一种考虑防护措施的缓存可靠性分析方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑防护措施的缓存可靠性评估方法，结合单粒子时空单比特翻转和多比特翻转的概率特性，提出了一种基于马尔科夫状态迁移的缓存可靠性计算方法。本方法将单粒子翻转的时空累积效应和检错纠错防护措施带来的可靠性改变融入评估方法中，为存储单元容单粒子软错误及纠错措施的设计提供依据。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑防护措施的缓存可靠性分析方法
本专利技术涉及计算机领域的处理器存储单元中的抗单粒子软错误，特别是能够对采用了单位检错(SingleErrorCorrection,SEC)、双位检错(DoubleErrorCorrection,DEC)等检错纠错码ECC(ErrorCorrectionCode)及交错布局防护措施的缓存单元的可靠性进行分析，可以对处理器抗单粒子软错误均衡容错设计提供理论依据。
技术介绍
随着半导体技术的飞速发展，集成电路制造工艺不断向超深亚微米发展，芯片印刷电路板的组装密度不断增大、供电电压不断降低以及时钟频率的提高等原因导致微处理器发生单粒子翻转(SingleEventUpset，SEU)的概率大大提升。特别是处于太空环境下的卫星系统更容易遭受高能带电粒子的撞击，使卫星系统的存储位或逻辑位发生单位翻转(SingleBitUpset，SBU)或多位翻转(MultiBitUpset，MBU)。由于单粒子软错误主要发生在数据存储或指令相关器件中，并不会影响器件的物理特性，因此可以通过系统复位、重新加电或重新写入等措施使系统恢复到正常状态。微处理器抗单粒子效应设计的主要途径是通过软硬件冗余或者采用软件、硬件层的检错纠错码技术，发现并纠正单粒子翻转错误，从而减少软错误对系统可靠性的影响。Mukherjee等开创性的提出了架构脆弱性因子AVF分析方法来评估系统部件在遭受单粒子翻转后发生故障的概率，系统部件发生故障的概率由单粒子翻转原生错误率、电路和进程的处理过程以及AVF共同决定。研究发现不同应用程序或者不同体系结构的AVF相差很大，在AVF分析方法的基础上，研究人员提出了很多可靠性评估方法。Li等提出一种基于概率的软错误生成和传播模型SoftArch，相对于以前的方法，SoftArch能够更快速且更全面的评估处理器架构级的软错误行为，而且能够识别不同微架构级部件以及应用程序不同阶段对系统AVF的贡献率，但是没有考虑防护措施后软错误对系统的影响。Suh等提出一种针对单位和多位翻转情况下的状态转换可靠性评估方法，但是没有考虑应用程序AVF的影响。Alessandro等提出了一种基于微处理器的统计可靠性评估方法，该方法主要从程序执行的角度分析微处理器的软错误率，并通过模拟软错误，快速静态地分析目标软件的控制流和数据流，以此计算程序成功运行的概率，得到了和统计错误注入相一致的实验结果，且大大降低了统计错误注入方法所需要的评估时间，但是该方法还是依赖于统计信息，针对性较差。微处理器中的存储单元对软错误最为敏感。随着技术的进步，缓存已占据微处理器空间的一半以上，由于缓存中存放着大量运算所需要的地址和数据，且随着亚阈值(sub-threshold)电压操作和昏沉电源(drowsysupply)电压等技术的使用，在降低了缓存的静态功耗的同时，也使得缓存单元对单粒子软错误越加敏感。同时，诸如奇偶校验(Parity)、单位纠错双位检错(SECDED)等ECC防护措施的使用，又增强了处理器存储单元抗单粒子效应的能力。如何评估采用ECC防护措施、具有累积时空单位或多位单粒子效应的处理器缓存可靠性逐渐成为目前研究的热点。因此研究单粒子软错误缓解及防护技术主要从以下两个方面进行研究：1)开发更好的框架、分析技术和软件工具以便更好的理解和度量软错误是如何影响系统的行为；2)扩展现有的软错误屏蔽、检测和恢复技术，以便在可行的性能、能量、空间和复杂度约束条件下提高系统的可靠性。现有的缓存可靠性设计中加入了诸如奇偶校验、单位纠错双位检错(SECDED)和交错布局(Interleaving)等防护措施，而AVF(ArchitecturalVulnerabilityFactors)和生命周期分析方法都没有考虑应用这些防护措施后系统的可靠性。
技术实现思路
专利技术目的：现有技术都是在没有考虑防护措施的前提下，通过分析应用程序特性及缓存的布局等来分析其可靠性，这些分析技术会使缓存的防护代价过高，例如防护措施的重叠等，进而影响整个系统的性能(如时延、功耗等)，针对现有缓存可靠性性分析方法的不足，本专利技术目的是提出一种考虑单粒子翻转的时空累积效应和检错纠错防护措施后缓存的可靠性评估方法。技术方案：为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为一种考虑防护措施的缓存可靠性评估方法，下面首先介绍该方法使用的基本符号：AVFstructure：表示分析对象的脆弱性因子；VCC(VulnerabilityClockCycle)：脆弱性时钟周期，所有在ACE生命周期内的时间段都为脆弱性时钟周期；PD(ProtectionDomain)：保护区域，如奇偶校验、SECDED、DECTED等汉明码所保护的区域；L(ScrubbingInterval)：刷新间隔，ECC防护策略运算的时间间隔定义为刷新间隔；PSEU_PD：保护单元PD在一个处理器时钟周期内发生单粒子翻转的概率；dm，n：表示发生m×n型空间多位翻转的概率；MS(MarkovState)：马尔科夫状态，在某个处理器时钟周期内，保护区域PD内所发生单粒子翻转的比特位个数；λ：软错误发生率；m:保护区域内可以防护软错误位个数的上界；mac:系统失效时，保护区域内已经发生软错误位的个数；每次单粒子效应所产生软错误位的平均个数；在软错误率为λ的情况下，发生单粒子时空多位翻转后，系统的平均无故障时间；在软错误率为λ′的情况下，发生单粒子单位位翻转后，系统的平均无故障时间。