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基于周期粒度的 级间寄存器备份机制
资料介绍
单粒子翻转是空间环境下微处理器发生异常的重要诱因之一,随着集成电路特征尺寸的缩小,单粒子翻转不仅会引发单位错误,还会引发大量的多位错误,如何有效解决处理器所面临的多位故障是容错处理器设计面临的新挑战.本文提出了一种基于周期粒度的级间寄存器备份机制的容错方法,采用双流水线冗余结构,通过比较器对比两条流水线的级间寄存器以检测单粒子故障;以周期粒度对级间寄存器的内容进行备份,当检测到单粒子故障时,使用2个周期对流水线进行恢复;为避免脏数据流出流水线,在数据缓存和寄存器堆的入口设置写缓冲,通过延迟写入保证信息可靠性.本文基于实际的SPARC V8结构处理器,对提出的方法进行了具体实现,在实验平台上进行了仿真,仿真结果显示,本文提出的容错方法能够以一定的面积开销实现对SEU、SET、和MBU故障容错,加固处理器的主频最高可以提升70%
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Vol． 46 No． 10
Oct． 2018
第
2018
期
10
电
子
ACTA ELECTRONICA SINICA
学
报
年
月
基于周期粒度的
级间寄存器备份机制
1，2，3
1
1
1
3
3
，
， ， ， ，
王 晶
申 娇 丁利华 杨 星 邱柯妮 张伟功
( 1．
，
100048;
首都师范大学信息工程学院 北京
2．
，
，
100190;
中国科学院计算技术研究所 计算机体系结构国家重点实验室 北京
3．
，
100048)
首都师范大学电子系统可靠性技术北京市重点实验室 北京
:
， ，
单粒子翻转是空间环境下微处理器发生异常的重要诱因之一 随着集成电路特征尺寸的缩小 单粒子
摘
要
，
，
翻转不仅会引发单位错误 还会引发大量的多位错误 如何有效解决处理器所面临的多位故障是容错处理器设计面临
．
，
，
的新挑战 本文提出了一种基于周期粒度的级间寄存器备份机制的容错方法 采用双流水线冗余结构 通过比较器对
;
，
，
比两条流水线的级间寄存器以检测单粒子故障 以周期粒度对级间寄存器的内容进行备份 当检测到单粒子故障时
2
;
，
，
使用 个周期对流水线进行恢复 为避免脏数据流出流水线 在数据缓存和寄存器堆的入口设置写缓冲 通过延迟写
．
入保证信息可靠性 本文基于实际的
SPARC V8
，
，
结构处理器 对提出的方法进行了具体实现 在实验平台上进行了仿
，
，
SEU、SET、 MBU
和
，
故障容错 加固处理器的主
真 仿真结果显示 本文提出的容错方法能够以一定的面积开销实现对
70% ．
频最高可以提升
:
;
;
;
;
;
关键词
中图分类号
URL: http: / /www． ejournal． org． cn
单粒子翻转 多位故障 容错 备份 写缓冲 流水线加固
TP302. 8
0372-2112 ( 2018) 10-2486-09
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2018． 10． 024
:
:
A
:
文章编号
文献标识码
电子学报
Backup Mechanism of Pipeline
Register Based on Cycle Granularity
1，2，3
1
1
1
3
3
WANG Jing
，SHEN Jiao ，DING Li-hua ，YANG Xing ，QIU Ke-ni ，ZHANG Wei-gong
( 1． College of Information Engineering，Capital Normal University，Beijing 100048，China;
2． State Key Laboratory of Computer Architecture，Institute of Computing Technology，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China;
3． Beijing Key Laboratory of Electronic System Reliability and Prognostics，Beijing 100048，China)
Abstract: SEU is one of the important causes for the microprocessor in which the exception occurs in space environ-
ment． SEU not only causes single-bit error，but does lead to a number of multi-bit errors，along with the reduction of the IC
feature size． It is a great challenge that we find a way to effectively cope with the multi-bit error． This paper proposes a fault-
tolerant method which backs up the pipeline registers based on cycle granularity，the dual modular redundancy is applied in
this method． The pipeline registers on the two pipelines are compared through the comparators to detect the error and the
pipeline registers are backed up based on cycle granularity． It takes two cycles to restore the error pipeline when the error is
detected． The write buffer is set in the entrance to the data cache and register file to avoid dirty data flowing out of the pipe-
