容错近阈值计算：硬件架构错误处理和能量估计

容错近阈值计算伦加拉詹·拉加万引用此版本：Rengarajan Ragavan。错误恢复近阈值计算的错误处理和能量估计。硬件架构[cs.AR]。雷恩大学1，2017年。英语NNT：2017REN1S038。电话：01654476HAL Id：tel-01654476https://theses.hal.science/tel-016544762017年12月4日提交HAL是一个多学科的开放获取档案馆，用于存放和传播科学研究文件，无论它们是否已这些文件可能来自法国或国外的教学和研究机构，或来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaire订单THESHISE/UNIVERSITTHED DE RENNES 1布列塔尼卢瓦尔大学校园为了等级雷恩大学博士提及：Traitement du Signal et Telécommunications巴黎马蒂斯博士学校par presentéeRengarajan RAGAVANpréparée à l’unité de recherche UMR6074 IRISAInstitut国立高等科学技术学校错误处理和能量估计容错近阈值计算Thèse soutenue à Lannionle 22 Septembre 2017陪审团组成后：Edith BEIGNELY拉美经委会研究局/特别报告员帕特里克·吉拉德Directrice de Recherche à CNRS，LIRMM /rappor- teurLorena ANGHELGrenoble INP，TIMA/检查员丹尼尔·梅纳德Rennes国家统计局研究员，IETR/审查员Olivier SENTIEYSRennes 1 /directeur塞德里克·基利安雷恩大学会议主任致我的父母，我的兄弟和我的老师III确认我衷心感谢我的论文导师教授。Olivier Sentieys给了我在著名的INRIA/IRISA实验室工作的机会。他的指导和对我的信任给了我额外的动力，培养了我更大的兴趣，让我更好地做这项研究工作。他的反馈和评论完善了我的研究贡献和这篇论文的质量。我非常感谢我的论文共同指导者。C'edricKillian的鼓励和支持。在我读博士期间，他一直激励着我。任职他的建议和批判性的评价帮助我创新性地解决了论文工作中的各种瓶颈。我特别感谢C'edric，他努力将这篇论文的长摘要翻译成法语。我要感谢我的同事PhilippeQu'emerais，IRISA实验室的研究工程师，感谢他在配置和指导各种CAD工具方面提供的广泛支持我感谢我的研究同学本杰明·巴罗斯在模拟近似算术运算符方面的帮助我要感谢劳伦斯·加拉女士，她的法语课在我在兰尼恩逗留期间给了我很大的帮助。此外，我想感谢所有的教师，研究人员，和ENSSAT的同事谁使我在Lannion最珍惜的逗留感谢雷恩大学1和IRISA实验室对本论文工作的资助和促进，本论文工作获得了成功。感谢Nadia、Joelle和Angelique在行政事务和我出国访问期间给予的支持我还要感谢整个评审团阅读我的论文并参加论文答辩。同时，特别感谢审稿人的宝贵意见，提高了论文的质量我向所有这些年来一直支持我并希望我进步的朋友和祝福者表示诚挚的感谢。最后，我要向我的父母、兄弟和全能的上帝表达我永恒的感激之情，没有他们，我不可能有今天的我。10th October 2017 Rengarajan法国拉尼翁v摘要几十年来，CMOS IC技术的进步已经改进了集成电路的设计和制造方式将晶体管的尺寸从微米缩小到几纳米，使得能够在一个芯片面积单位中放置更小的另一方面，特征尺寸缩放施加了各种挑战，如物理，材料，功率热，技术和经济，阻碍缩放的趋势。为了提高能量效率，动态电压调节（DVS）在大多数超低功耗（ULP）设计中被采用在近阈值区（NTR），晶体管的电源电压略高于晶体管的阈值电压。在此范围内，延迟和能量都与电源电压大致呈线性关系。与亚阈值区域相比，Ion/Ioff比更高，这提高了速度并使泄漏最小化。由于电源电压降低，工作在NTR模式下的电路可以在工作频率降低相同幅度的情况下，实现每次工作能量降低10倍在目前的亚纳米设计趋势中，固有的低泄漏技术，如FD-SOI（全耗尽绝缘体上硅），通过利用反向偏置等技术增强了电压缩放的优势然而，Vdd的减小增大了亚纳米设计中的可变性和定时误差的影响这项工作的主要目标是处理定时错误，并制定一个框架，以估计在近阈值计算的背景下，错误弹性应用程序的能源消耗利用NTR、DVS和FD-SOI技术设计数字系统是非常有益的尽管有这些优点，但可变性和定时误差的影响超过了上述益处。存在可以预测和防止错误或者检测和纠正错误的现有方法。但是需要一种统一的方法来处理近阈值范围内的定时误差。本论文主要探讨在自适应电压与时钟过缩放的背景下，以动态推测为基础的错误侦测与校正。除了错误检测和纠正之外，还可以容忍一些错误，或者换句话说，电路可以超越其极限，以实现更高的能量效率。所提出的错误检测和校正方法实现了71%的超频与2%的额外硬件成本。这项工作涉及门级设计的广泛研究，以了解电源电压，偏置电压和时钟频率（统称为操作三元组）下的门的行为采用自下而上的方法基于分析的算术运算符，工具流制定估计能量和误差指标为不同的操作三元组。我们以20%的成本实现了8位和16位加法器等算术运算器的最大能量效率89%在NTR中操作的错误位。一个统计模型的算术运算符来表示不同的变异性影响的操作员的行为。