本文關(guān)鍵詞：片上高速緩存可靠性研究

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【摘要】：隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展,處理器性能得到了飛速提升。然而主存技術(shù)發(fā)展速度的相對落后,導(dǎo)致高速緩存(Cache)在處理器性能方面的重要性顯得更加突出。晶體管特征尺寸的不斷壓縮,促進(jìn)單個(gè)芯片可以集成更多高速緩存的同時(shí),也使得高速緩存在片上的晶體管數(shù)量和所占面積不斷增大。在高可靠性計(jì)算系統(tǒng)中,例如,飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng),銀行業(yè)務(wù)的交易系統(tǒng),國家戰(zhàn)略核武器的發(fā)射系統(tǒng)等等,片上高速緩存的可靠性正變得越來越重要。本文將片上高速緩存的可靠性做為關(guān)注重點(diǎn),并從以下兩個(gè)方面進(jìn)行了深入研究：(1)軟錯(cuò)誤(Soft Error)來自宇宙射線的高能粒子或者是包裝材料上的阿爾法粒子,在穿過半導(dǎo)體設(shè)備時(shí)有可能會(huì)形成電子-空穴對。晶體管源級和分散的節(jié)點(diǎn)能夠收集這些電壓,當(dāng)積累的電壓達(dá)到一定數(shù)量時(shí)會(huì)使邏輯設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生反轉(zhuǎn)(這些邏輯設(shè)備可以是一個(gè)鎖存器單元、一個(gè)靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器單元、或者是一個(gè)門電路),進(jìn)而一個(gè)邏輯錯(cuò)誤就會(huì)被引入到電路操作中。由于這類錯(cuò)誤反映的并不是設(shè)備永久性的故障,所以稱之為軟錯(cuò)誤(Soft Error)。本文針對片上指令高速緩存中可能發(fā)生的軟錯(cuò)誤構(gòu)造了基于SICVF的評估模型,并針對該模型提出了一系列優(yōu)化方案來減少片上指令高速緩存的脆弱因子(Vulnerability Factor),進(jìn)而提高片上指令高速緩存的可靠性。(2)非易失性存儲(chǔ)器的使用壽命(Lifetime of Non-Volatile Memory)由于基礎(chǔ)物理學(xué)和經(jīng)濟(jì)因素的限制,使得高速緩存或主存性能增長速度的保存面臨極大的挑戰(zhàn)。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界正在積極研究一些很有前途的非易失性存儲(chǔ)(Non-Volatile Memory)技術(shù)。它們具有較高的單元密度,不存在漏電能耗,不需要對存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性地刷新操作等優(yōu)點(diǎn),使其有可能成為傳統(tǒng)高速緩存存儲(chǔ)器(SRAM)和主存存儲(chǔ)器(DRAM)的替代者。然而,這些非易失性存儲(chǔ)器具有相對較低的可擦寫容忍度(Write Endurance)。本文通過對最底層高速緩存(Last Level Cache)中窄寬值(Narrow Width Values)的分析,提出了一系列優(yōu)化方案對最底層非易失性高速緩存中的寫入操作進(jìn)行減少和平衡,以增加其使用壽命(Lifetime)。同時(shí),本文也在這些優(yōu)化方案下,對基于相變存儲(chǔ)器(Phase Change Memory)的最底層非易失性高速緩存的能耗進(jìn)行了評估。
【關(guān)鍵詞】：片上高速緩存 可靠性 軟錯(cuò)誤 非易失性存儲(chǔ)器
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TP333
【目錄】：

• 摘要6-7
• Abstract7-13
• 第一章 前言13-21
• 1.1 高速緩存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位和作用13-14
• 1.2 高速緩存的層次結(jié)構(gòu)及其操作模式14-17
• 1.2.1 一級高速緩存14-15
• 1.2.2 二級高速緩存15-16
• 1.2.3 三級高速緩存16
• 1.2.4 高速緩存的操作模式16-17
• 1.3 高速緩存的技術(shù)工藝17-19
• 1.3.1 SRAM技術(shù)18
• 1.3.2 DRAM技術(shù)18-19
• 1.4 高速緩存可靠性問題19-20
• 1.5 本文的組織結(jié)構(gòu)20-21
• 第二章 高速緩存軟錯(cuò)誤的研究21-49
• 2.1 軟錯(cuò)誤的來源及其影響21-22
• 2.1.1 軟錯(cuò)誤的產(chǎn)生21-22
• 2.1.2 軟錯(cuò)誤的影響22
• 2.2 相關(guān)研究的討論22-24
• 2.2.1 AVF模型22-23
• 2.2.2 TVF模型23-24
• 2.3 SICVF模型及優(yōu)化方案24-32
• 2.3.1 SICVF模型的建立25-26
• 2.3.2 基于SICVF模型的優(yōu)化方案26-32
• 2.4 實(shí)驗(yàn)評估32-41
• 2.4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境32-33
• 2.4.2 TVF在不同粒度下的比較33-36
• 2.4.3 基于SICVF模型的優(yōu)化方案36-41
• 2.5 模擬錯(cuò)誤注入41-43
• 2.6 優(yōu)化方案與CCI的結(jié)合43-47
• 2.7 本章小結(jié)47-49
• 第三章 非易失性高速緩存可靠性的研究49-85
• 3.1 背景介紹49-53
• 3.1.1 傳統(tǒng)技術(shù)的挑戰(zhàn)49-50
• 3.1.2 新型技術(shù)的期盼50-52
• 3.1.3 潛在技術(shù)的出現(xiàn)52-53
• 3.2 相關(guān)研究工作53-64
• 3.2.1 細(xì)粒度下的寫過濾53-55
• 3.2.2 混合存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)：DRAM和PCM的結(jié)合55-57
• 3.2.3 起始-間隔負(fù)載均衡算法57-60
• 3.2.4 組間-組內(nèi)寫均衡策略60-64
• 3.3 利用窄寬值提高非易失性高速緩存的可靠性64-73
• 3.3.1 非易失性高速緩存的優(yōu)缺點(diǎn)64-65
• 3.3.2 窄寬值分析65-66
• 3.3.3 使用壽命提高的衡量標(biāo)準(zhǔn)66-67
• 3.3.4 基于窄寬字的優(yōu)化方案67-71
• 3.3.5 多個(gè)寫標(biāo)記位方案71-72
• 3.3.6 選擇性寫前讀方案72
• 3.3.7 優(yōu)化方案對能耗的貢獻(xiàn)72-73
• 3.4 實(shí)驗(yàn)評估73-82
• 3.4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境73-75
• 3.4.2 窄寬字的分布75-76
• 3.4.3 窄寬字寫與寫到達(dá)交換的結(jié)合76-78
• 3.4.4 窄寬字寫與閥值交換的結(jié)合78-79
• 3.4.5 窄寬字寫與半使用期交換的結(jié)合79
• 3.4.6 窄寬字寫與替換時(shí)交換的結(jié)合79-80
• 3.4.7 結(jié)合多個(gè)寫標(biāo)記位的效果80
• 3.4.8 結(jié)合選擇性寫前讀的效果80-81
• 3.4.9 能耗評估81-82
• 3.5 本章小結(jié)82-85
• 第四章 總結(jié)與展望85-89
• 4.1 本文工作的總結(jié)85-87
• 4.2 進(jìn)一步工作展望87-89
• 參考文獻(xiàn)89-95
• 致謝95-97
• 附錄97-99

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本文編號：915097