片上高速缓存可靠性研究

发布时间：2017-09-25 03:27

  本文关键词：片上高速缓存可靠性研究

  更多相关文章： 片上高速缓存 可靠性 软错误 非易失性存储器

【摘要】：随着半导体技术的迅猛发展,处理器性能得到了飞速提升。然而主存技术发展速度的相对落后,导致高速缓存(Cache)在处理器性能方面的重要性显得更加突出。晶体管特征尺寸的不断压缩,促进单个芯片可以集成更多高速缓存的同时,也使得高速缓存在片上的晶体管数量和所占面积不断增大。在高可靠性计算系统中,例如,飞机的飞行控制系统,银行业务的交易系统,国家战略核武器的发射系统等等,片上高速缓存的可靠性正变得越来越重要。本文将片上高速缓存的可靠性做为关注重点,并从以下两个方面进行了深入研究：(1)软错误(Soft Error)来自宇宙射线的高能粒子或者是包装材料上的阿尔法粒子,在穿过半导体设备时有可能会形成电子-空穴对。晶体管源级和分散的节点能够收集这些电压,当积累的电压达到一定数量时会使逻辑设备的状态发生反转(这些逻辑设备可以是一个锁存器单元、一个静态随机访问存储器单元、或者是一个门电路),进而一个逻辑错误就会被引入到电路操作中。由于这类错误反映的并不是设备永久性的故障,所以称之为软错误(Soft Error)。本文针对片上指令高速缓存中可能发生的软错误构造了基于SICVF的评估模型,并针对该模型提出了一系列优化方案来减少片上指令高速缓存的脆弱因子(Vulnerability Factor),进而提高片上指令高速缓存的可靠性。(2)非易失性存储器的使用寿命(Lifetime of Non-Volatile Memory)由于基础物理学和经济因素的限制,使得高速缓存或主存性能增长速度的保存面临极大的挑战。学术界和工业界正在积极研究一些很有前途的非易失性存储(Non-Volatile Memory)技术。它们具有较高的单元密度,不存在漏电能耗,不需要对存储数据进行周期性地刷新操作等优点,使其有可能成为传统高速缓存存储器(SRAM)和主存存储器(DRAM)的替代者。然而,这些非易失性存储器具有相对较低的可擦写容忍度(Write Endurance)。本文通过对最底层高速缓存(Last Level Cache)中窄宽值(Narrow Width Values)的分析,提出了一系列优化方案对最底层非易失性高速缓存中的写入操作进行减少和平衡,以增加其使用寿命(Lifetime)。同时,本文也在这些优化方案下,对基于相变存储器(Phase Change Memory)的最底层非易失性高速缓存的能耗进行了评估。
【关键词】：片上高速缓存 可靠性 软错误 非易失性存储器
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-13
• 第一章 前言13-21
• 1.1 高速缓存在计算机系统中的地位和作用13-14
• 1.2 高速缓存的层次结构及其操作模式14-17
• 1.2.1 一级高速缓存14-15
• 1.2.2 二级高速缓存15-16
• 1.2.3 三级高速缓存16
• 1.2.4 高速缓存的操作模式16-17
• 1.3 高速缓存的技术工艺17-19
• 1.3.1 SRAM技术18
• 1.3.2 DRAM技术18-19
• 1.4 高速缓存可靠性问题19-20
• 1.5 本文的组织结构20-21
• 第二章 高速缓存软错误的研究21-49
• 2.1 软错误的来源及其影响21-22
• 2.1.1 软错误的产生21-22
• 2.1.2 软错误的影响22
• 2.2 相关研究的讨论22-24
• 2.2.1 AVF模型22-23
• 2.2.2 TVF模型23-24
• 2.3 SICVF模型及优化方案24-32
• 2.3.1 SICVF模型的建立25-26
• 2.3.2 基于SICVF模型的优化方案26-32
• 2.4 实验评估32-41
• 2.4.1 实验环境32-33
• 2.4.2 TVF在不同粒度下的比较33-36
• 2.4.3 基于SICVF模型的优化方案36-41
• 2.5 模拟错误注入41-43
• 2.6 优化方案与CCI的结合43-47
• 2.7 本章小结47-49
• 第三章 非易失性高速缓存可靠性的研究49-85
• 3.1 背景介绍49-53
• 3.1.1 传统技术的挑战49-50
• 3.1.2 新型技术的期盼50-52
• 3.1.3 潜在技术的出现52-53
• 3.2 相关研究工作53-64
• 3.2.1 细粒度下的写过滤53-55
• 3.2.2 混合存储结构：DRAM和PCM的结合55-57
• 3.2.3 起始-间隔负载均衡算法57-60
• 3.2.4 组间-组内写均衡策略60-64
• 3.3 利用窄宽值提高非易失性高速缓存的可靠性64-73
• 3.3.1 非易失性高速缓存的优缺点64-65
• 3.3.2 窄宽值分析65-66
• 3.3.3 使用寿命提高的衡量标准66-67
• 3.3.4 基于窄宽字的优化方案67-71
• 3.3.5 多个写标记位方案71-72
• 3.3.6 选择性写前读方案72
• 3.3.7 优化方案对能耗的贡献72-73
• 3.4 实验评估73-82
• 3.4.1 实验环境73-75
• 3.4.2 窄宽字的分布75-76
• 3.4.3 窄宽字写与写到达交换的结合76-78
• 3.4.4 窄宽字写与阀值交换的结合78-79
• 3.4.5 窄宽字写与半使用期交换的结合79
• 3.4.6 窄宽字写与替换时交换的结合79-80
• 3.4.7 结合多个写标记位的效果80
• 3.4.8 结合选择性写前读的效果80-81
• 3.4.9 能耗评估81-82
• 3.5 本章小结82-85
• 第四章 总结与展望85-89
• 4.1 本文工作的总结85-87
• 4.2 进一步工作展望87-89
• 参考文献89-95
• 致谢95-97
• 附录97-99

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本文编号：915097