Προηγμένες μεθοδολογίες δοκιμής για αρχιτεκτονικές μικροεπεξεργαστών με αριθμητική υψηλών επιδόσεων

Abstract

Advances in the microelectronics science lead to manufacturing technologies with smaller feature sizes. The predictions of the International Technology Roadmap for Semiconductors - ITRS mentions feature sizes of 10 nm in 2022. As feature sizes are getting smaller, defects that hinder the correct operation of a digital circuit or affect its operating frequency, thus its performance, appear more frequently. The testing of digital circuits aims at detecting defective circuits and it is carried out after the circuit is manufactured (manufacturing testing). In addition, testing must be performed simultaneously with normal circuit operation (on-line testing), in order to face the new challenges that appear with the advent of nanotechnology, such as the continuously increasing soft error rate which is attributed to a-particles and cosmic ray (neutrons), and the ageing of materials which leads to lower system performance. Among all digital circuits, the testing of microprocessors presents the most challenges as the most aggressive manufacturing is applied first at them. Given the fact that nowadays most embedded systems contain at least one or more microprocessors ranging from simple 8-bit cores to 32/64-bit ones with modern architectures (superscalar, VLIW), the testing of microprocessors becomes even more important. This PhD thesis contributes to the field of microprocessor testing which integrates floating point units to achieve high performance arithmetic. In the first part of the thesis, we present the methodology to develop testability conditions for floating point units. Testability conditions consist of controllability and observability conditions and are used to extract test patterns for floating point units. They are scalable to every floating point precision (single, double) and they are also independent of the internal architecture of the subcomponents that comprise the floating point unit. In the second part of the thesis, we first present the criteria (small memory footprint, small execution time and low-power consumption) for the development of self-test software for on-line microprocessor testing. Furthermore, we present a new methodology for the development of self-test software for floating point units in modern 32/64-biy microprocessors for both single and double precision units. Finally, experimental results in the high performance floating point units which are used in modern microprocessors (MIPS, PowerPC, Alpha) show the efficacy of the proposed methodology.

Οι εξελίξεις στην επιστήμη της μικροηλεκτρονικής οδηγούν σε τεχνολογίες κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σε συνεχώς μικρότερες διαστάσεις. Οι προβλέψεις του International Technology for Roadmap of Semiconductors - ITRS μιλούν για σχεδίαση στα 10nm το 2020. Καθώς οι διαστάσεις κατασκευής μικραίνουν, εμφανίζονται συχνότερα ψεγάδια ή ατέλειες που μπορούν να επηρεάσουν όχι μόνο την ορθή λειτουργία των κυκλωμάτων αλλά και τη συχνότητα λειτουργίας και κατ΄επέκταση την απόδοση ενός ορθά κατασκευασμένου κυκλώματος. Η δοκιμή των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων είναι μια διαδικασία, που στοχεύει στην ανίχνευση των κυκλωμάτων που περιέχουν ατέλειες ή λειτουργούν σε χαμηλότερη συχνότητα, και πραγματοποιείται στο εργοστάσιο μετά την κατασκευή του (manufacturing testing). Επιπλέον, η δοκιμή πρέπει να πραγματοποιείται και κατά τη λειτουργία του κυκλώματος σε ένα σύστημα (on-line testing) για να αντιμετωπιστούν οι νέες προκλήσεις που έκαναν την εμφάνισή τους στις νανοτεχνολογίες, όπως είναι η συνεχιζόμενη αύξηση του ρυθμού των ήπιων λαθών (soft error rate) που οφείλεται σε σωμάτια-α και στην κοσμική ακτινοβολία (νετρόνια), και η γήρανση των υλικών που οδηγεί σε όλο και μεγαλύτερη υποβάθμιση της απόδοσης του συστήματος. Η δοκιμή των μικροεπεξεργαστών παρουσιάζει τις περισσότερες προκλήσεις από κάθε άλλο κύκλωμα, διότι σε αυτούς εφαρμόζονται οι πιο σύγχρονες τεχνολογίες κατασκευής. Λαμβάνοντας υπόψη, πως κάθε ενσωματωμένο σύστημα περιέχει τουλάχιστον έναν ή περισσότερους μικροεπεξεργαστές, από απλούς επεξεργαστές των 8-bit έως ιδιαίτερα πολύπλοκους των 32/64-bit με σύγχρονες αρχιτεκτονικές (superscalar, VLIW), η δοκιμή των μικροεπεξεργαστών έχει ιδιαίτερη αξία. Η συνεισφορά της διατριβής αυτής εντάσσεται στο χώρο της δοκιμής των μικροεπεξεργαστών που ενσωματώνουν μονάδες κινητής υποδιαστολής για την επίτευξη αριθμητικής υψηλών επιδόσεων. Στο πρώτο μέρος της διατριβής παρουσιάζεται η μεθοδολογία ανάπτυξης των συνθηκών δοκιμαστικότητας για μονάδες κινητής υποδιαστολής. Οι συνθήκες δοκιμαστικότητας (testability conditions) αποτελούνται από τις συνθήκες ελεγξιμότητας και παρατηρησιμότητας και χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή διανυσμάτων δοκιμής για μονάδες κινητής υποδιαστολής. Παραμένουν ανεξάρτητες από την εσωτερική υλοποίηση των μονάδων κινητής υποδιαστολής και είναι προσαρμόσιμες σε κάθε ακρίβεια αναπαράστασης. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, παρουσιάζονται, αρχικά, τα κριτήρια για την ανάπτυξη λογισμικού αυτοδοκιμής του μικροεπεξεργαστή κατά τη λειτουργία του (μικρό ίχνος μνήμης, μικρός χρόνος εκτέλεσης και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας), και στη συνέχεια παρουσιάζεται μια νέα μεθοδολογία ανάπτυξης αυτοδοκιμής για μονάδες κινητής υποδιαστολής σε μικροεπεξεργαστές 32/64-bit, τόσο για αναπαράσταση απλής ακρίβειας όσο και για αναπαράσταση διπλής ακρίβειας. Τέλος, πειραματικά αποτελέσματα στις πιο ευρέως διαδεδομένες μονάδες κινητής υποδιαστολής υψηλών επιδόσεων, οι οποίες χρησιμοποιούνται στους μοντέρνους μικροεπεξεργαστές (MIPS, PowerPC, Alpha), αποδεικνύουν την αποδοτικότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας.