基于RRNS和均衡的深亞微米VLSI中的數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)研究.pdf

1、隨著集成電路工藝技術(shù)的進(jìn)步，特征尺寸的縮小，工作電壓的降低，集成密度的提高和互連線(xiàn)以及標(biāo)準(zhǔn)單元之間間距的減小，深亞微米工藝下的物理效應(yīng)變得非常嚴(yán)重而無(wú)法再被忽略，而這些物理效應(yīng)給集成電路的數(shù)據(jù)保護(hù)帶來(lái)了很多挑戰(zhàn)，尤其是：(1)輻照環(huán)境下，單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)和單粒子瞬時(shí)脈沖效應(yīng)對(duì)于深亞微米工藝下集成電路的影響；(2)面向全局連接的片上總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏敺椒ㄔO(shè)計(jì)。
　　 本文的工作主要針對(duì)下面兩個(gè)數(shù)據(jù)保護(hù)的問(wèn)題展開(kāi)：(1)輻照環(huán)境下，深

2、亞微米集成電路設(shè)計(jì)中的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)和單粒子瞬時(shí)脈沖效應(yīng)問(wèn)題；(2)深亞微米工藝下VLSI中片上總線(xiàn)的高速低功耗和可靠性傳輸問(wèn)題。針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，本課題主要解決深亞微米集成電路設(shè)計(jì)中存在的輻照效應(yīng)引起的軟錯(cuò)誤問(wèn)題，以提高航空集成電路器件的可靠性，該課題對(duì)于大規(guī)模集成技術(shù)和航空集成電路器件設(shè)計(jì)有非常重要的意義。針對(duì)第二個(gè)數(shù)據(jù)保護(hù)問(wèn)題，本課題的意義在于研究出合適的片上總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案以解決深亞微米片上總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方法的設(shè)計(jì)問(wèn)題，也是為

3、了支持以后片上網(wǎng)絡(luò)(Network-on-Chip，NoC)設(shè)計(jì)中面向處理器之間的連接設(shè)計(jì)。
　　 本文第三章針對(duì)第一個(gè)數(shù)據(jù)保護(hù)問(wèn)題，提出了軟錯(cuò)誤容忍計(jì)算系統(tǒng)(Soft ErrorTolerant Calculation Systems，SETCS)的概念和定義了滿(mǎn)足軟錯(cuò)誤容忍計(jì)算系統(tǒng)的條件；并把冗余余數(shù)系統(tǒng)(Redundant Residue Number Systems，RRNS)從計(jì)算機(jī)和通信領(lǐng)域引入到抗輻照加固領(lǐng)域。RR

4、NS采用冗余的余數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)功能，是典型的軟錯(cuò)誤容忍計(jì)算系統(tǒng)。RRNS的獨(dú)立性、并行性和糾錯(cuò)性被用來(lái)建立基于RRNS的加固體系架構(gòu)，在該架構(gòu)中，所有的余數(shù)可以進(jìn)行獨(dú)立并行運(yùn)算，發(fā)生在運(yùn)算中的軟錯(cuò)誤可以在后面的糾錯(cuò)模塊中根據(jù)冗余特性進(jìn)行糾錯(cuò)。在這種架構(gòu)中，除了糾錯(cuò)模塊和二進(jìn)制到余數(shù)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換外，沒(méi)有其他運(yùn)算。因此基于RRNS的加固方法有很高的有效性。本章針對(duì)單粒子單比特翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，提出了RRNS、RRNS+G-RTMR(Guard-gate

5、 Register Triple Modular Redundancy)、RRNS+Pipeline-level TMR和RRNS+Module-level TMR等加固措施。評(píng)估體系和設(shè)計(jì)實(shí)例表明：當(dāng)數(shù)據(jù)路徑的流水?dāng)?shù)為104時(shí)，RRNS、RRNS+G-RTMR、RRNS+PTMR和RRNS+MTMR可以把系統(tǒng)的軟錯(cuò)誤率(Soft Error Rate，SER)從10-12分別降低為10-17，10-18，10-25和10-25，并且只

6、會(huì)帶來(lái)45.6-46.1％的額外面積開(kāi)銷(xiāo)，而引入的延遲開(kāi)銷(xiāo)可以忽略。設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)一步顯示本章提出的方法甚至可以獲得比未加固的設(shè)計(jì)更小的面積和延遲開(kāi)銷(xiāo)，這是因?yàn)镽RNS可以降低運(yùn)算的復(fù)雜度。
　　 本文第四章針對(duì)單粒子多比特翻轉(zhuǎn)問(wèn)題，提出了基于RRNS的組合方案RRNS+模塊隔離(Module Isolation，MI)的加固措施。單靠RRNS無(wú)法解決單粒子多比特翻轉(zhuǎn)問(wèn)題，基于此引入物理設(shè)計(jì)方法-模塊隔離，從而提出一種組合解決方案R

7、RNS+MI。該方法利用RRNS和MI技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)以保證提出的加固措施不僅有很高的抗單粒子多比特翻轉(zhuǎn)的能力，而且有很小的面積和延遲開(kāi)銷(xiāo)。設(shè)計(jì)實(shí)例表明：RRNS+MI在RRNS加固的基礎(chǔ)上只需增加2％的面積開(kāi)銷(xiāo)便可以解決單粒子多比特翻轉(zhuǎn)問(wèn)題。
　　 基于RRNS的加固策略中，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是加固架構(gòu)中的糾錯(cuò)模塊，而該模塊的實(shí)現(xiàn)難度和計(jì)算復(fù)雜度很大程度上依賴(lài)于RRNS的糾錯(cuò)算法。本文第五章研究了RRNS與二進(jìn)制系統(tǒng)(Bina

8、ry Number Systems，BNS)的新性質(zhì)，在此新性質(zhì)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了基于RRNS的單錯(cuò)誤糾錯(cuò)算法，從而提出了一種基于最優(yōu)余數(shù)基選擇的RRNS單余數(shù)錯(cuò)誤糾錯(cuò)算法，該算法相對(duì)于以前的算法有更低的計(jì)算復(fù)雜度和開(kāi)銷(xiāo)。另外還提出一種分組算法，并對(duì)其進(jìn)行分析討論。
　　 本文第六章針對(duì)第二個(gè)數(shù)據(jù)保護(hù)問(wèn)題提出了一種自適應(yīng)均衡技術(shù)。這種自適應(yīng)均衡技術(shù)在數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程中通過(guò)片上總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮敵鰧?shí)時(shí)地調(diào)節(jié)可變門(mén)限反相器的門(mén)限以達(dá)到提高