该模型用于近似计算的错误弹性的应用程序，可以容忍可接受的误差幅度该方法在VLIW处理器的执行单元中得到了进一步的探索该框架提供了一个快速估计的能量和错误度量的基准程序通过简单的编译使用C编译器。在所提出的能量估计框架中，算术运算符的表征这种混合方法使能量估计更快，更准确地为不同的操作三元组。所提出的框架估计能源不同的基准程序与98%的准确度相比，SPICE模拟。缩写AVS自适应电压定标BERBitE errorR ateBKABrent-KungA dder框溴化氧ideCCSC.C. ArryS electCDMC临界DelayM arginCGRAC粗-G雨 R可配置结构CMF常见模式CMOS互补金属-氧化物-硫半导体DDMRD逆D重模R编辑器DMRDdouble ModularR editionDSP数字信号处理器DVFSD直流电压F_s定标DVS直流电压定标EDAPEenergyD elayA reaP productEDPEenergyD elayP productFBB前向B型轴承FEHM柔性误差H和运动学FFF唇-F唇FIR有限脉冲响应FPGA现场- 编程GATE阵列FDSOI全硅绝缘体傅功能单位GraalG语言可靠性体系结构逻辑方法HFM高F模IXHPM硬件硬件监控器IC集成C髋关节Ila集成逻辑分析仪ILEP指令级功率估计ILP结构水平等位性IoT联系我们ISA建筑结构LFBFF线性反馈LFM低F值模式LFSR线性反馈移位寄存器LSBLeastS ignificantB itLUTLook-UpT ableLVDS低压差信号LVT低VTMMCM混合模式C锁定管理器MSB最重要的是，MSFFMasterS laveF lipF lopNOP无法操作NTRNear-T hreshold区域PE处理元件Poff第一故障点PUM监控下的路径RBB反向BODYB iasingRCARippleC arryA dderRTL电阻器-晶体管逻辑RVT规则VT设置单次E通风瞬态SEU单个E通风口设置SNR信号至噪声比SNW单N-W井Soi硅绝缘体香料集成电路仿真程序SPW单个P-W井STA静态时序分析STRSub-Threshold区域SW单一世界TFD定时故障检测器TMR三重模R编辑UTBBUltra-T hinB ody和BoxVEX ISAVEX结构和体系结构VLIW非常大的建筑工程VOSVvoltageO ver-Scaling内容鸣谢v摘要七简称.ix目录1图5表91R'esum'e'etendu111.1一.导言. 111.2捐款. 131.3Gestion des errreurs temporelles141.3.1Gestiondeserrreursavecunefenquetredesp'eculationdynamique15...........1.3.2用于增强或减少流量的返回孔171.3.3Validation du concept sur FPGA Virtex de Xilinx181.4Adjustementagressifde1.4.1Mod'elisationla tension1.4.2确认成本：附加............................................................................................1.5ρ − V E X 28中的能量估计.........................................................................................1.5.1Caract'erisation............................................................................................1.5.2我的专业人士认为，我们的能源估计是在新的能源指令下进行的第三十四条1.5.3Validationdelam'ethode35..................................................................................1.6结论381.7前景402 导言. 432.1CMOS中的可变性442.1.1工艺变化442.1.2电压变化452.1.3温度变化4512.2 电压缩放462.2.1动态电压和频率缩放（DVFS）472.2.2CMOS晶体管工作区482.2.2.1亚阈值区域502.2.2.2近阈值区502.3 FDSOI技术512.4 工作背景522.5 捐款532.6 第54章组织结构3 处理可变性和定时误差573.1处理错误593.2 预测和预防错误603.2.1关键路径仿真器603.2.2金丝雀触发器603.3 发现和纠正错误623.3.1双重抽样方法3.3.1.1剃刀I623.3.1.2剃刀II643.3.2时间借用方法663.3.2.1泡沫剃须刀663.3.3GRAAL673.3.4Redemption方法693.3.4.1基于灵活错误处理模块（FEHM）的三重模块冗余（TMR）703.3.4.2DDMR（DDMR）713.4 接受错误并与723.4.1不精确计算或近似计算723.4.2懒惰的管道743.5 结论744 基于动态推测窗口的错误检测和校正774.1一、导言. 774.2 