抗多位翻轉低冗余存儲器加固設計及分析技術研究.pdf

1、隨著集成電路特征尺寸的不斷縮小,靜態(tài)隨機存儲器對空間輻射、核輻射環(huán)境甚至地面輻射環(huán)境都非常敏感,輻射產生的帶電粒子會引發(fā)軟錯誤,導致存儲器出現(xiàn)信息丟失或功能失效。在航天、核技術和關鍵的民用領域,集成電路的容錯抗輻射已經成為一種必不可少的技術。當集成電路進入深亞微米工藝后,一次單粒子輻射事件會引發(fā)存儲器多位翻轉,多位翻轉出現(xiàn)的幾率和位數(shù)隨著工藝尺寸的縮小而增加,在目前主流工藝的靜態(tài)隨機存儲器中尤為明顯。
　　存儲器多位翻轉模型分析技

2、術的目標是在存儲器設計初期即可對其可靠性進行快速、有效地評估,避免了芯片流片后的可靠性不達標而進行的返工。此外,每一種糾錯能力強的加固技術都需要大量的硬件冗余,嚴重地惡化存儲器的性能參數(shù)。根據(jù)不同的設計需求,研究高可靠性、低開銷的存儲器抗多位翻轉加固技術變得至關重要。本文針對靜態(tài)隨機存儲器多位翻轉的加固設計與分析技術這兩個熱點問題展開研究,主要工作包括:
　　研究了采用錯誤修正碼(Error Correction Codes,EC

3、C)加固技術的存儲器多位翻轉可靠性模型分析技術。存儲器多位翻轉事件可以等效為具有更大存儲容量或更低事件到達率的單粒子翻轉事件,但是在輻射環(huán)境中輻射事件產生的錯誤交疊和輻射事件的角度等因素對存儲器可靠性分析結果影響較大。首先,本文根據(jù)存儲器多位翻轉的輻射試驗結果,利用概率統(tǒng)計和數(shù)學分析的方法對上述環(huán)境因素進行參數(shù)化建模,提出了存儲器多位翻轉的錯誤交疊和輻射事件角度的評估模型。隨后,本文在已有的單粒子翻轉輻射事件下存儲器的可靠性模型基礎上，

4、考慮了所建立的輻射環(huán)境參數(shù)后,分別對采用擦除技術和未采用擦除技術下的存儲器可靠性進行了分析并給出了存儲器可靠性模型有效的邊界條件,提出了一個分析結果更加精確的存儲器可靠性評估模型。提出的模型在設計初期即可對存儲器在多位翻轉影響下的可靠性進行快速、有效地的分析。最后,通過構建的多位翻轉模擬驗證平臺檢驗了提出可靠性模型的有效性。
　　對低冗余的ECC構造優(yōu)化技術進行了研究。ECC的修正能力與其奇偶校驗矩陣的構成有關,修正能力強的ECC

5、需要更多的冗余位,其奇偶校驗矩陣也具有更多的行數(shù)和列數(shù)。本文探索新的錯誤修正碼結構,利用算法約束對奇偶校驗矩陣的構造進行改進和優(yōu)化,在不增加冗余位的前提下,實現(xiàn)修正能力的提高?；趥鹘y(tǒng)的單錯誤修正、雙錯誤探測(Single Error Correction and Double Error Detection,SEC-DED)碼,本文首先給出了構建單錯誤修正、雙錯誤探測、相鄰雙錯誤修正(Single Error Correction,D

6、ouble Error Detection and Double Adjacent Error Correction,SEC-DED-DAEC)碼奇偶校驗矩陣的構造規(guī)則,然后在構造規(guī)則的基礎上研究低誤碼率的SEC-DED-DAEC碼奇偶校驗矩陣的構造特點。通過適當?shù)卦黾悠媾夹ｒ灳仃嚵邢蛄康闹亓?、改變奇偶校驗矩陣列向量的順序的方?提出了一種低誤碼率的SEC-DED-DAEC碼,隨后利用偽貪婪搜索算法對其奇偶校驗矩陣進行優(yōu)化。最后對提出的

7、SEC-DED-DAEC碼進行了電路實現(xiàn)和可靠性的分析,結果表明提出的SEC-DED-DAEC碼的冗余開銷基本與傳統(tǒng)的SEC-DED碼相同,其誤碼率低于國際同類文獻的結果。
　　研究了二維修正碼加固技術。本文提出了一種可以修正任意寬度多位錯誤且硬件開銷較低的二維修正碼構建方案。首先,把一個存儲器的字看作一個二維矩陣的形式,多位錯誤探測碼和奇偶校驗碼分別加入到矩陣的每一行和每一列中,從而構成了二維修正碼,既保證了存儲器的高修正能力,

8、又不會過多地引入硬件冗余。其次,從二維矩陣行數(shù)和列數(shù)的構成方式與編碼選取的角度,給出最小化存儲器冗余位的條件。隨后,提出了一種版圖分割法,解決了二維修正碼冗余位出現(xiàn)多位錯誤后影響輸出數(shù)據(jù)正確性的問題。最后,設計并實現(xiàn)了二維修正碼加固的存儲器系統(tǒng),對提出的二維修正碼和加固后的存儲器系統(tǒng)進行了電路性能和可靠性的分析。模擬結果表明提出的二維修正碼硬件冗余較低,可以很好地抑制高能空間輻射環(huán)境下出現(xiàn)的多位錯誤。
　　對抗多位翻轉故障安全EC

9、C加固技術進行了研究。本文首先研究了具有故障安全能力ECC碼字的構造特性,提出了一種新穎的具有故障安全能力的“混合碼”。提出的混合碼利用了碼字的物理布局會對多位錯誤的間隔起限制作用這一特性,通過選擇最小重量較低或譯碼級數(shù)較少的歐氏幾何低密度單奇偶校驗(Euclidean Geometry-Low Density Parity Check,EG-LDPC)碼與漢明碼相結合的方式,達到對存儲陣列中的多位錯誤和ECC電路中出現(xiàn)的錯誤進行修正的

10、目的,從而有效地降低了整個存儲器系統(tǒng)的冗余開銷。隨后設計了混合碼的編碼器和譯碼器,并提出了一種改進的大數(shù)邏輯譯碼算法,此算法可以最小化混合碼中 EG-LDPC部分的譯碼步驟,進而降低數(shù)據(jù)存取過程中的延遲和功耗。最后設計了具有故障安全能力的抗多位翻轉存儲器系統(tǒng),它既可以修正存儲陣列中的多位錯誤又可以修正ECC電路中出現(xiàn)的錯誤。設計的抗多位翻轉故障安全存儲器系統(tǒng)與現(xiàn)有的故障安全方案相比,明顯具有更少的冗余開銷和譯碼步驟,具備了一定的實用價值