部分连接的3D片上网络的容错和可靠性

部分连接的3D片上网络的亚历山大·奥古斯托·达佩尼亚·科埃略引用此版本：亚历山大·奥古斯托·达·佩尼亚·科埃略。部分连接的3D片上网络的容错和可靠性。 微纳米技术/微电子学。格勒诺布尔阿尔卑斯大学，2019年。英语。NNT：2019GREAT054。电话：02523770HAL ID：电话：02523770https://theses.hal.science/tel-02523770提交日期：2020年HAL是一个多学科的开放存取档案馆，用于存放和传播科学研究论文，无论它们是否被公开。论文可以来自法国或国外的教学和研究机构，也可以来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaire论文要获得的等级洛杉矶医生格勒诺布尔阿尔卑斯大学社区专业：纳米电子纳米技术部长令：2016年提交人亚历山大·奥古斯托·达·佩尼亚·科埃略论文由Raoul Velazco指导由Nacer-Eddine Zergainoh共同导演在计算机科学和微电子技术实验室内为集成系统体系结构编写电子、电气工程、自动化、信号处理（EEATS）博士部分连接的3D片上网络的容错和可靠性部分连接的3D片上网络的论文于2019年10月25日在评审团面前公开答辩，评审团成员包括：拉乌尔·贝拉斯科CNRS阿尔卑斯代表团研究主任，论文Nacer-Eddine Zergainoh格勒诺布尔阿尔卑斯大学高级讲师，论文联合主任利里达·纳文纳巴黎电信技术学院教授，评审团主席吉勒·萨萨泰利CNRS Occitanie Est代表团研究主任，报告员Amer BaghdadiIMT大西洋布列塔尼-卢瓦尔河地区教授，报告员亲爱的主啊，感谢你给了我力量和信念，让我完成了你交给我的任务。感谢你指引我笔直而真实地度过了道路上的许多障碍，感谢你让我在一切似乎都失去的时候保持坚定。谢谢你的保护和一路上的许多标志。感谢我在博士期间结交的朋友。谢谢你终于允许我完成这篇论文，我太累了。我打了一场正义的仗，我完成了比赛，我保持了信仰。- 改编自《伊莱之书》致克里斯蒂娜、艾琳、莱纳斯和阿莱克西亚确认;我想向我的顾问Raoul Velazco博士和Nacer-Eddine Zergainoh博士表示衷心的感谢，他们给了我与他们一起工作的机会，并引导我走过了这条艰难的道路。他们的指导无疑帮助我改进了我的研究，减轻了博士学位的所有不安全感。学生可能有。我要特别感谢Lirida Naviner教授、Gilles Sassatelli博士和Amer Baghdadi教授，他们同意成为我的审查委员会的一部分。他们有价值和建设性的反馈对提高手稿和论文答辩的质量大有帮助。我想（想）感谢巴西国家科学和技术发展委员会（CNPq Brazil）的财政支持。我想感谢TIMA实验室、EEATS和CIME纳米技术公司的所有工作人员，他们总是设法帮助我解决无数问题。我想说出几个朋友的名字，他们的合作对这项工作的结果产生了决定性的影响：阿米尔·谢里夫、胡安·弗雷、米格尔·索利纳斯、马修·加雷、罗德里戈·波萨迈、蒂亚戈·莱特、雷纳托·费托扎、大卫·萨拉瓦和贾斯敏娜·卡拉亚诺夫（意大利语）。他们的反馈和友谊对这项工作的最终结果至关重要。我想感谢一些对我决定攻读博士学位很重要的人：索布拉尔、赫拉诺、科尔特斯、贾德尔和贾巴斯。非常感谢你们在这段艰难的旅程中对我的支持和（艰难的旅程）我想向我亲爱的Vozinha表示衷心的感谢，我把这篇论文献给了他。我非常感谢她的教导、爱、善良和感情。 我也向我的生母莱斯表示感谢。她对照顾我的孩子的热情、爱和奉献精神令人难以置信。没有她的支持，我无法完成这篇论文。我想感谢我所爱的人，自从我决定搬到法国，我就不得不与他们分开。我的姐妹卡琳，伊莎贝尔，丽贝卡，和我的侄女和侄子安娜梅尔，卡洛斯，亚瑟和若昂加布里埃尔。此外，我要感谢我的爸爸在我很小的时候就把我介绍给了计算机和电子产品的道路，也教我批判性地思考。我想感谢我心爱的妻子艾琳，感谢她像我一样爱我，感谢她多年来幸福的婚姻，感谢她在写这篇论文的过程中给予我的支持和启发再次感谢你的动力、鼓励和耐心。我太爱你了。我也要感谢我的孩子莱纳斯和阿莱克西亚，感谢他们的爱、温柔和爱，感谢他们是我的灵感。格勒诺布尔阿尔卑斯大学、CNRS、TIMA实验室v因为他们的微笑装饰了我的生活。最后，我特别要感谢我的母亲为我所做的一切，她是我所能想象到的最好的母亲。没有他的爱，这份工作就不可能完成。谢谢你教我去梦想，永远相信自己，即使我不相信自己。妈妈，你永远是我的灵感来源。我太想你了。我想改变一切，花更多的时间和你在一起。内容表摘要摘要十七十九一、引言11引言3贡献I：芯片上3D网络的容错解决方案。 . . . . . ...51.1.1处理3D-NOC中软错误的策略。 . . . . . . . . . . . . ...7FL-RuNS容错路由方案。 . . . . . . . . . . . ...8贡献II：用于基于HDL的设计的自动故障注入工具。 . . ...81.2.1 NETFI-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...101.2.2 NoCFI。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...10第二章三维芯片网络13一种软差错弹性路由计算单元152.1引言。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...152.2最先进的。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...163D-NoC架构背景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...172.3.1 NoC切换属性。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...192.3.2部分连接的3D-NoC架构。 . . . . . . . . . . . . . . ...213.3路由计算单元。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...232.4弹性路由计算单元 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...252.4.1检测：双重采样和自定义VC分配器 . . . . . . . ...252.4.2检测：自定义VC分配器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...262.4.3检测：故障检测电路。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...272.4.3更正：重新路由。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...272.5故障注入实验程序 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...28格勒诺布尔阿尔卑斯大学、CNRS、TIMA实验室vii2.6评估和分析302.6.1延迟结果302.6.2硬件合成结果312.7结论323FL-RuNS：一种高性能和运行时容错路由方案3.1导言353.2最先进的技术373.3第一个和最后一个基线架构383.3.13D-NOC拓扑393.3.2健康电梯的位置393.3.3第一-最后：基线算法303.4FL-RuNS路由方案423.4.1传播故障电梯423.4.21-专用虚拟通道433.4.3建议的路由算法453.4.4死锁自由513.5模拟结果和讨论513.5.14x4x4网格下的性能和可靠性分析523.5.28x8x4网格下的性能和可靠性分析553.5.3硬件综合分析563.6结论57HDL设计中错误注入的工具594NETFI-2：基于HDL的设计中4.1导言614.2最先进的技术624.2.1基于硬件的故障仿真634.2.2基于软件的故障仿真634.3NETFI-2644.3.1方法论654.3.2建筑684.3.3LUT转换704.3.4评估和验证724.4测试中的Baysian机器734.4.1BM切片LUT变换734.4.2故障注入活动754.5测试中的支持向量机804.5.1支持向量机背景804.5.2输入向量集824.5.3错误仿真活动834.6辐射试验实验和结果854.6.1辐射测试设置854.6.2辐射试验方法874.6.3辐射测试结果评估874.7第89章5NoCFI：一种片上网络故障注入方法5.1导言915.2最新技术水平925.32D-NoC体系结构背景945.42D路由器中软错误的影响5.5NoCFI975.5.1方法975.5.2NoCFI体系结构1015.5.3故障注入过程1025.6评估和验证1035.7结论104四、结论1056结论和观点1076.1结论1076.2未来的方向109作者参考文献1274.4.3结果分析。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...774.4.4讨论。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...78格勒诺布尔阿尔卑斯大学、CNRS、TIMA实十图列表1.1片上系统芯片内通信架构的演变(a) （b）二维片上网络的总线体系结构，以及nally to（c）三维片上网络 . . . . . . . . . . . . ... ...51.2三维片上网络体系结构中的故障类型[45]。61.3导致晶体管中断的辐射冲击。 . . . . . . . . . . . . . . . . ... ...92.1三维片上网络（a）完全连接和（b）部分连接。................................................182.2数据包和航班定义192.33D路由器架构，每个方向具有双虚拟通道。.......................................................202.4使用管道21的通用路由器体系结构2.5路由计算单元24的三个阶段示例2.6这是一个双采样实现。............................................................................................262.7故障检测电路- FDC。..............................................................................................272.8重新路由方案的实现。............................................................................................282.9故障注入方法292.10 （a）统一流量下ROUT 3D-FDR和基线ROUT 