处理器中流水线和寄存器堆抗辐射加固技术研究

发布时间：2020-09-07 09:09

　　随着集成电路和航天技术的快速发展,集成电路中的器件尺寸进入纳米量级,工艺的提升使晶体管中含有的掺杂粒子越来越少,导致晶体管携带的电荷量减少,因此集成电路容易受到空间粒子辐射出现软错误。而处理器是宇航应用中的核心控制部件,主要用于控制整个系统并对大量的数据进行处理,如果不加防护,容易受到辐射产生故障。随着工艺的提升,芯片上的晶体管密度升高,存储单元之间的间隔越来越小,辐射导致存储体多位翻转(Multiple Bits Upsets,MBU)的发生概率越来越高。而处理器对速度、面积和功耗开销的要求较高,因此在较小的开销条件下对处理器中流水线和寄存器堆进行抗辐射加固设计具有重要意义。针对处理器中的流水线,本文提出了交错奇偶校验结合流水线重启和少量信号采用三模冗余的加固方案,基于OR1200处理器平台,本文对加固后流水线的功能进行验证并对性能进行评估。相对于未加固的处理器,使用该方法加固后的流水线,能够有效抵抗单粒子翻转,关键路径的延时开销为7.66%,面积和功耗开销分别为16.43%和14.11%。本文构造一种能够纠正相邻4位内随机错误的错误纠正码对处理器中的寄存器堆加固,并采用触发异常的方式对寄存器堆刷新,基于OR1200处理器,经过综合评估,使用该方法加固寄存器堆不影响处理器的关键路径延时,加固后处理器的面积和功耗开销为10.10%和16.40%。为了评估寄存器堆的加固效果,本文提出一种多位故障注入模型并进行实现,测试结果表明加固后的寄存器堆可以纠正相邻4位内的随机错误。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V443;TP332;TN40
【部分图文】：

波形图,流水线,故障,类型

的最高位为例，对该方法进行验证，如图 2-8 所示表示流水线发生 SEU 故障进入异常的波形图，步骤如下：(1) 如标号①所示，l.jr r6 指令执行完成，延迟槽指令处于流水线执行阶段，该跳转指令的机器码是 0x44003000，延迟槽指令是一个空指 l.nop，机器码是 0x15000000；(2) 如标号②所示，id_insn 的最高位注入 SEU 类型故障，即翻转最高位，数据由 0x14410000 变为 0x94410000；(3) 如标号③所示，当数据发生改变时，重新计算的冗余位数据发生变化，由二进制 0000 变成 1000；(4) 如标号④所示，当新冗余位 id_insn_rnew 与原冗余位 id_insn_r 数据不同时，则 id_insn_e 信号捕获错误，并传送给 or1200_ctrl 模块的 sig_ctrl_seu 信号，并输出给 or1200_except 模块；(5) 如标号⑤所示，异常处理模块捕获异常并进入异常处理状态；(6) 如标号⑥所示，由于是延迟槽指令，CPU 重启流水线需要从上一条跳转指令开始，因此保存上一条指令的地址 wb_pc 的值到 epcr 寄存器。

流水线,故障,故障注入,监视信号

图 2-9 流水线发生 SEU 故障退出异常波形图2.4 流水线抗辐射加固能力和性能评估为了验证使用交错奇偶校验加固流水线的有效性，本文以冒泡排序为例，通过对比加固与未加固的节点错误率和系统错误率结果，完成对流水线加固效果的评估。设置的参数如下：(1) 每位信号注入故障的次数 200 次，即每位信号注入的仿真次数 200 次，统计发生错误的次数；(2) 每次故障注入运行一次完整仿真的时间 6500ns；(3) 故障注入区域设置在 500~6000ns，故障注入区域表示，运行仿真时打翻节点的时刻所在的时间段，起始时刻保证故障不会在复位时刻使节点翻转，结束时刻保证节点翻转后，能够使错误有足够的时间传播到监视信号；(4) 观察点的个数设置 10 个；(5) 故障注入信号，为 CPU 模块中的所有寄存器变量；(6) 监视信号为排序过程中使用的内存信号。

错误率,节点,最小时钟

a）未加固节点错误率 b）加固后节点错误率图 2-10 加固前后节点错误率对比为了评估混合使用交错奇偶校验和三模冗余加固流水线的开销，基于 SMIC65nm 的工艺库，本文使用 Design Compiler 综合工具得到加固前后处理器的面积和功耗对比数据，其中寄存器堆使用 memory complier 生成，生成寄存器堆的详细信息在第 3.5 小结介绍，综合时时序约束方面，除了时钟信号和复位信号外的所有输入端口，将输入延时设置为时钟周期的 40%，所有的输出信号设置输出延时与输入延时相同，为了评估使用混合交错奇偶校验和三模冗余对处理器关键路径的延时影响，本文分别综合了加固前后处理器所能达到最高时钟频率即最小时钟周期，在本文所设定的约束条件下，通过综合数据可知，未加固的处理器能够达到的最小时钟周期为 2.35ns，加固后的处理器能够达到的最小时钟周期为 2.53ns，经过分析可知，关键路径延时开销为 7.66%。为了评估流水线加固后的性能开销，综合时设定的最小时钟周期为 2.53ns，综合时采用相同的约束条件，其对比数据如表 2-6所示，对流水线进行加固前面积为 39931.78μm2，加固后变为 46492.06μm2，面积

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