FPGA中的超频和错误检测784.2.1超频对FPGA784.2.2双采样804.2.3松弛测量814.3 建议的自适应超频824.3.1动态推测窗口架构824.3.2自适应过/欠时钟反馈环路864.4 使用Xilinx Virtex FPGA87的概念验证4.5 与相关作品的934.5.1具有松弛测量的934.5.2FPGA和CGRA94中的定时误差处理4.6 结论.955VOS（电压过调节）用于容错应用97内容物35.1一、导言. 975.2 算术运算中的近似985.2.1电路级近似值985.2.2建筑水平的近似值995.3 算术运算符的特征1015.3.1加法器的特性1025.4 VOS算术运算符1045.4.1概念验证：加法器1055.5实验与结果1095.6 结论1136 VLIW处理器的能量估计框架1156.1导言. 1156.2 VLIW处理器架构1166.3ρ−V EXVLIW Architecture1186.3.1ρ−V EXCluster Instruction Set1186.3.2ρ−V EX软件工具链1196.4 VLIW处理器中的功率和能量估计1216.4.1指令级功率估计1216.5 ρ−V EX处理器124中的能量估计6.5.1ρ−V EXCluster125中执行单元的特性分析6.5.2建议的指令级能量估计方法1296.6 概念验证和验证1336.6.1能量估算方法1336.6.2概念验证1386.7结论1407结论与展望1437.1概览1437.2统一办法1457.3未来的工作1477.3.1动态推测窗口方法7.3.2近似算子VOS的改进1477.3.3改进ρ−V EX 147星系团一 乘法器150的特征参考书目153图目录1.1Illustrationdeserrreurstemporellesdue`adeseffetsdevariabilit'e15..........................1.2Architecturepropos'eepourlaEscherenÜuvredelafenétredesp'eculationdynamique1.3在动态调节下的运行工况下的运行工况配置1.4Comparaisonentreunebouclederetour utilisant lam'ethodeRazoretlatechniquepropos'ee22.............................................................................................1.5DistributionduBERsurlesbitsdesortie1.6E'quivalencefonctionnellede...........................................................................................1.7Flotdecaract'erisationpouro'erateurarithm'etiques26...............................................1.8Flotdeconceptpourlamod'elisationdesop'erateurssousVOS26..................................1.9错误的de distance距离291.10 Sch'emade.......................................................................................................................1.11 Flotdecaract'erisation...................................................................................................1.12 E'energieconsomm'eeenfonestuduBERpouruneUALeffectuantuneaddition.........321.13 对UAL张力的管理，我们注意到这是一种高效率的方法<$energ<$etique33..........................................................................................................1.14 BER1.15 估计dVbb= 0V，etT = 0.9ns361.16 估计一个单位的能量，并考虑我们的pourdif？erentsVdd，Vbb=2V，etTclk=0.9ns37.......................................................1.17 估计一个单位的能量，并考虑我们的pourdif？erentsVdd，Vbb=0V，etTclk=0.45ns37.....................................................1.18 估计一个单位的能量，并考虑我们的pourdif？