面向数字系统芯片级自修复的胚胎硬件关键技术研究

摘要

仿生电子硬件领域的胚胎硬件具有逻辑单元层次的分布式自主控制重构能力，为数字电路芯片级在线故障自测试与自修复提供了硬件基础，基于胚胎硬件技术设计的数字系统可在完全自主控制下大幅提高可靠性，胚胎硬件技术在航空、航天、深海等恶劣环境领域应用意义突出。
　　基于胚胎硬件设计具有工程实用价值的芯片级自修复数字电子系统，需在硬件结构体系、应用系统可靠性提高方法和系统评估与验证方法等方面实现突破，但目前仅硬件结构体系研究有一定成果，而且还存在硬件资源利用率低下和自修复覆盖不全面的问题。本文针对胚胎硬件设计芯片级自修复数字系统的关键技术问题，围绕完善系统硬件体系、简化电路结构和探索应用设计过程可靠性提高方法三个方面开展研究，提出新结构体系模型及相应自修复策略，给出细胞电路简化设计方法，并得到以可靠性为优化目标的应用设计最优参数选择方法。论文主要贡献在于：
　　1、提出三层硬件结构模型，包含系统层、组织层和细胞层。针对两层模型中细胞电路复杂度随阵列规模增大而快速提高的问题，增设组织层以减小自修复操作的阵列规模，可降低细胞电路复杂度；针对四层模型中系统层自修复导致组织内细胞高度冗余的问题，提出电子组织按逻辑功能分块、单独布局的结构，可提高资源利用率。
　　2、面向新硬件结构模型，提出新的分层自修复策略。细胞层：进行细胞层各分子模块故障自测试设计，实现了细胞内部模块全面自测试，提出与组织层自修复相结合的细胞内分子模块自修复方法，可避免细胞层自修复引起的硬件冗余；组织层：针对故障细胞移除过程将发生瞬时故障细胞永久移除的问题，提出一种故障细胞可重利用的单细胞移除自修复策略，仅移除部分永久故障细胞，所有瞬时故障细胞都可自修复。
　　3、以完善自测试、自修复能力和简化电路设计为目标，开展细胞内部电路模块设计研究，提出了新的自测试和自修复结构，实现了电路设计，验证了有效性。具体包括：
　　⑴提出一种多功能可配置的逻辑功能模块结构，可简化常用数字逻辑的配置信息，提高逻辑分配效率；仅对影响输出的LUT存储单元进行测试，降低了电路复杂度；逻辑功能模块的全部瞬时故障和绝大部分永久故障可修复；
　　⑵基于移位寄存器结构设计配置存储器，实现了配置存储器模块简化；配置存储器在细胞层自测试，与组织层自修复结合，可修复全部瞬时故障和部分永久故障；
　　⑶设计并实现与自修复策略相适应的控制模块电路，并验证了控制过程正确性；
　　⑷提出互连模块分离布局设计法：将配置信息控制的开关块布局在细胞内部，将无需配置控制的附加布线电路独立设计，分离设计可减小细胞面积，降低细胞故障率，采用纯组合电路结构设计附加布线电路，重布线速度更快。
　　4、针对“特定设计人员在已知芯片对象开展设计任务，设计方法和设计能力由设计者决定”的胚胎硬件应用设计实际，研究应用设计过程可靠性提高方法，指导设计者选择最佳设计策略、确定设计参数。面向胚胎硬件阵列结构体系和细胞移除自修复策略，分析电路设计过程中硬件资源变化规律，针对传统可靠性模型无法体现细胞面积变化的不足，引入细胞面积参数，以其变化来表示细胞电路设计过程中细胞内部模块电路受设计方法影响的情况，建立了不同设计策略下的可靠性模型。通过可靠性数值分析，得到不同自修复策略、不同细胞单元粒度大小和不同细胞阵列布局结构中可靠性的变化规律，给出最佳设计参数的确定方法。
　　5、设计了一个演示胚胎细胞阵列自修复设计方法正确性的物理实验平台。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 胚胎硬件容错技术

1.3胚胎硬件技术研究现状

1.4技术难点分析

1.5论文研究内容与结构安排

第二章 芯片级自修复胚胎硬件结构体系

2.1 引言

2.2 胚胎硬件细胞阵列结构

2.3 芯片级自修复胚胎硬件三层结构模型

2.4 胚胎硬件结构模型的自修复策略

2.5本章小结

第三章 芯片级自修复胚胎硬件细胞电路设计

3.1 引言

3.2 逻辑功能模块设计

3.3 配置存储器模块设计

3.4 控制模块设计

3.5 互连模块设计

3.6 本章小结

第四章 基于可靠性的胚胎硬件应用设计优化

4.1引言

4.2 可靠性理论基础[163-164]

4.3 胚胎硬件可靠性模型

4.4 基于可靠性分析的自修复策略优化选择

4.5基于可靠性分析的细胞单元粒度优化选择

4.6基于可靠性分析的阵列布局结构优化选择

4.7本章小结

第五章 胚胎阵列电路应用设计及实验系统开发

5.1 引言

5.2 芯片级自修复胚胎细胞阵列应用设计

5.3 胚胎硬件实验系统设计与开发

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究内容总结

6.2 进一步研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果与发表文章目录

附录 细胞电路图