بخشی از مقاله
خلاصه
تخمین نرخ رخداد و انتشار خطای نرم در مدارهای ترکیبی همواره به عنوان یکی از گامهای اصلی و اولیه طراحی مدارهای مجتمع خیلی فشرده1 مقاوم در برابر خطا، مورد توجه طراحان بوده است به گونهای که امروزه، روشهای تعیین نرخ خطای نرم، یکی از مباحث اصلی در این زمینه میباشد. با کوچکتر شدن روزافزون ابعاد ترانزیستورهای CMOS، حساسیت مدارها در مقابل خطای نرم رو به افزایش است. مطالعات نشان داده که در فنآوریهای زیر 100 نانومتر، ذرات پرانرژی پراکنده در فضا با برخورد به یک دروازه منطقی2 بیش از یک نقطه را تحت تاثیر قرار میدهند و سبب انتشار چند پالس اشکال در مدار ترکیبی میشوند. از اینرو، روشهای ارائه شده برای تخمین نرخ رخداد و انتشار خطای نرم در مدارهای ترکیبی که تا به امروز ارائه شدهاند، عموما دارای دقت مطلوب نمیباشند. لذا، نیاز به ارائه روشهای نوین با دقت و سرعت بالا در این عرصه احساس میشود. در این مقاله، روشی دقیق و سریع برای محاسبهی نرخ انتشار خطای نرم در مدارهای ترکیبی با در نظر گرفتن تأثیر چندگانهی برخورد ذرات، پوششهای ذاتی - پوشش الکتریکی، منطقی و زمانی - و انتشار اشکال در سیکلهای ساعت متوالی ارائه شده است. طبق شبیهسازیهای انجام شده، نتایج حاصل از این روش تا 98,3 درصد با روش مبتنی بر شبیهسازی مونتکارلو برابری کرده، در حالیکه، بیش از 900 برابر در زمان صرفهجویی شده است.
کلمات کلیدی: نرخ رخداد و انتشار خطای نرم، مقاوم سازی در مقابل خطای نرم، تأثیر چندگانهی برخورد ذرات، پوشش الکتریکی، پوشش منطقی، پوشش زمانی
.1 مقدمه
در مدارهای VLSI، در اثر برخورد یک ذره پر انرژی به بخش ترکیبی مدار، یک پالس گذرا3 ایجاد شده و در این بخش منتشر میشود. در طول این انتشار، ممکن است این پالس در همان بخش ترکیبی مرتفع شود و یا اینکه توسط فلیپفلاپ متعاقب به صورت یک دادهی غلط ذخیره شود. حالت دیگر نیز زمانی اتفاق می افتد که این سیگنال به صورت مستقیم به یکی از خروجیها برود. بنابراین، برای یک پالس SET که در بخش ترکیبی در اثر برخورد یک ذره پرانرژی پراکنده در فضا ایجاد شده است، سه حالت ممکن است رخ دهد. در حالت اول، سیگنال پالس SET محو شده و خطایی بروز نخواهد کرد. در حالت دوم پالس SET توسط فلیپفلاپ ذخیره شده و باعث بروز خطایی در سیکل جاری نمیشود. اما مقدار نادرست ذخیره شده در آن ممکن است باعث بروز خطا در سیکلهای ساعت بعدی بشود. در حالت سوم، خطا در همان سیکل جاری به وقوع میپیوندد و باعث عدم صحت مقدار خروجی میشود .[1]
یکی دیگر از عواملی که در هنگام تخمین نرخ رخداد خطا باید در نظر گرفته شود، اثر پوششهای ذاتی مدار است. اندازهی پالس خطای ایجاد شده در اثر برخورد ذره باردار ممکن است در اثر خواص الکتریکی دروازههای منطقی کوچک شده و مرتفع شود - اثر پوششی الکتریکی - . یکی دیگر از حالات ممکن، از بین رفتن پالس خطا در اثر پوشش منطقی مدار میباشد. این اتفاق در حالتی رخ میدهد که مقدار خروجی یک دروازه به طور مستقل از ورودی دارای خطا تعیین شود. به عنوان مثال، پالس اشکال به یکی از ورودیهای یک دروازه OR برسد، در حالیکه در ورودی دیگر مقدار منطقی 1 به صورت صحیح وجود داشته باشد. در این حالت، خروجی دروازه به صورت صحیح و مستقل از ورودی خطادار، 1 خواهد بود. حالت سوم، پوشش زمانی نام دارد و زمانی رخ میدهد که پالس خطای ایجاد شده در خارج از پنجرهی زمانی نمونه برداری یک فلیپفلاپ باشد. در این حالت نیز خطای ایجاد شده تأثیری بر کارکرد مدار نخواهد داشت.
