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《中国科学院研究生院(计算技术研究所)》 2006年
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高可靠处理器体系结构研究

黄海林  
【摘要】:随着处理器逐步采用纳米级制造工艺,在处理器性能得到大幅提高的同时,由于集成电路特征尺寸的减小、电源电压的降低和频率的升高,使得处理器对于串扰、电压扰动、电磁干扰以及辐射等各种噪声干扰变得更加敏感,并可能引发错误的操作,处理器的可靠性成为一个日益严峻的课题。另一方面,对于航天等特殊应用场合,由于宇宙射线和高能粒子的辐照作用,使得处理器内部电路产生各种单粒子效应,并可能引起严重的事故,因此也对处理器可靠性提出了更高的要求。 本文以龙芯1号处理器为研究原型,以瞬态故障引起的软错误为主要研究对象,通过故障行为分析,结合具体的处理器结构设计,从体系结构级探讨了纳米级制造工艺下与高可靠应用场合下处理器的可靠性设计方法,本文研究工作的主要创新点与贡献如下: 1.提出一种连续快速的处理器仿真故障注入技术,通过同时运行两个处理器可综合RTL模型,在较短时间内对龙芯1号处理器快速注入了大约30万个软错误,保证了分析结果具有较好的统计意义,可以有效指导后续的可靠性设计。 2.提出一种基于软错误敏感性分析的体系结构级低开销容错触发器设计技术,只对龙芯1号处理器中软错误敏感性高于3%的触发器采用容错触发器,节省了81.9%的触发器资源,同时却获得了与粗放加固方法相似的可靠性。 3.提出一种基于局部性原理的处理器片内存储器可靠性设计技术,一方面,通过与虚拟地址历史记录进行比较,使得片内存储器在更多时间内处于空闲关闭状态,因而提高了可靠性;另一方面,采用了一种类write-through的更新算法,使得数据Cache片内存储器与内存始终保持数据一致,有效提高了数据Cache片内存储器的可靠性,降低了保护代价;通过采用这两步措施,处理器性能平均降低了4.09%,面积增加了4.4%,以较小的性能面积开销获得了片内存储器可靠性的较好提高。 4.提出一种静态检测流水线与选择性重复执行技术,根据处理器中指令与面积分布的分析,对于ALU类指令,增加一条专门用于检测执行完整性的静态流水线,对于定点乘法类指令、浮点类指令,采用重新取指并执行两次的方法,只带来了4.6%的面积开销和2.93%的性能损失,却可以检测除访存类指令外所有指令的执行完整性。 5.提出一种精确流水线超时恢复技术,针对不同情况,对流水线超时错误分别采用了结果总线增加操作码比较、产生超时例外重新取指执行指令、触发器超时重置、三模冗余与ECC校验等4种方法进行处理,整个处理器的面积只增加了0.5%,以较小的面积开销实现了处理器流水线超时错误的精确恢复。 6.提供了龙芯1号处理器的一个体系结构级容错处理器版本,通过采用前述可靠性设计技术,处理器性能总共平均降低了7.22%,面积增加了9.8%,相对于文献报道的各种
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(计算技术研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TP332

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【引证文献】
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1 绳伟光;数字集成电路软错误敏感性分析与可靠性优化技术研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
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1 王俊;超大规模集成电路容软错技术研究[D];合肥工业大学;2011年
2 张秋菊;Berkeley DB技术的研究与实现[D];成都理工大学;2010年
【参考文献】
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【共引文献】
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1 王恒娜;浅析访问局部性原理在Cache存储系统中的作用[J];安徽大学学报(自然科学版);2005年01期
2 王一宾,韩承双;计算机体系结构与软件体系结构[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2005年01期
3 王恒娜;访问局部性原理在Cache系统优化及设计中的应用[J];安徽师范大学学报(自然科学版);2004年04期
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10 吴丽征;基于网络的负载均衡机制的研究及在分布式邮件系统中的应用[J];常州信息职业技术学院学报;2003年04期
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1 姜咏江;;内存分块并行计算机研究[A];2005年全国开放式分布与并行计算学术会议论文集[C];2005年
2 刘奇;郝守青;沈海华;章隆兵;;一种基于RAM的降低异构多核切换开销的方法[A];2010年第16届全国信息存储技术大会(IST2010)论文集[C];2010年
