处理器自查错纠错技术：延时故障建模、设计决策与规划

发布时间：2020-05-15 10:57

【摘要】：在处理器电路中，晶体管尺寸不断缩小所带来的越来越严重的工艺偏差和噪声容限下降等问题，使得出现延时故障的可能性越来越大。为避免延时故障引起的错误，一般采用增加处理器执行时钟周期的方法（用最坏情况的设计数据决策时钟周期），这样势必会降低处理器性能的速度指标。当晶体管尺寸缩小到65nm及以下时，增加时钟周期避免延时故障的方法将使速度指标下降得难于满足设计要求。因此，具有能检测和纠正错误的自查错/纠错设计成为众多研究者关注的焦点。本论文根据应用需要和提高处理器吞吐率的目标，研究和探索一种新的处理器自查错/纠错设计技术。论文主要研究成果如下：提出了基于代表路径的RPED错误探测结构和基于流水线停滞的PSEC纠错机制。论文证明了RPED探测错误的正确性和应用的可行性，给出了其设计规则。经ISCAS’89和ITC’99Benchmark电路实验表明，RPED探测错误的准确率大于99.9%，硬件开销小于1%。理论计算和模拟实验表明，PSEC相比现有其他纠错机制可减小30%以上的平均错误恢复时间。提出了计算处理器在给定时钟周期（频率）下的错误率的理论模型——延时故障概率模型。经实验验证，该模型在给定电源电压和温度变化范围的条件下，可决策和界定在一定错误率下处理器工作的时钟周期。提出了一般情况下采用自查错/纠错设计能够提高流水线处理器吞吐率的判定准则，给出了其充分必要条件的数学形式，具有普遍的应用意义。研究实验表明，采用自查错/纠错设计能否提高处理器吞吐率只与电路延时的概率密度函数和平均错误恢复时间有关，而与查错/纠错功能的实现方式无关。论文在以上研究基础上规划了一种流水线处理器自查错/纠错设计方法和流程，在原流水线处理器电路的基础上，得到具有自查错/纠错功能的处理器电路。经过OpenRisc1200处理器设计实例测试，处理器的吞吐率提高了10%；相比现有公开方法，自查错/纠错单元的硬件开销降低了53%、平均错误恢复时间减少了45%以上。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP332

【参考文献】