微处理器软错误脆弱性建模及缓解技术研究

发布时间：2017-12-25 00:29

本文关键词：微处理器软错误脆弱性建模及缓解技术研究　出处：《北京工业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：系统的软错误随着集成电路工艺技术的发展呈现指数级增加,软错误导致的可靠性问题已经成为高性能微处理器设计的一个主要障碍。为了以低成本高效益的方式实现系统的可靠性设计目标,在设计早期对软错误脆弱性建模是非常关键的。研究显示,相当部分来自于器件层和电子层的原始软错误在体系结构层会被掩盖。体系结构脆弱因子(Architectural Vulnerability Factor,AVF)表示原始软错误最终在程序输出可见错误的概率,可用来衡量体系结构层掩盖效应,是评估体系结构层可靠性的重要参数。AVF的建模研究有助于在设计早期提高可靠性的预测性,有效权衡可靠性、性能、功耗等设计目标,以及开发低开销的软错误缓解技术。但现有的AVF建模对AVF与程序特征、体系结构参数的关系研究还不够充分,更多的研究者意识到机器和程序共同作用对AVF影响的重要性,亟需相应的研究投入。指令占用是AVF分析模型的关键计算指标,但结构指令占用的变化规律以及与其他结构参数的关系仍缺乏清晰的揭示。AVF的理论研究成果需要更多地转化应用于低开销的软错误缓解技术。针对以上问题,本文以探索AVF与程序特征、体系结构参数的关系,开发有效的低开销软错误缓解技术为主要方向,从周期精确的指令占用计算为切入点,展开了微处理器软错误脆弱性的分析建模和缓解技术研究工作。取得的创新性成果主要有:1、采用自底向上分析思路,构建了一个周期精确的、基于并行性约束的AVF分析模型。与现有典型模型相比,在机器并行性约束、周期精确跟踪指令流以及功能单元竞争等方面进行了扩展。模型以较低误差预测AVF并为揭示影响AVF的因子及其影响机制奠定了理论基础。2、建立了程序特征、体系结构参数变化对AVF的影响关系曲线。基于本文提出的分析模型,分析并证实:处理器流水线的前端阶段、发射执行阶段和退出阶段分别存在几个共同影响AVF的程序特征和体系结构参数对;体系结构参数变化对AVF的影响存在阈值,这个阈值是可计算的且由程序的内在指令级并行性决定。这些程序特征、体系结构参数和AVF的关系可以利用一个分段曲线归纳。3、揭示了指令占用及AVF与结构尺寸变化的规律。基于本文提出的分析模型,运用逻辑斯蒂方程对结构指令占用和结构尺寸的关系进行分析,通过理论推导和实验验证,证实指令占用与结构尺寸之间高度符合四参数逻辑斯蒂曲线关系。基于这种关系,分析揭示了指令占用及AVF随结构尺寸及其它结构参数变化的规律,以帮助设计者快速选择体系结构参数,达到可靠性、性能和开销的较好平衡。4、提出了一种基于静态编译的动态调节IQ尺寸的软错误缓解技术。该技术在编译层面通过指令基本块关键路径分析确定IQ的动态尺寸,在程序中插入携带控制信息的指令实现调节,从而降低指令占用,实现软错误缓解。这种方法硬件开销很小,易于实施,对系统复杂性的影响很小。实验结果表明,该方法平均降低IQ AVF 19.7%,平均性能下降控制在5.7%左右。5、提出了一种基于指令流混合比与功能单元配置匹配的IQ AVF控制技术。通过判断和调整指令流混合比与功能单元配置的匹配程度,缩短指令在IQ中的等待时间,从而控制IQ的AVF。在此基础上,针对长延迟数据Cache缺失引起的IQ堵塞问题,进一步优化该技术。这种控制方法通过在前端调节分派指令实现,硬件开销小,实施较为简单。实验结果证明,此方法能降低IQ AVF 6.6%,而对性能的影响控制在2%以内,能有效的提升可靠性-性能的平衡。本文就微处理器体系结构层的软错误脆弱性建模和软错误缓解技术问题进行了研究探索,为微处理器可靠性领域提供了深入的理论拓展和有效的应用技术。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP332

【相似文献】