3D的延迟，（b）位追加流量和（c）洗牌流量。..............................................................................313.1垂直和部分连接的3.2电梯可配置位，用于所有健康电梯的初始操作....................................................393.3第一次到最后一次的虚拟网络分解。....................................................................403.4数据包无法使用VN1到达健康电梯的示例在这里，必须丢弃数据包，因为没有另一个负方向的电梯-来自E8电梯............................................................................................................... 413.5使用4位和8位向量（12位）的重新配置方案通过行和列传播TSP状态。.........433.6FL-RuNS的架构，具有1-flit-dedicated虚拟通道。1-flit专用虚拟通道（1-flit FifoBuffer）用作垂直连接中运行时失败后的备用虚拟通道。................................. 443.7具有分布式缓冲区的电梯优先架构仅使用所有缓冲区这是一种避免死胡同的机制。................................................................................453.8FL-RuNS的虚拟网络分解。1-Flit-Dedicated虚拟通道以红色表示：Z1+、Z1-、X1-和Y1-。............................................................................................................... 463.9FL-NS在有和没有TSP故障的483.10 FL-NS使用1-flit-dedicated虚拟信道将数据包重新路由到健康电梯3.11 FL-RuNS在无法保证数据包传送的故障场景中的示例。503.12 无故障注入的4x4x4 NoC的平均数据包延迟......................................................... 533.13 单次故障注入时4x4x4 NoC的平均数据包延迟..................................................... 533.14 具有双故障注入的4x4x4 NoC的平均数据包延迟................................................. 533.15 4台TSV单次故障下的可靠性3.16 4台TSV在双故障下的可靠性3.17 无故障注入的8x8x4 NoC的平均数据包延迟......................................................... 553.18 具有双故障注入的8x8x4 NoC的平均数据包延迟................................................. 554.1故障注入方法分类644.2NETFI-2方法654.3在a）中有启用信号和在a）中没有启用信号的触发器（b）[73]4.4NETFI-2体系结构684.5与CUT69的接口4.6示例电路a）基于LUT4和b）基于LUT2s704.7使用四个LUT2和三个多路复用器或两个LUT3实现LUT4和两个多路复用器714.8BM切片-硬件实现744.9BM切片（尺寸4、5和6）的LUT，其中观察到的错误量最高。4.10 一种用于对心跳状况进行分类的训练的线性分类器（LVM）算法方程。水平轴表示人的心率，而垂直轴表示人的运动速度。................................................ 814.11 硬件实现的KVM体系结构设计概述。.................................................................. 824.12 由式4.2给出的主架构架构上注入节点的临界故障率直方图4.13 表示最临界故障率节点之间相关性的直方图以及它们相对于在FPGA中实现的LVM电路的位置.............................................854.14 安装在GENEPi2中子加速器设施86上的FPGA板4.15 Zynq-7000在辐射测试86下的设置4.16 辐射试验方法874.17 由11个中子辐射引起的错误引起的故障百分比4.18 导致1650可容忍和临界故障的中子辐射引起的误差5.14x4二维片上网络。..................................................................................................955.24级2D路由器管道。.................................................................................................965.3NoCFI工作流方法985.4NoCFI架构101的结构图5.5错误注入活动后在路由器中观察到的错误数量一次故障（SEU/SET）和两次故障（MBU/SEMT）。..................................... 