line． And we can ensure the data is correct through delay write． This paper implements the fault-tolerant method based on
SPARC V8 processor and tests in the simulation environment． The simulation results shows that the CPU clock speed of the
hardened processor in which the proposed fault-tolerant method is applied can increase 70% at most and the fault-tolerance
of the SEU，SET and MBU is implemented with the limited area overhead．
Key words: SEU; MBU; fault tolerance; back-up; write-buffer; pipeline hardened
: 2017-01-16;
: 2017-04-18;
:
收稿日期
修回日期
责任编辑 蓝红杰
:
973
;
( No． 61772350，No． 61472260，No． 61741211) ;
( No． CIT＆TCD201704082，
基金项目 国防
项目 国家自然科学基金
体系结构国家重点实验室开放课题
( No． JCYJ20150529164656096，No． JCYJ20170302153955969)
北京市高水平教师队伍建设计划
No． CIT＆TCD20170322) ;
( No． CARCH201607) ;
( No． XX2018081) ;
北京市科技新星计划
深圳市科技计划项目
2487
10
:
第
期
王
晶 基于周期粒度的级间寄存器备份机制
，
MBU
， ，
问题 在保证容错效果的同时 能够
．
故障 尤其是
1
引言
有效降低流水线容错导致的性能开销 本文在传统的
，
随着半导体工艺技术进入纳米时代 供电电压的
:
流水线级双模冗余结构的基础上进行了一些优化
，
降低使得存储单元更易发生翻转 导致单粒子翻转
( 1)
以周期粒度对流水线级间寄存器中的内容进
［1 ～ 3］
( Single Event Upset，SEU)
．
1
现象越来越严重
如图
，
行备份 并利用两条流水线之间的比较器检测单粒子
，
，
，
所示 研究表明 在纳米级芯片中 带电粒子轰击会影响
，
，
故障 一旦检测出故障 将备份寄存器中内容恢复到流
．
，
( Multi-Bits Upsets，
多个敏感单元 使得多位数据翻转
水线单元
MBU)
，
概率也在迅速增加 对空间应用的微处理器产生
( 2)
，
在流水线输出端口设置写缓冲 禁止脏数据流
极大的危害［4，16 ～ 18］ 因此 如何在纳米时代保障微处理
．
．
，
，
．
出流水线 从而实现对单粒子故障的容错
器的可靠性已经成为容错处理器设计的重要挑战
( 3)
SPARC V8
本文提出的容错方法将基于
体系结
［10］
LEON2
，
处理器 实现 并对其进行模拟的故障注
构的
．
，
入 实验结果表明 基于周期粒度的级间寄存器备份机
100% LEON2
．
制能够对单粒子故障
容错 与
处理器原型
DMR SRDP
，
9． 8% ，
相比 处理器主频仅下降
相比于
和
36． 9% 70． 3% ．
和
主频则分别提升了
2
基于周期粒度的级间寄存器备份机制
: ERC32
微体系结构容错技术常见方法如下所示
TMR
SPARC V8
BM3803
，
为代表 目前被广泛
处理器以
应用于国内航天航空领域 本文提出的 容 错方 法以
SPARC V8 LEON2
，
，
级间寄存器
MBU
的方法 由于备份单元临近 无法应对
．
．
MBU，
故障 流水线级三模冗余虽然可以应对
但是
．
，
处理器为基础进行实现
体系结构的
，
备份三条完整的流水线 硬件资源功耗等开销较大
［6，7］
处理器
，
，
其流水线单元为典型的五级流水 结构简单 本文提出
IBM
S/3900 G5
， ，
备份两条流水线 一旦检
的
的容错方法只对处理器的整型单元的流水线进行加
，
测到故障必须进行流水线回退 这将会带来巨大的性
能开销 导致整体处理速度明显降低
方法［8］ 在
单条流水线的基础上增加了检验单元 需要保证校验
． Razor
．
2
固 图 为本文提出的容错方法加固后的整体结构示意
，
． DIVA
，
，
图 如图所示 基于周期粒度的级间寄存器备份机制的
，
单元永远正确 不适用于苛刻环境
方法［14］ 为主
:
容错方法的关键如下
( 1)
，
:
多位容错的双冗余流水线结构 设置两条同构
，
，
触发器设置一个副触发器 从而检测出锁存数据错误
(
A， B) ，
对等的流水线 流水线
流水线 并行执行相同指
，
MBU
．
故障 自修复双
同样由于备份单元相邻 无法应对
［9］( Self-Recovery Dual Pipeline，SRDP)
，
A
令流 以流水线 执行结果与流水线单元外部进行交
冗余流水线
冗余流水线的基础上 通过比较逻辑检测故障 自校验
在双
，
，
互 通过比较器对比两条流水线的级间寄存器内容 从
．
而检测流水线单元的单粒子故障
，
，
，
，
逻辑定位故障 实现对单粒子故障进行恢复 对故障有
( 2)
:
周期粒度的级间寄存器备份机制 为了对发生
，
、
很好的容错效果 但比较逻辑与功能逻辑的串行 自校
，
故障的流水线单元进行恢复 同时避免故障累积和传
验的编码逻辑以及复杂的流水线恢复操作导致处理器
．
的主频下降幅度很大
，
．
播效应 将会以周期粒度备份级间寄存器 任何一条流
，
，
水线发生单粒子故障 比较器都会检测出错误 将备份
针对目前已有容错方案导致处理器性能开销较大
，2
的内容恢复到流水线的级间寄存器中 个周期后流水
．
，
的缺陷 本文提出一种基于周期粒度的级间寄存器备
．
线正常执行
份机制 该容错方案能够有效应对辐射造成的单粒子
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