بخشی از مقاله
چکیده
تراشههای قابل بازپیکربندی به دلیل کارایی و انعطافپذیری بالا و زمان عرضه به بازار پایین به طور گسترده در حوزههای مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. با ورود به حوزهی نانو در طراحی تراشههای امروزی، چالشهای جدیدی در زمینهی قابلیت اطمینان تراشهها به وجود آمده است. یکی از این چالشها اثر سالمندی و تنزل تدریجی خصوصیات ترانزیستورها است. از جمله عوامل سالمندی اثر BTI - ناپایداری حاصل از دما و بایاس - است که به صورت افزایش قدرمطلق ولتاژ آستانهی ترانزیستور ظاهر میشود و در تراشههای امروزی بیشترین نقش را در تخریب عملکرد مدار بازی میکند. از جمله عواملی که پدیدهی سالمندی BTI را تشدید مینمایند، روشن ماندن ترانزیستور برای مدت طولانی و دمای بالا است.
دما به صورت نمایی پدیدهی BTI را تشدید مینماید. این دو عامل افزایش سالمندی در تراشههای قابل بازپیکربندی نظیر تراشههای FPGA یافت میشوند، لذا در این تراشهها راهکارهای گوناگونی جهت مدیریت سالمندی ارائه شده است . عمدهی این راهکارها مبتنی بر دو روش کاهش زمان استرس روی ترانزیستورها و مدیریت دما در تراشه است. با توجه به اینکه تراشه های قابل بازپیکربندی انعطاف پذیری بالایی دارند، راهکارهایی که جهت مدیریت سالمندی آن ها مطرح میشود نیز با سایر روشهای کاهش سالمندی متفاوت است . در این پژوهش راهکارهایی که جهت مدیریت سالمندی در تراشههای FPGA ارائه شده مورد بررسی قرار میگیرد و مزایا و معایب هرکدام بررسی میشود.
-1 مقدمه
به واسطهی کاهش ابعاد ترانزیستورها، فرکانس کاری و تراکم ترانزیستورها روی تراشه با گذشت زمان افزایش یافته است. این افزایش باعث شده است چگالی توان در سطح تراشه روند افزایشی خود را دنبال کرده و دمای کاری تراشه ها را به صورت قابلتوجهی افزایش دهد . - Palem & Lingamneni, 2012 - از سوی دیگر میزان چگالی جریان درون شبکهی ارتباطی نیز به ازای هر نسل فناوری افزایش یافته که موجب کاهش قابلیت اطمینان در فناوریهای کنونی میشود. به طور کلی میتوان گفت، در روند پیشرفت تراشهها با رویکرد کوچک شدن ابعاد، نقش شبکه اتصالات نهتنها در مورد کارایی و سرعت، بلکه در حیطهی قابلیت اطمینان1 تراشه مهم تر شده است.
افزایش تقاضای مدارهای قابل بازپیکربندی با سرعت و توانکم، تولیدکنندگانِ این تراشهها را به سمت طراحیهای زیرمیکرون با فناوری CMOS سوق داده است. اگرچه کاهش ابعاد در اثر مقیاسپذیری2، افزایش کارایی و کاهش توان مصرفی را به همراه دارد ولی موضوع قابلیت اطمینان را با چالشی جدی همراه کرده است. تراشههای قابل بازپیکربندی به دلیل قابلیت پیکربندی مجدد امکان پیادهسازی مدارهای دیجیتال را فراهم ساخته است. در گذشته این نوع تراشهها به طور عمده در نمونهسازی و کاربردهایی با حجم تولید کم کاربرد داشته است ولی امروزه در بسیاری از کاربردها نظیر سامانههای نهفته، هوافضا، رمزنگاری، پردازش سیگنال و پزشکی مورد استفاده قرار میگیرند .
- Asadi & Tahoori, 2007 - تراشه های قابل بازپیکربندی در مقایسه با تراشههای خاص منظوره مزیتهای چشمگیری نظیر زمان طراحی کمتر، هزینهی ساخت و هزینه ی مهندسی تکرار نشدنی کمتری دارند . - Chinnery & Kurt, 2002 - علاوه بر این، عدم نیاز به ماسک زمان رسیدن به بازار را در این تراشهها کوتاه کرده است. این تراشهها در مقابل مزایای مطرح شده، در مقایسه با تراشههای خاص منظوره نقاط ضعفی نظیر کارایی پایین، مساحت زیاد و توان مصرفی بالایی دارند. همچنین، به دلیل استفاده از سلولهای حافظه در مقایسه با تراشههای خاص منظوره حساسیت بیشتری نسبت به خطاهای نرم از خود نشان میدهند.