3 朱金清;王建新;陈志泊;;基于APRIORI的层次化聚类算法及其在IDS日志分析中的应用[A];第二十四届中国数据库学术会议论文集(研究报告篇)[C];2007年
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1 冯源;水下传感器网络节点试验室测试系统研究与设计[D];中国海洋大学;2010年
2 吴晨涛;对象存储系统中热点数据的研究[D];华中科技大学;2010年
3 傅琛;面向多核系统的高性能硬件事务存储的优化研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
4 严伟;面向电机控制数字信号处理器设计和测试研究[D];上海大学;2004年
5 李祖松;龙芯2号处理器多线程技术研究[D];中国科学院研究生院(计算技术研究所);2006年
6 郇丹丹;高性能存储系统研究[D];中国科学院研究生院(计算技术研究所);2006年
7 范东睿;低功耗嵌入式处理器设计研究[D];中国科学院研究生院(计算技术研究所);2005年
8 罗益辉;海量对象存储系统数据组织算法的研究[D];华中科技大学;2006年
9 凡启飞;高性能嵌入式处理器低功耗技术研究[D];中国科学技术大学;2009年
10 姜海涛;内核级二进制翻译系统设计及性能优化[D];中国科学技术大学;2013年
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1 乔智红;基于龙芯HS3210电力巡检仪研制[D];中国地质大学(北京);2011年
2 曹欢寅;高可移植性x86模拟器的指令翻译和系统态实现框架[D];复旦大学;2011年
3 李海霞;太阳能LED路灯控制器的设计[D];郑州大学;2011年
4 安然;基于FPGA的除法器的设计和实现[D];成都理工大学;2011年
5 邱军;基于Linux平台的实时视频GUI设计与应用[D];杭州电子科技大学;2009年
6 李常;嵌入式MIPS微处理器设计[D];清华大学;2010年
7 刘览;基于FPGA的32位RISC嵌入式微处理器设计[D];南京航空航天大学;2010年
8 龚惠民;视频解码系统设计[D];浙江大学;2002年
9 初忠;新型自动化机舱实验室监测系统的研究[D];大连海事大学;2001年
10 王晓蕾;采用RSA算法的加密芯片设计[D];合肥工业大学;2002年
【同被引文献】
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1 王长河;单粒子效应对卫星空间运行可靠性影响[J];半导体情报;1998年01期
2 章宜华;;对我国电子词典发展策略的几点思考[J];辞书研究;2007年02期
3 王建莹,孙峻朝,杨孝宗;容错计算机系统可靠性评估工具:HFI-2故障注入器[J];电子学报;1999年11期
4 杨金民;张大方;黎文伟;;一种可靠高效的回卷恢复实现方法[J];电子学报;2006年02期
5 贺朝会;李永宏;杨海亮;;单粒子效应辐射模拟实验研究进展[J];核技术;2007年04期
6 丁义刚;;空间辐射环境单粒子效应研究[J];航天器环境工程;2007年05期
7 薛玉雄;曹洲;杨世宇;田恺;郭刚;刘建成;;80C31微处理器单粒子效应敏感性地面试验研究[J];航天器环境工程;2008年02期
8 孙峻朝,王建莹,杨孝宗;容错机制测评中的故障注入模型及应用算法[J];计算机研究与发展;1999年11期
9 黄海林;唐志敏;许彤;;龙芯1号处理器的故障注入方法与软错误敏感性分析[J];计算机研究与发展;2006年10期
10 夏银水;王伦耀;叶锡恩;;划分有限状态机的低功耗实现模型[J];计算机辅助设计与图形学学报;2007年05期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 辛明瑞;面向空间应用的容错RISC处理器体系结构研究[D];西北工业大学;2006年
2 覃灵军;基于对象的主动存储关键技术研究[D];华中科技大学;2006年
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1 丁蓉;嵌入式数据库技术研究[D];西北工业大学;2002年
2 张涛;嵌入式实时数据库关键技术研究与实现[D];电子科技大学;2005年
3 刘巍巍;面向工业控制的嵌入式数据库研究[D];湖南大学;2005年
4 杜源;软件测试技术的应用及其发展趋势[D];四川大学;2005年
5 聂柯渐;界面管理理论研究[D];福州大学;2006年
6 方佳佳;产品模块化对组织模块化的影响机制研究[D];浙江大学;2008年
7 海晓东;借鉴日韩研究中国3G业务发展[D];北京邮电大学;2008年
8 吴其展;基于UML的构件可重用性度量的研究与实现[D];南京航空航天大学;2008年
9 周涛;Berkeley DB的安全性可靠性等完善设计[D];江苏大学;2009年
10 曹源;有限状态机的容软错误及低功耗设计[D];合肥工业大学;2010年
【二级引证文献】
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1 景乃锋;面向SRAM型FPGA软错误的可靠性评估与容错算法研究[D];上海交通大学;2012年
【二级参考文献】
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1 胡伟武,唐志敏;龙芯1号处理器结构设计[J];计算机学报;2003年04期
