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胚胎電路自檢測(cè)研究綜述

2018-10-13 06:40孟亞峰
電光與控制 2018年10期
關(guān)鍵詞:胚胎編碼電路

王 博, 孟亞峰

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū),石家莊 050003)

0 引言

隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步,電子系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用,其可靠性問(wèn)題也受到越來(lái)越多的關(guān)注。由于電路集成度的提高,芯片的閾值電壓減小、噪聲容限下降、運(yùn)行頻率增加,超大規(guī)模集成電路(VLSI)對(duì)電磁環(huán)境越來(lái)越敏感[1]。在航空航天、深海探測(cè)等無(wú)人極端環(huán)境中,電路工作環(huán)境復(fù)雜多變,電子系統(tǒng)難以進(jìn)行人工維護(hù),裝備一旦發(fā)生故障,不能自主修復(fù),會(huì)造成災(zāi)難性的后果,這對(duì)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。

生物體具有強(qiáng)大的適應(yīng)性和自愈能力,其自修復(fù)機(jī)制為電路設(shè)計(jì)提供了新的思路。胚胎電路是一種模仿多細(xì)胞生物生長(zhǎng)和發(fā)育機(jī)理的數(shù)字集成電路,具有自組織、自診斷和自修復(fù)的性能[2]。該電路由結(jié)構(gòu)相同的電路模塊單元(胚胎電子細(xì)胞)相互連接構(gòu)成胚胎陣列,當(dāng)一個(gè)或多個(gè)細(xì)胞發(fā)生故障時(shí),電路對(duì)胚胎電子細(xì)胞進(jìn)行檢測(cè),控制冗余細(xì)胞替代故障細(xì)胞完成相應(yīng)功能,實(shí)現(xiàn)故障自修復(fù)。

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的不懈研究,初步建立了胚胎電路的理論框架,取得了一些成果。國(guó)外研究起步較早,也較為成熟,主要研究機(jī)構(gòu)有瑞士聯(lián)邦工學(xué)院、英國(guó)約克大學(xué)等。瑞士聯(lián)邦工學(xué)院設(shè)計(jì)了BioWatch[3]和BioWall[4],英國(guó)約克大學(xué)研究了仿生人工組織UNITRO-NICS[5]并設(shè)計(jì)了SABRE[6]結(jié)構(gòu),歐洲多國(guó)聯(lián)合研制了POEtic[7-9]芯片。胚胎電路思想被引進(jìn)國(guó)內(nèi)以來(lái),多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用進(jìn)行了多方面的研究,進(jìn)行了模2增量計(jì)數(shù)器[10]和一位全加器[11]的FPGA驗(yàn)證,基于多路選擇器對(duì)胚胎電路進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)[12]。

總之,胚胎電路能夠?qū)崿F(xiàn)電子系統(tǒng)的自診斷和自修復(fù),具有較高的可靠性,擁有良好的發(fā)展前景。但是,現(xiàn)有的關(guān)于胚胎電路的研究多關(guān)注其自修復(fù)能力,研究?jī)?nèi)容集中于細(xì)胞結(jié)構(gòu)、陣列結(jié)構(gòu)、自修復(fù)策略和功能分化,有關(guān)胚胎電路自檢測(cè)的方法存在故障覆蓋率低、硬件資源消耗大、檢測(cè)實(shí)時(shí)性差、設(shè)計(jì)復(fù)雜、難以實(shí)現(xiàn)基因配置等問(wèn)題,研究成果較為有限,有待進(jìn)一步探索。

1 胚胎電路自檢測(cè)技術(shù)分類及研究現(xiàn)狀

1.1 胚胎電路基本構(gòu)成

胚胎電路由胚胎電子細(xì)胞組成二維陣列[13],每個(gè)電子細(xì)胞由地址產(chǎn)生模塊、基因存儲(chǔ)模塊、功能模塊、自檢模塊、輸入輸出模塊構(gòu)成。

胚胎電子細(xì)胞根據(jù)地址產(chǎn)生模塊計(jì)算其在胚胎電路陣列中的坐標(biāo)。地址產(chǎn)生模塊將坐標(biāo)輸入基因存儲(chǔ)模塊,調(diào)用對(duì)應(yīng)坐標(biāo)基因?;虼鎯?chǔ)模塊存儲(chǔ)胚胎電路中所有細(xì)胞的基因,根據(jù)從地址產(chǎn)生模塊輸入的坐標(biāo),表達(dá)坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的基因,并將其分別送到功能模塊、自檢模塊和輸入輸出模塊。功能模塊根據(jù)得到的基因執(zhí)行特定的邏輯功能。輸入輸出模塊根據(jù)從基因存儲(chǔ)模塊輸入的基因控制細(xì)胞與周圍細(xì)胞的連接。自檢模塊根據(jù)得到的基因?qū)ε咛ル娮蛹?xì)胞進(jìn)行故障檢測(cè),發(fā)現(xiàn)故障時(shí)發(fā)出細(xì)胞故障信號(hào)并移除故障細(xì)胞[14-16]。

