单元与纳米单元的 连接。因此即使存在高的缺陷率，这种混合结构仍然可以用在未来的系统中。 图2 3 左图所示的c m o l 截面图，由于纳米c r o s s b a r 结构相比c m o s 单元 来说具有更小的尺寸，因而锥形插槽更容易实现c m o s 单元与纳米c r o s s b a r 之 间的连接。从图2 3 中图可以看出对于特定纳米器件，该结构具有好的可寻址 特性，任何单个纳米器件的地址都可以由某两条纳米线决定，从图2 3 右图显 示了整个结构的寻址可以通过对插槽的编码来实现。 9 第二章新兴的纳米技术 ! 。瑟碧荔缓徽l g , r t e f 融哆h 图2 4n a n o f a b r i c 结构 5 4 j n a n o f a b r i c 作为另种有前途的结构如图2 4 所示，该结构的实现类似于 现在f p g a 的思想，通过开关模块实现纳米逻辑模块的路由功能，而每一个纳 米单元则包括一个基于二极管一电阻逻辑( i m l ) 的分子逻辑阵列( m l a ) 。 因为r d l 会遭受电压降低的危害，所以复位工作是必要的。对于纳米模块来说， 复位是通过与输出线正交的分子锁存器实现的。 l o g i ea r r a y i n v e r t e r w i r e s 图2 5n a n o p l a 结构 5 5 3 另一种被认为有前途的纳米结构如图2 5 所示的n a n o p l a ，n a n o p l a 是由 纳米c r o s s b a r 阵列实现逻辑操作，其中硅填充的纳米线可以实现寻址、复位以 及电平翻转 5 6 】。对纳米c r o s s b a r 的随机地址译码器是由填充的纳米线组成的。 由于轻微填充的区域会对输入比较敏感，所以地址译码器理论上是可以实现的。 可编程纳米c r o s s b a r 的输出则是通过基于f e t 的纳米线实现复位操作。除此之 外，这簇线还可以用来实现信号翻转。基于上述理由可推断出一般的逻辑函数 都是可以实现。 除了基于二极管的c r o s s b a r 之外，基于f e t 的c r o s s b a r 也可以作为某些实 1 0 第二章新兴的纳米技术 现逻辑函数的复杂结构的基本单元。例如，基于f e t 的c r o s s b a r 可以实现n o r 的c r o s s b a r 平面 5 5 。此外，基于f e t 的另外一种结构n a s i c 也被认为是有前 途的，其结构如图2 6 所示。 使用基于纳米线f e t 的动态电路，n a s i c 结构可以实现不同的逻辑电路。 组合这些不同的逻辑电路可以实现任何的逻辑函数 5 7 。使用纳米线f e t 构建 复杂结构的最主要原因是这样做更适合应用领域。因而，适用性、级联以及路 由功能的合理设计则显得非常重要。 陋缸杠刊粼d y n 。a 蛾m i c v 甜g r i d h e r a童bh p f e p 耙采黪洲d y n a 潮r 精。澈 g r d v p c e 鑫bv e ；v a 萝皋萼警亲采末翥。d y r n 轴a m 黔i c d 锄媾 v d i s毫bv 蝻u 青 瞄_ 黔毒未毒滁d y n a m 咄i c 图2 6n a s i c 结构 5 7 除了上述几种结构，结合基于开关的c r o s s b a r 和基于f e i 、的c r o s s b a r 另一 种结构在 5 8 中做了说明。在这种结构中，p 和n 类型f e t 的可重配置c r o s s