Μεθοδολογία βελτιστοποίησης της αξιοπιστίας επεξεργαστών CMOS VLSI με απαιτήσεις υψηλής απόδοσης και χαμηλής κατανάλωσης

Abstract

Power and energy consumption have emerged in the last few years as one of the dominant factors in computer architecture and processor design that should always be considered together with traditional performance metrics. These parameters affect considerably the entire range of processing devices, from mobile and embedded devices up to high performance servers, setting different constraints (e.g. battery life, thermal profile) depending on the type of the system. Moreover, systems with low power consumption usually also have greater life expectancy, since increased power consumption and high thermal profile parameters exacerbate silicon aging phenomena. This thesis introduces novel techniques for optimizing energy consumption of Software-Based Self-Test routines. Specifically, a comprehensive and generic energy optimization methodology comprised of four discrete optimization steps is presented. The introduced methodology is applied to a wide range of processors, ranging from simple embedded processors typical for Wireless Sensor Network applications up to high performance multi-core processors, utilizing both gate-level and architectural-level simulations. Furthermore, the thesis proceeds to define the optimal test period for on-line test using analytical models. In this direction, a system experiencing silicon aging phenomena appearing as slowly degrading behavior is considered. The considered system is modeled using the Weibull distribution and a method for calculating the optimal test period is proposed so that the integrated hazard rate between two consecutive tests is kept constant despite the degrading behavior of the system. Finally, the gains in energy consumption are quantified as battery life extension and it is shown that the effect of the on-line self-test in the battery life of the system is negligible, provided that the derived optimal test period is selected and the optimized Software-Based Self-Test routine is used.

Η κατανάλωση ισχύος και ενέργειας έχει αναχθεί τα τελευταία χρόνια σε έναν από τους σημαντικότερους παράγοντες που οφείλει να λαμβάνει υπόψη της η αρχιτεκτονική υπολογιστών. Επηρεάζει σημαντικά ολόκληρη την γκάμα των υπολογιστικών συστημάτων, από φορητές (mobile) και ενσωματωμένες (embedded) συσκευές μέχρι και υψηλών επιδόσεων εξυπηρετητές (servers) θέτοντας διαφορετικούς περιορισμούς (διάρκεια ζωής μπαταρίας, κατανάλωση ενέργειας, θερμική συμπεριφορά) ανάλογα με τον τύπο των συστημάτων. Επιπλέον, συστήματα που έχουν χαμηλή κατανάλωση έχουν επίσης και μεγαλύτερο προσδόκιμο ζωής, αφού η αυξημένη κατανάλωση και η υψηλή θερμοκρασία επιτείνουν μηχανισμούς φθοράς και γήρανσης του πυριτίου. Στην παρούσα διατριβή προτείνονται καινοτόμες τεχνικές για την βελτιστοποίηση ως προς την κατανάλωση ενέργειας του ελέγχου λειτουργίας που βασίζεται σε αυτοέλεγχο με χρήση κατάλληλων ρουτινών λογισμικού. Συγκεκριμένα εισάγεται μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία βελτιστοποίησης και προτείνονται τέσσερα συγκεκριμένα βήματα για την ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας. Η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόζεται τόσο σε απλούς επεξεργαστές τυπικούς για συστήματα ασύρματων κόμβων αισθητήρων (WSN) όσο και σε πολυπύρηνους επεξεργαστές υψηλής απόδοσης, με χρήση προσομοίωσης σε επίπεδο πύλης αλλά και σε επίπεδο αρχιτεκτονικής επεξεργαστή. Επιπρόσθετα, στην παρούσα διατριβή υπολογίζεται αναλυτικά η βέλτιστη περίοδος ελέγχου εν ώρα λειτουργίας για ενίσχυση της αξιοπιστίας με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Θεωρώντας ένα σύστημα που παρουσιάζει φαινόμενα γήρανσης του πυριτίου, η συμπεριφορά του μοντελοποιείται με τη χρήση της κατανομής Weibull και προτείνεται μια μέθοδος υπολογισμού της βέλτιστης περιόδου ώστε το ολοκλήρωμα του ρυθμού κινδύνου (hazard rate) μεταξύ δυο διαδοχικών ελέγχων να είναι σταθερό. Τέλος, τα οφέλη ποσοτικοποιούνται ως επαύξηση του προσδόκιμου χρόνου ζωής και αποδεικνύεται ότι η επίδραση του ελέγχου στη διάρκεια της μπαταρίας του συστήματος είναι αμελητέα αν χρησιμοποιηθεί η προτεινόμενη μέθοδος καθορισμού της βέλτιστης περιόδου και η βελτιστοποιημένη ρουτίνα αυτοελέγχου.