Anatomy of microarchitecture-level reliability assessment for modern processors

Abstract

Η ραγδαία βελτίωση της τεχνολογίας ημιαγωγών αυξάνει συνεχώς την πυκνότητα και πολυπλοκότητα των σύγχρονων επεξεργαστώ στον βωμό της υψηλής απόδοσης και λειτουργικότητας. Όμως αυτή η εξέλιξη έχει αρνητικές συνέπειες στην αξιόπιστη λειτουργία των επεξεργαστών, καθιστώντας τους πιο ευάλωτους σε παράγοντες όπως η κοσμική ακτινοβολία, κατασκευαστικά λάθη, φθορά και λειτουργία σε χαμηλή τάση. Συνεπώς, οι σύγχρονοι επεξεργαστές υποφέρουν από αυξημένους ρυθμούς σφαλμάτων και προϋποθέτουν την υιοθέτηση μηχανισμών προστασίας. Η προστασία όμως δεν διατίθεται δωρεάν. Απαιτεί πόρους σε επίπεδο υλικού, ισχύος ή/και επιδόσεων ενώ μπορεί τελικά να μειώσουν την απόδοση ενός μοντέλου επεξεργαστή.Είναι λοιπόν σημαντικό να εφαρμοσθεί ένα σωστό επίπεδο προστασίας που ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις του επεξεργαστή. Όμως για να συμβεί αυτό, οι σχεδιαστές πρέπει να γνωρίζουν ποιες είναι αυτές οι απαιτήσεις. Για τον λόγο αυτό, έχουν αναπτυχθεί αρκετές τεχνικές για την αξιολόγηση της αξιοπιστίας. Η αξιολόγηση μπορεί να αποκαλύψει αδυναμίες του σχεδιασμού που χρειάζονται επιπλέον προστασία ενώ ταυτόχρονα μπορεί να αποκαλύψει τμήματα που επιτυγχάνουν αυξημένη ανοχή στα σφάλματα. Αυτές οι πληροφορίες μπορούν να οδηγήσουν σχεδιαστικές επιλογές σχετικές με την αξιοπιστία και κατά συνέπεια, να εκκινήσουν έναν νέο γύρο επανασχεδιασμού. Όσο νωρίτερα είναι διαθέσιμες, τόσο μικρότερο θα είναι και το κόστος του επανασχεδιασμού.Τα μικροαρχιτεκτονικά μοντέλα (ή μοντέλα επιδόσεων) είναι συνήθως διαθέσιμα στα πρώιμα στάδια του σχεδιασμού ενός επεξεργαστή. Αναπτύξαμε τον GeFIN, ένα εργαλείο που επιτρέπει την αξιολόγηση της αξιοπιστίας σε αυτό το πρώιμο στάδιο. Εστιάζοντας στον κρίσιμο παράγοντα της ταχύτητας, αναπτύξαμε καινοτόμες τεχνικές για την επιτάχυνση της αξιολόγησης χωρίς την απώλεια ακρίβειας των αποτελεσμάτων. Αυτές οι τεχνικές μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πληθώρα μελετών, συμπεριλαμβανομένων: εξερεύνηση επιλογών προστασίας, σχεδιαστικές επιλογές μικροαρχιτεκτονικής, ανάλυση εφαρμογών κτλ. Σκοπεύοντας να ενισχύσουμε την επιχειρηματολογία υπέρ της αξιολόγησης σε επίπεδο μικροαρχιτεκτονικής, συγκρίναμε για πρώτη φορά τα αποτελέσματα της μεθόδου με τα αποτελέσματα επί του τελικού προϊόντος, σε επίπεδο RTL καθώς και σε φυσικά τσιπ. Τα αποτελέσματα μας δείχνουν ότι υπάρχει μεγάλη συσχέτιση σε κάποιες κατηγορίες φαινομένων, ενώ ταυτόχρονα αξιολογούνται οι αδυναμίες της μεθόδου. Στόχος αυτής της διατριβής είναι η συνολική βελτίωση της αξίας της αξιολόγησης σε επίπεδο μικροαρχιτεκτονικής, παρέχοντας νέες, προηγμένες και περιεκτικές μεθοδολογίες, αποτελέσματα που αποδεικνύουν την ακρίβεια της μεθόδου καθώς και μέσω της επίδειξης του τρόπου όπου μπορεί η τεχνική να εφαρμοστεί για να συμβάλει σε υφιστάμενα προβλήματα.