علاوه بر عوامل فوق، شکل پالس SET، دامنهی آن، دما، ولتاژ تغذیه، فرکانس کاری مدار و همچنین تأثیر برخورد چندگانهی ذرات که در فنآوریهای جدید بسیار اهمیت دارد [3,2] نیز از عواملی هستند که در نرخ رخداد خطا مؤثر بوده و برای تخمین دقیقتر آن باید در نظر گرفته شوند .[4] با کوچکتر شدن بیشتر ابعاد ترانزیستورها، یک ذره با برخورد به یک گره از یک مدار ترکیبی، علاوه بر آن گره، بر گره - های - مجاور هم اثر گذاشته و موجب تشکیل و انتشار چند پالس اشکال در مدار ترکیبی میگردد .[5] در نظر نگرفتن تاثیر چندگانه برخورد ذرات پرانرژی - به مانند بسیاری از کارهای پیشین - ، سبب کاهش دقت محاسبه نرخ انتشار خطا خواهد شد .[6]در این مقاله، روشی ارائه شده است که با توجه به عوامل ذکر شده، احتمال انتشار خطای نرم در بخش ترکیبی را با دقت بالایی تعیین میکند.
در این روش، تأثیر هر سه پوشش ذاتی مدار مدل شده است. همچنین خطاها علاوه بر سیکل ساعت جاری در سیکلهای بعدی نیز دنبال شدهاند. علاوه بر عوامل فوق، اثر چندگانه برخورد ذرات نیز به عنوان مهمترین عامل در نظر گرفته شده است. در تعدادی از کارهای پیشین عامل برخورد چندگانه ذرات در نظر گرفته شده است، اما در این مقاله روشی جدید که باعث افزایش دقت میشود، برای تعیین همسایگی در نظر گرفته شده است. به کمک روش پیشنهادی برای تخمین نرخ انتشار خطای نرم در مدارهای ترکیبی، میتوان قسمتهای حساستر مدار را برای مقاومسازی آگاه از هزینه، شناسایی کرد. در ادامه، ابتدا نگاهی گذرا به کارهای پیشین کرده و سپس به توضیح این روش و ارائهی نتایج حاصل از شبیهسازیها و ارزیابیهای انجام شده میپردازیم.
