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Die stetige Verkleinerung der Strukturgrößen bei der Halbleiterfertigung ermöglicht die Herstellung von integrierten Schaltungen, die immer komplexere Aufgaben erfüllen können und dabei von Generation zu Generation kompakter, energieeffizienter und kostengünstiger werden. Ein Nachteil dieser Skalierung ist die zunehmende Anfälligkeit gegenüber verschiedenen physikalischen Effekten, die im Betrieb temporäre oder permanente Fehlern verursachen können. Dies erhöht die Notwendigkeit, Maßnahmen zu implementieren, die diese Fehler kompensieren und damit die Zuverlässigkeit der Schaltung steigern.
Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung und Implementierung von Methoden für einen gezielten Einsatz von Hardware-Redundanz beim Entwurf fehlertoleranter digitaler Schaltungen. Die entwickelten Methoden bilden die Grundlage für eine rechnergestützte Entwurfsraumexploration, bei der auf der Basis eines gegebenen Schaltungsentwurfs eine Vielzahl fehlertoleranter Entwurfskandidaten automatisiert erzeugt und evaluiert werden kann.
Zur Bewertung der Kosten der verwendeten Hardware-Redundanz werden mehrere Verfahren vorgestellt, um die Veränderung von Schaltungsfläche, Verarbeitungsleistung und Verlustleistung zu bestimmen. Dazu gehört auch die Entwicklung und Evaluierung von Methoden, die Abschätzungen auf der Grundlage struktureller Eigenschaften und vorhandener Teilergebnisse liefern. Diese erreichen eine deutliche Beschleunigung gegenüber herkömmlichen Logiksynthesen und ermöglichen so in verschiedenen Phasen der Entwurfsraumexploration einen jeweils geeigneten Kompromiss zwischen Laufzeit und Genauigkeit.
Für die Berechnung der Zuverlässigkeit und der erwarteten Lebensdauer von Entwurfskandidaten wird ein Modellierungsansatz eingeführt, der es ermöglicht, temporäre und permanente Fehler gemeinsam zu berücksichtigen. Darüber hinaus beschreibt die Dissertation einen Algorithmus zur automatischen Generierung entsprechender Modelle. Dieser wird verwendet, um für eine exemplarische Menge von Hardware-Redundanzstrategien die jeweils erreichbare Steigerung der erwarteten Lebensdauer zu berechnen. Die Ergebnisse geben Aufschluss über den Einfluss verschiedener Entwurfsentscheidungen und Randbedingungen auf die Wirksamkeit der eingesetzten Fehlertoleranzmaßnahmen.
Effiziente Auswahl redundanter Komponenten für Prozessoren zur Kompensation permanenter Fehler
(2014)
Die stetige Skalierung von Fertigungstechnologien sorgte für einen rasanten Anstieg der Komplexität und damit auch der Verarbeitungsleistung von integrierten Schaltungen. Dies führte auch zu höheren Anforderungen an die Entwurfs- und Produktionsprozesse für diese Systeme. Zusätzlich dazu steigern Strukturen im Nanometerbereich die Anfälligkeit gegenüber physikalischen Effekten, welche sich in temporären und zunehmend auch dauerhaften Störungen der Funktionalität äußern können. Der Einsatz von Fehlertoleranz ist für diese komplexen Systeme nicht wegzudenken und wird für zukünftige anfälligere Fertigungstechnologien noch relevanter.
In dieser Arbeit wird eine skalierbare Architektur zur Kompensation dauerhafter Störungen für beliebige Prozessorkomponenten vorgestellt. Der Einsatz dieser Architektur ist unabhängig von der Fehlerursache und kann sowohl direkt nach der Produktion als auch während des Einsatzes im Zielsystem genutzt werden. Durch die Verwendung dieser Architektur, auf aktiver Hardware-Redundanz basierend, ist eine Steigerung der Zuverlässigkeit, der Lebensdauer aber auch der Produktionsausbeute bei gleichbleibender Funktionalität möglich. Mit der Modellierung in dieser Arbeit wird die Effizienz der vorgestellten Architektur, unter Berücksichtigung der zusätzlichen Hardware für Redundanz und der notwendigen administrativen Komponenten, ermittelt und ermöglicht damit einen zielgerichteten Auswahlprozess für Prozessorkomponenten und die Menge ihrer Redundanz. Somit wird die optimale Redundanz für ein gegebenes System und ein zu erreichendes Ziel bereits im Entwurfsprozess bestimmtund kann damit frühzeitig bei der Umsetzung berücksichtigt werden.
Neben der Beschreibung des Aufbaus der Architektur und ihrer Funktionsweise zeigt diese Arbeit wie sich eine Integration in bestehende Entwurfsprozesse mit gängigen Methoden und Werkzeugen realisieren lässt. Zusätzlich dazu wird die Systemmodellierung zur Realisierung des zielgerichteten Auswahlprozesses beschrieben. Anhand eines Anwendungsbeispiels wird die Möglichkeit der Umsetzung aufgezeigt und die daraus resultierenden Ergebnisse diskutiert.