erentsVdd，Vbb=2V，etTclk=0.45ns38.....................................................1.19 Perspectiveg'en'eraledelath'ese41.................................................................................2.1不使用和使用DVFS计划的472.2动态电压调节（DVS）48的框图2.3自适应电压调节（AVS）48的框图2.4不同Vdd状态下的能量和延迟[22].......................................................................... 492.5[31]2016年第二季度3.1可变性效应引起的定时误差583.2不同抽象的定时误差容限分类[33]585图目录63.3基于关键路径仿真的错误检测[1]613.4基于金丝雀触发器的误差预测62的示意图3.5基于Razor I的错误检测[35]633.6Razor II闩锁及其内部组件示意图[37]653.7Razor II定时图[37]653.8气泡剃刀法[38]673.9气泡剃刀计时图[38]683.10 基于GRAAL方法[39]693.11 使用影子触发器的[39]693.12 基于FEHM的[42]703.13 FEHM模块[42]713.14 基于DDMR的FIR（有限脉冲响应）滤波器[46]724.1Virtex FPGA79中FIR滤波器超频原理图4.2时序错误（失败关键路径和输出位错误的速率）与配置有8位8抽头FIR滤波器79的FPGA中的超频4.3解决定时误差814.4超频的在线松弛测量原理824.5基于动态推测窗口的双抽样方法的原理。实线表示模块之间的数据和控制，虚线表示主时钟，点划线表示影子时钟，点划线表示影子时钟。线表示反馈控制834.6所提出方法的时序图（a）：松弛测量阶段，（b）：最大超频裕度，以及（c）：最大超频频率84(a)设想1.84(b)设想2.84(c)设想3.844.7基于Dynamic Speculation884.8针对不同基准测试的对比914.9比较基于Razor的反馈外观和建议的动态推测窗口。蓝色菱形曲线表示FPGA的核心温度。 红色方块中的曲线表示所提出的方法的频率缩放。绿色三角形曲线表示频率缩放基于Razor的方法925.1[49]第四十九话5.2基于VOS99的近似算子5.3算术运算符特性化1015.4布伦特-孔加法器[66]1035.5电压缩放103下8位RCA输出位的BER分布5.6在电压缩放104下8位BKA的输出位中的BER分布5.7硬件加法器104的功能等效性5.8VOS算子建模的设计流程1065.9不同加法器和距离度量1085.10 8位RCA111的误码率与能量/操作的关系5.11 8位BKA112的误码率与能量/操作的关系5.12 16位RCA112的误码率与能量/操作的关系图表一览表. 75.13 16位BKA113的误码率与能量/操作的关系6.1P-VEX组织结构示意图1186.2ρ−V EXcluster119的指令布局6.3适用于ρ−V EX处理器120的工具链6.4ρ−V EX集群125中ALU和MUL单元的框图6.5ρ−V EX集群125的执行单元特性示意图6.6执行加法运算127的ALU的能量对误码率（BER）的曲线图6.7ALU的电压调整以实现高能效1276.8ALU的误码率（BER）图和近似计算的范围1286.9能量对执行NAND操作128的ALU的误码率（BER）的曲线图6.10 执行DIV操作129的ALU的能量对误码率（BER）的曲线图6.11 执行AND运算130的ALU的能量对误码率（BER）的曲线图6.12 执行OR运算131的ALU的能量对误码率（BER）的曲线图6.13 执行XOR运算132的ALU的能量对误码率（BER）的曲线图6.14 ρ−V EX集群块（突出显示），其特征在于用于能量估计1326.15 验证方法流程图1366.16 针对具有不同Vdd的基准的执行单元的能量估计，在T_（max）= 0.9ns时无反偏。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1386.17 针对具有不同Vdd的基准的执行单元的能量估计，反偏Vbb= 2V，T_∞= 0.9ns . . . . . . . . . . . . . . .. 1396.18 针对具有不同Vdd的基准的执行单元的能量估计，在T_（max）= 0.45ns时无反偏。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1406.19 针对具有不同Vdd的基准的执行单元的能量估计，反偏Vbb= 2V，T_（max）= 0.45ns。 . . . . . . . . . . . . .. 1407.1论文的总体视角。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 146A.1 带符号乘法器（Radix-4 modified Booth，Wallace Tree，BKA）。.. 150A.2 无符号乘数（简单PPG、阵列和RCA） . . . . . . . . . . .. 150A.3 16位有符号乘法器输出位的误码率分布。 . . . . .. 151A.4 16位无符号乘法器输出比特的误码率分布 . . . .. 151