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3 于永斌;徐洁;吴晓华;王华;丁旭阳;;多核时代的“计算机系统结构”课程[J];计算机教育;2011年06期
4 罗沛霖;罗晋;凯睿;Steve Novack;Victor Berman;;混合式可重构数字多核并行处理器平台[J];前沿科学;2008年04期
5 ;通过FLIX指令结构提高可配置处理器计算性能[J];电子设计技术;2006年02期
6 许珊琳;;ARM公司的多处理技术[J];中国集成电路;2006年05期
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8 王莹;;Wind River为Altera软核NiosII提供Linux支持[J];电子产品世界;2009年04期
9 郭从征;王沁;;低速率声码器芯片设计[J];河北工业大学成人教育学院学报;2005年04期
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1 彭林;张小强;刘德峰;谢伦国;田祖伟;;一种挖掘多核处理器存储级并行的算法[A];第15届全国信息存储技术学术会议论文集[C];2008年
2 陈虎;欧彦麟;陈海波;;面向多核处理器平台的并行Hash JOIN算法设计与实现[A];NDBC2010第27届中国数据库学术会议论文集(B辑)[C];2010年
3 陈虎;罗伟良;干芸芸;;Multi_MINT:一个基于MINT的多核处理器模拟器[A];第十五届计算机工程与工艺年会暨第一届微处理器技术论坛论文集(B辑)[C];2011年
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5 周巍;孙冰;战立明;吕建华;王国仁;于戈;;基于DOM模型的XML查询处理器的设计与实现[A];第十八届全国数据库学术会议论文集(研究报告篇)[C];2001年
6 王海鹏;倪远平;;U-boot在mini2440平台上的移植方法[A];2010年西南三省一市自动化与仪器仪表学术年会论文集[C];2010年
7 胡杏;胡瑜;李晓维;;基于存储级并行的同时多线程电压紧急容错技术[A];第十四届全国容错计算学术会议(CFTC'2011)论文集[C];2011年
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9 李勇;刘胜;甄体智;;C64x+DSP内核分析及其性能评价[A];第15届全国信息存储技术学术会议论文集[C];2008年
10 刘滔;毛宇光;徐洁磐;;CBase查询执行引擎的设计与实现[A];第十八届全国数据库学术会议论文集(技术报告篇)[C];2001年
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1 本报记者 温庆生 特约记者 王握文;“算盘王国”新传奇[N];光明日报;2010年
2 学健 编译;Linux:一种趋势[N];计算机世界;2001年
3 心元;PC“心脏”的搏击[N];计算机世界;2004年
4 本报记者 汤铭;“天河一号” 跃居世界榜首[N];计算机世界;2010年
5 ;Microsoft Embeded OS缩小的桌面系统[N];中国计算机报;2001年
6 本报记者 薛仁 王握文 特约通讯员 司宏伟;超越之路[N];解放军报;2010年
7 本报记者 张群英;10年布局IBM豪赌“一种服务器”[N];网络世界;2002年
8 ;HP为Itanium提供Linux开发工具包[N];计算机世界;2000年
9 米笑;安全实现接入端业务汇聚[N];中国计算机报;2004年
10 井之;新一代安腾处理器[N];网络世界;2002年
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1 徐光;分片式流处理器体系结构[D];中国科学技术大学;2010年
2 孙涛;面向动态异构众核处理器的任务调度研究[D];中国科学技术大学;2013年
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10 张惠臻;可重构指令集处理器设计中的软件重定向关键技术研究[D];中国科学技术大学;2010年
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1 赵丽丽;基于TTA内核的流处理器设计的研究[D];上海交通大学;2010年
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4 钟松延;可配置可扩展处理器编译器设计[D];天津大学;2012年
5 刘子扬;基于虚拟计算群的众核处理器动态在线任务调度算法研究[D];上海交通大学;2013年
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7 董正杨;乱序处理器指令吞吐量平稳化的动态调节方法研究[D];华中科技大学;2012年
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10 马媛;基于多核处理器平台的分流模块的设计与实现[D];北京交通大学;2012年
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