.2 کارهای گذشته
تعیین روشهای تخمین نرخ رخداد خطای نرم از گذشته مورد توجه طراحان بوده است و این مسئله با کوچکتر شدن ابعاد ترانزیستورها و به وجود آمدن مشکلاتی از قبیل توان نشتی، کم شدن حاشیه نویز و پر رنگتر شدن عواملی که قبلاً از آنها صرف نظر میشده - نظیر تغییرپذیری فرآیند ساخت - ، اهمیت دوچندان یافته است.به طور کلی روشهای تخمین نرخ رخداد خطا به چهار دسته تقسیم میشوند [7,6] که عبارتند از:
-1 روشهای مبتنی بر تزریق اشکال بر شبیهسازی بردارهای تصادفی یا دیدگاه پیش توصیف دروازه/ مسیر
-2 روشهای مبتنی بر نمودار تصمیمگیری دودویی - یا نمودار تصمیمگیری جبری -
-3 روشهای مبتنی بر ارضاپذیری بولی -4 روشهای مبتنی بر محاسبه احتمال انتشار اشکال در مدار
در [8] روشی مبتنی بر شبیهسازی اشکال با استفاده از بردارهای تصادفی ورودی برای محاسبهی نرخ محو شدن الکتریکی، پنجرهی نمونه برداری و منطقی ارائه شده است. این روش به دلیل شبیهسازی اشکال برای مدارهای بزرگ، بسیار زمانبر خواهد بود.در [9] یک روش برای تحلیل میزان حساسیت یک مدار به خطاهای نرم مبتنی بر نمودار تصمیمگیری دودویی و افزاربندی مدار ارائه شده است. در این روش، پالسهای گذرا توسط یک نمودار تصمیمگیری دودویی رمزگذاری شده و در سطح دروازه منتشر میشوند.در [10] یک روش تخمین خطای نرم با استفاده از ارضاپذیری بولی ارائه شده است. در این روش، توصیف سطح دروازهی مدار پیمایش میشود و احتمال خطا در خروجی هر دروازه با استفاده از ارضاپذیری بولی محاسبه میگردد.
در [11]، [12]، [13] و [14] روشهایی تحلیلی برای محاسبهی نرخ محو شدن منطقی خطای نرم با استفاده از انتشار احتمال اشکال ارائه شده است. پیچیدگی این روشها خطی بوده و به شکل قابل توجهی در مقایسه با روشهای تزریق اشکال آماری سریعتر عمل میکنند. در این روشها، تأثیر محو شدن الکتریکی و پنجرهی نمونه برداری، تاثیر چندگانه برخورد ذرات و همچنین انتشار اشکال در سیکل ساعتهای متوالی در نظر گرفته نشده است - در [13] مورد آخر در نظر گرفته شده است - . در [6] و [15] روشهای دیگری مبتنی بر محاسبه احتمال انتشار اشکال در مدار ارائه شده است. این روشها که دارای دقت و سرعت بالای هستند، تاثیر برخورد چندگانه ذرات را در نظر گرفته اند، اما روشی که در این دو مقاله برای تعیین دروازه - های - همسایه در نظر گرفته شده است، در برخی موارد ممکن است چندان داری دقت مطلوبی نباشد.
نوآوریها و کارهای برجستهای که در این مقاله نسبت به کارهای پیشین صورت گرفته، عبارتند از:
در نظر گرفتن تاثیر چندگانه برخورد ذرات پر انرژی در فنآوریهای زیر 100 نانومتر: در بسیاری از کارهای پیشین - مانند کارهای ارائه شده در [7] تا - [14] این تاثیر لحاظ نشده است. بنابراین، این روشها برای فنآوریهای امروزی دارای دقت مطلوبی نیستند.در نظر گرفتن همزمان تاثیر چندگانه برخورد ذرات پرانرژی، هر سه نوع محوشدگی ذاتی مدار و دنبال کردن پالس اشکال در سیکلهای ساعت متوالی که موجب افزایش دقت محاسبات میگردد.ارائه روشی اکتشافی جدید برای تشخیص دروازههای همسایه برای لحاظ کردن تاثیر چندگانه برخورد ذرات پر انرژی ارزیابی دقت روش پیشنهادی بر محدودههای مختلف و وسیع از بارهای تزریقی و دستیابی به دقت بسیار بالا - حدود98,3 درصد - در مقایسه با روش مبتنی بر مونتکارلو
.3 روش پیشنهادی برای تخمین احتمال انتشار خطای نرم در بخش ترکیبی
برای یک مدار ترکیبی متشکل از m دروازهی منطقی، نرخ رخداد خطا از رابطهی - 1 - بدست میآید که در این رابطه SER به معنای نرخ رخداد خطای نرم، Phit-Gi احتمال برخورد یک ذرهی پر انرژی به دروازه Gi و SER - Gi - به معنی نرخ رخداد خطای نرم در این دروازه است - بروز پالس اشکال در خروجی این دروازه - . این پارامتر خود از رابطهی - 2 - بدست میآید.