103格勒诺布尔阿尔卑斯大学、CNRS、TIMA实xv表列表2.1ROUT 3D、ROUT 3D-tr和ROUT 3D-FDR的面积和功率结果。...322.2ROUT 3D、ROUT 3D-tr和ROUT 3D-的最大工作频率FDR323.1面积合成结果563.2功率合成结果574.1FPGA75中的资源利用率4.2BM-slice76中显示的其他信号4.3错误注入活动结果784.4PL的资源利用（Artix-7）83比较FPGA仿真之间的错误注入活动的仿真时间和门级模拟。..........................................................................................................104格勒诺布尔阿尔卑斯大学、CNRS、TIMA实xvii摘要片上网络（NoC）已成为解决高度复杂的片上系统中通信挑战的可行解决方案。基于模块化分组交换机制的NoC体系结构范例可以解决许多片上通信挑战，例如布线复杂性、通信延迟和带宽。此外，3D IC和NoC方案的组合效益提供了在有限的芯片面积内设计高性能系统元件的可能性。三维片上网络（3D-NoC）的主要优势是平均线长和线延迟显著减少，从而降低功耗并提高性能。然而，3D-NoC受到一些可靠性问题的影响，例如3D-IC制造的过程可变性特别地，垂直连接的低产量显著影响具有大量通孔硅的三维芯片组的设计。同样令人担忧的是，集成电路制造技术的进步导致其对运行环境中存在的辐射影响的敏感性潜在地增加。在过去，这个问题只与空间应用有关，而现在必须考虑到在地球大气层中运行的事实上，近年来，瞬态故障数量的增加已经成为关键片上系统设计中的一个主要问题。因此，评估电路和应用对真实环境中存在的高能粒子引起的事件的敏感性是一个需要解决的主要问题。因此，本文在可靠性研究的两个重要领域做出了贡献：• 为新兴的三维片上网络设计和实现无死锁容错路由方案。• 在设计中，故障注入框架能够模拟基于HDL-C的电路中的单次和多次瞬态故障。本文的第一部分解决了3D-NOC架构中的瞬态和永久故障问题，并介绍了一种新的弹性路由计算单元，以及一种新的运行时容错路由方案。引入了一种新的弹性机制来解决路由计算单元（RCU）中发生的瞬态故障，RCU是NoC路由器中最重要的逻辑元件RCU中的故障可能导致错误路由，这可能导致严重影响，如死锁或数据包丢失，损坏整个芯片的操作。通过将可靠的故障检测电路利用电路级双采样与成本有效的重路由机制相结合，我们开发了一种完全容错的解决方案，可以在受影响的数据包离开路由器之前有效地检测和纠正此类致命错误。为了验证所提出的解决方案，我们还引入了一种基于NoC门级网表的基于仿真的故障注入的新方法从垂直部分连接的3D片上网络获得的实验结果表明，我们的解决方案可以在存在错误的情况下提供高水平的可靠性，而代价是低面积和功耗开销。本文的第一部分还描述了一种用于垂直部分连接的3D片上网络的新型容错路由方案，称为由于虚拟交换机的非对称分布，我们的容错路由方案可以保证在一组未经训练的运行时和永久垂直链路故障下100%的数据包传递。该方案需要非常低数量的非对称虚拟信道来实现无锁定和可靠性。FL-NS使用运行时机制动态地、渐进地重新配置网络，而不会丢失任何数据包。仿真结果证明了我们的方法在性能和可靠性方面与最先进的路由算法相比的有效性。此外，使用商用28nm技术库执行的硬件合成显示出合理的面积和功耗开销，符合无容错基准。为了模拟辐射对新的片上系统设计的影响，本文的第二部分通过引入两个框架作品NETFI-2（Netlist故障注入）和NoCFI（片上网络故障注入）来解决故障注入方法。NETFI-2是一种故障注入方法，可在基于HDL（硬件描述语言）的设计中模拟单事件中断（SEU）和单事件瞬态（SET）等瞬态故障。NETFI-2是使用TIMA实验室开发的现有故障注入NETFI-2允许在没有外部控制器的情况下从单个FPGA注入SEU和SET，同时允许选择组合逻辑粒度以更好地仿真SET。对两个案例研究进行了广泛的实验，以证明NETFI-2的特性和优势。最后，在本工作的最后一部分，我们介绍了NoCFI作为一种新的方法，将多个故障（如MBU和SEMT）注入到片上网络架构中。NoCFI结合了ASIC设计流（用于提取布局信息）和FPGA设计流（用于模拟多个瞬态故障）。为了验证NoCFI的方法，使用二维NoC作为案例关键词：三维片上网络、软错误、容错路由算法、瞬态和永久故障格勒诺布尔阿尔卑斯大学、CNRS、TIMA实xix摘要片上网络（NoC）已经成为高度复杂的片上系统（SoC）中通信问题的可行解决方案基于模块化分组交换机制的NoC架构范例可以解决许多片上通信挑战，例如布线复杂性、通信此外，3D IC和NoC方案的组合优势提供了在有限的芯片面积内设计高性能系统的可能性片上三维网络（3D-NoC）的主要优点是平均布线长度和布线传播时间的显著减少，这转化为更然而，3D NoC存在一些可靠性问题，例如3D-IC制造工艺的可变性。特别是，垂直连接的低效率对具有大量硅通孔的三维矩阵堆叠的设计具有显著影响。类似地，集成电路制造技术的进步导致它们对它们将在其中操作的环境中存在的辐射的影响的敏感性的潜在增加在过去，这个问题只与空间应用有关，而今天，在事实上，近年来，瞬态故障数量的增加已经成为关键片上系统设计中的主要关注点。因此，评估电路和应用对由真实环境中存在的高能粒子引起的事件的敏感性是需要解决的主要问题。因此，本论文在可靠性研究的两个重要领域做出了贡献：• 为新兴的三维片上网络设计和实施无阻塞容错路由方案• 在设计能够模拟基于HDL的电路中的单个和多个瞬态故障的故障注入帧时本文的第一部分解决了3D NoC架构中的瞬态和永久故障问题，并提出了一种新的弹性路由计算单元。