一种考虑防护措施的缓存可靠性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，进行体系结构脆弱性因子(AVF，ArchitecturalVulnerabilityFactor)计算：首先根据缓存进行的读写操作将缓存划分为软错误敏感位ACE(ArchitecturallyCorrectExecution)、软错误非敏感位UnACE和未知位Unknown三种类型，确定指令生命周期内哪些位的软错误是敏感的；之后，计算体系结构脆弱性因子AVF其中AVFstructure表示分析对象的脆弱性因子；ACEcyclei表示比特位i在程序执行过程中处于ACE状态总的时间周期数；N表示测试对象总的比特位个数；totlecycles表示程序执行总的时间周期；所述的体系结构脆弱性因子AVF是指存储单元在特定时钟周期内所包含软错误敏感位ACE位的百分比；针对逻辑结构，体系结构脆弱性因子AVF是在特定时钟周期内处理ACE位或者指令集的百分比，对于拥有N个子系统的总系统而言，总的体系结构脆弱性因子AVF是各个子系统体系结构脆弱性因子AVF’综合的结果。第二步，进行粒子翻转软错误效应分析：通过马尔科夫状态转换关系来分析存储系统的可靠性，具体为：MSx表示保护区域内发生的软错误位个数为X，在只考虑单位翻转的情况下，各状态之间转换的步距只能为1即MSk只能转换为MSk-1(翻转位重叠，状态减一)或MSk+1(翻转位未重叠，状态加一)；当最多考虑m位空间多位翻转PmBU的情况下，MSk在发生一次单粒子效应后，可以转换为2m+1种状态(即MSk-m，MSk-m+1，…，MSk+m)；为不同的单位翻转、多位翻转建立不同的马尔科夫状态之间的转换矩阵，形成马尔科夫链，缓存固有的平本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑防护措施的缓存可靠性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，进行体系结构脆弱性因子AVF计算：首先根据缓存进行的读写操作将缓存划分为软错误敏感位ACE、软错误非敏感位UnACE和未知位Unknown三种类型，确定指令生命周期内哪些位的软错误是敏感的；之后，计算体系结构脆弱性因子AVFAVFstructure=Σi=0N(bitwiseAVF)iN=Σi=0NACEcycleiN×totlecycles]]>其中AVFstructure表示分析对象的脆弱性因子；ACE cyclei表示比特位i在程序执行过程中处于ACE状态总的时间周期数；N表示测试对象总的比特位个数；totle cycles表示程序执行总的时间周期；第二步，进行粒子翻转软错误效应分析：通过马尔科夫状态转换关系来分析存储系统的可靠性，具体方法如下：为不同的单位翻转、多位翻转建立不同的马尔科夫状态之间的转换矩阵，形成马尔科夫链，缓存固有的平均无故障时间MTTFintri就为从状态MS0到状态MSk转换所需要次数与处理器时钟周期cycle之积：而整个运行程序的平均无故障时间则为：MTTF=MTTFintriAVF]]>第三步，考虑交错布局的时空多位翻转分析：在交错布局的防护措施下，通过单位翻转无故障时间来对多位翻转平均无故障时间的下界的情况进行预估分析，将软错误发生率λ转化为单位翻转软错误发生率其中为每次单粒子效应所产生软错误位的平均个数，Qeventper=E[qi]=Σj=1∞j·p(j)=1+Σj=2∞(j-1)·p(j),]]>qi表示第i次翻转所产生的软错误位数，p(j)表示发生j位翻转的概率，将单位翻转无故障时间带入第二步，代替缓存固有的平均无故障时间MTTFintri，得到缓存在交错布局策略下的可靠性...

【技术特征摘要】
1.一种考虑防护措施的缓存可靠性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，进行体系结构脆弱性因子AVF计算：首先根据缓存进行的读写操作将缓存划分为软错误敏感位ACE、软错误非敏感位UnACE和未知位Unknown三种类型，确定指令生命周期内哪些位的软错误是敏感的；之后，计算体系结构脆弱性因子AVF:其中AVF表示分析对象的脆弱性因子；ACEcyclei表示比特位i在程序执行过程中处于ACE状态总的时间周期；N表示测试对象总的比特位个数；totlecycles表示程序执行总的时间周期；第二步，进行粒子翻转软错误效应分析：通过马尔科夫...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪芸，王辉，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32