宇航处理器Cache系统的可靠性分析和加固研究

论文摘要

随着处理器逐步采用纳米级的制造工艺,其集成度越来越高,电路特征尺寸越来越小,这使得处理器对于电磁干扰和辐射等噪声干扰变得越发敏感,从而可能引起错误的发生以及整个系统的错误操作。同时,对于应用在航天等空间辐射环境中的处理器,由于宇宙射线和高能粒子的辐射作用,容易导致处理器内部集成电路产生各种单粒子效应,进而引起系统的失效。因此,处理器的可靠性研究成为一个日益严峻的课题。本文以某处理器的Cache系统为研究原型,以单粒子效应引起的软错误为研究对象,采用基于仿真的故障注入方法,对该Cache系统进行了可靠性评估,同时探讨了可靠性加固设计的方法,并且利用仿真模拟器验证了可靠性加固设计方法的有效性,对Cache系统可靠性设计具有一定的理论意义,是在纳米级的制造工艺下处理器可靠性设计的一个有益探索。本文主要的研究内容与研究成果包括以下几点:(1)对空间辐射环境及其对处理器的影响进行了研究,总结了空间辐射效应的常见类型,分析了其中最为常见的单粒子翻转事件的产生机理。(2)对可靠性评估分析方法进行了研究,着重探讨了基于故障注入的可靠性评估和基于解析模型的可靠性评估,提出了在本文研究原型Cache系统基础上搭建的可靠性评估平台,同时对研究原型进行了软错误敏感性分析。(3)对可靠性加固设计方法进行了研究,在对集成电路常见加固设计方法总结的基础上,特别针对Cache系统的可靠性加固方法进行了分析,同时对本文研究原型进行了可靠性加固设计,并且利用Modelsim模拟器验证了其采用可靠性加固设计的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 课题研究内容
• 1.4 论文结构
• 第二章 空间辐射环境及其影响
• 2.1 空间辐射环境
• 2.1.1 银河辐射射线
• 2.1.2 太阳粒子事件
• 2.1.3 地磁捕获辐射
• 2.2 空间辐射效应
• 2.2.1 总剂量效应
• 2.2.2 单粒子效应
• 2.3 单粒子翻转机理
• 2.3.1 电荷沉淀
• 2.3.2 电荷收集
• 2.3.3 SRAM 中的单粒子翻转机理
• 2.4 本章小结
• 第三章 可靠性评估方法
• 3.1 基于故障注入的可靠性评估
• 3.1.1 硬件故障注入方法
• 3.1.2 软件故障注入方法
• 3.1.3 仿真故障注入方法
• 3.2 基于解析模型的可靠性评估
• 3.2.1 软错误的表征
• 3.2.2 软错误的屏蔽
• 3.2.3 软错误的计算
• 3.3 本章小结
• 第四章 可靠性加固方法
• 4.1 常见容软错误加固技术
• 4.2 三模冗余技术
• 4.2.1 传统三模冗余
• 4.2.2 时空三模冗余
• 4.3 检错纠错码技术
• 4.4 Cache 可靠性加固技术
• 4.5 本章小结
• 第五章 CACHE 系统的可靠性评估与加固
• 5.1 可靠性研究原型
• 5.2 可靠性评估平台
• 5.3 可靠性分析结果
• 5.3.1 无故障注入且无加固方法
• 5.3.2 有故障注入且无加固方法
• 5.3.3 有故障注入且有加固方法
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 主要工作内容
• 6.2 后续研究工作
• 参考文献
• 附录1
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文