با توجه به اینکه امروزه از تراشههای FPGA مبتنی بر حافظه SRAM استفاده می شود، پدیدههای سالمندی بیشتر از گذشته خود را نمایان میکنند. مدل اشکال در پدیدههای سالمندی از نوع دائمی است ولی در پر رنگ شدن اثر اشکالهای گذرا نظیر ذرات پرانرژی اثرگذار است. خطاهای نرم ناشی از تابش، مثل ذرات آلفا و اشعه کیهانی نوترون، یک نگرانی برای قابلیت اطمینان در فناوریهای CMOS است.
این ذرات مدارها را به طور دائم از کار نمیاندازند و فقط به صورت گذرا موجب اشکال می شوند . - Cannon et al, 2008 - از آنجا که در تراشههای قابل بازپیکربندی، سلولهای SRAM نقش ذخیره پیکربندی را به منظور پیادهسازی عملکرد مدار و مسیریابی بر عهده دارند، به شدت به این نوع خطاها حساس هستند، چراکه مقدار ولتاژ مورد نیاز برای برگراندن یک سلول که بار بحرانی3 نامیده میشود بسیار کم است. در نتیجه تغییر حالت بیت از مقدار یک به صفر و یا برعکس با کمترین نویز وارد شده، صورت میگیرد. از طرفی این تغییر لحظهای رخ داده در حافظه ذخیره میشود و باعث پایداری اشکال میشود.
در ادامه، در بخش دوم در رابطه با ساختار مسیریابی و منطقی تراشههای بازپیکربندی توضیحاتی ارائه و مفهوم سالمندی پدیدهی ناپایداری حاصل از دما و بایاس - BTI4 - بیان میشود. در بخش سوم کارهای انجام شده در حوزهی سالمندی به صورت تفکیک شده توضیح داده خواهد شد و مورد نقد و بررسی قرار میگیرند. در بخش چهارم ایده پیشنهادی به منظور کاهش سالمندی مطرح شده و در بخش پنجم نتیجهگیری صورت گرفته است.
-2 ادبیات موضوعی
در این فصل ابتدا به معرفی عناصر تشکیل دهنده معماری تراشه قابل بازپیکربندی و ساختار درونی این تراشهها پرداخته میشود. سپس پدیدهی BTI که برجستهترین عامل سالمندی است شرح داده خواهد شد.
-1-2 تراشههای قابل بازپیکربندی
تراشههای قابل بازپیکربندی مبتنی بر حافظه SRAM عمدتا از معماری جزیرهای5 استفاده میکنند. این معماری شامل دریایی از منابع اتصالات مسیریابی است که منابع منطقی را احاطه کرده است. معماری جزیرهای از سه منبع قابل برنامهریزی تشکیل شده است؛ بلوکهای منطقی، بلوکهای اتصال و ماتریسهای راهگزین.6 واحدهای منطقی به منظور پیادهسازی توابع و منطق مدار استفاده میشوند. هر تابع منطقی را میتوان با یک معادلهی بولی نمایش داد و هر معادلهی بولی توسط یک جدول صحت پیادهسازی میشود. بنابراین از ساختاری که مشابه جدول صحت عمل کند برای پیادهسازی این واحدها استفاده میشود . هر بلوک منطقی از تعدادی عنصر منطقی پایه و یک ماتریس میان ارتباطی تشکیل شده است.
- Masud, 1999 - عنصر منطقی پایه جدول جستجو است که به دلیل نیاز به حفظ حالت در مدارهای ترتیبی در کنار هر جدول جستجو، عنصر نگهدارندهی حالت نظیر فلیپفلاپ نیز قرار داده شده است - شکل . - - 1 - در صورتی که عنصر منطقی پایه برای پیادهسازی یک مدار ترکیبی استفاده شود، خروجی جدول جستجو بدون عبور از فلیپفلاپ به خروجی عنصر پایه وصل می شود. ماتریسهای راهگزین در محل تلاقی کانالهای افقی و عمودی قرار میگیرند و شامل ماتریسی از جعبههای راهگزین هستند که امکان اتصال دو سیم مجاور را فراهم میکنند. شکل - 2 - ماتریس راهگزین را نشان میدهد. بر اساس همبندی و میزان انعطافپذیری، پیکربندیهای مختلفی برای ماتریسهای راهگزین پیشنهاد شده است.