胚胎電路陣列結(jié)構(gòu)如圖1所示,胚胎電子細(xì)胞結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 胚胎電路陣列結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of embryonic array

圖2 胚胎電子細(xì)胞結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of embryonic cell

1.2 胚胎電路自檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

數(shù)字集成電路中常見(jiàn)的故障類型有4種:固定型故障、暫態(tài)故障、橋接故障和時(shí)滯故障。其中,固定型故障在實(shí)際電路中出現(xiàn)最多,占故障總數(shù)的90%以上。暫態(tài)故障,特別是其中的瞬態(tài)故障對(duì)于胚胎電路的可靠性影響較大[17]。因此,胚胎電路的故障檢測(cè)主要針對(duì)這兩種故障類型。

胚胎電路故障自檢測(cè)即當(dāng)胚胎電路不能正常工作時(shí),檢測(cè)模塊及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障,并將故障信號(hào)傳遞給其他細(xì)胞和本細(xì)胞其他模塊的過(guò)程。故障自檢測(cè)是胚胎電路實(shí)現(xiàn)其自修復(fù)功能的前提,故障檢測(cè)的準(zhǔn)確與否將直接決定電路能否實(shí)現(xiàn)自修復(fù),從而影響著胚胎電路的可靠性。目前,胚胎電路自檢測(cè)主要是將已有的數(shù)字電路在線實(shí)時(shí)自檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于胚胎電路。按照采用的故障檢測(cè)技術(shù),可以將胚胎電路自檢測(cè)分為雙模冗余自檢測(cè)、在線內(nèi)建自測(cè)試(BIST)自檢測(cè)和編碼檢錯(cuò)自檢測(cè)3種。

1) 雙模冗余自檢測(cè)。

雙模冗余自檢測(cè)是目前胚胎電路采用最多的故障檢測(cè)技術(shù),大多被用來(lái)對(duì)細(xì)胞局部如基因存儲(chǔ)模塊、功能模塊等進(jìn)行檢測(cè)。首先為工作模塊增加一個(gè)完全相同的冗余模塊,然后對(duì)兩個(gè)相同模塊的輸出進(jìn)行比較。如果二者相同,則系統(tǒng)工作正常;反之,說(shuō)明系統(tǒng)故障。雙模冗余技術(shù)具有檢測(cè)實(shí)時(shí)性好、故障覆蓋率高、靈活性好等優(yōu)點(diǎn),但由于其增加了電路元件的備份,導(dǎo)致系統(tǒng)的硬件消耗大大增加,降低了檢測(cè)功能對(duì)于硬件的利用效率[18]。

英國(guó)約克大學(xué)的BRADLEY和TYRRELL等研究人員受到生物免疫系統(tǒng)的啟發(fā),將免疫機(jī)制引入胚胎電子系統(tǒng),對(duì)細(xì)胞檢測(cè)機(jī)制進(jìn)行了深入研究,提出了胚胎電子-免疫的基本結(jié)構(gòu)[19]。這種結(jié)構(gòu)由胚胎細(xì)胞和免疫細(xì)胞構(gòu)成網(wǎng)絡(luò),實(shí)際上是采用雙模冗余互檢技術(shù),通過(guò)設(shè)計(jì)免疫細(xì)胞并對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練,使得免疫細(xì)胞存有胚胎細(xì)胞正確的配置基因,然后采用細(xì)胞間實(shí)時(shí)互檢,將周圍胚胎細(xì)胞的基因與免疫細(xì)胞的存儲(chǔ)進(jìn)行比較,完成對(duì)胚胎細(xì)胞基因存儲(chǔ)模塊的檢測(cè)。

國(guó)內(nèi)王友仁教授的團(tuán)隊(duì)對(duì)互連資源的自檢測(cè)和可配置邏輯塊的自檢測(cè)進(jìn)行了研究。對(duì)于互連資源,采用對(duì)細(xì)胞輸入端信號(hào)和輸入來(lái)源細(xì)胞輸出端進(jìn)行比較的自診斷方法。對(duì)于可配置邏輯塊,提出利用計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制,通過(guò)改進(jìn)雙模冗余結(jié)構(gòu),讓測(cè)試查找表(LUT)與被測(cè)LUT執(zhí)行相同的邏輯功能,用異或門比較二者的輸出結(jié)果,判斷是否發(fā)生故障,從而實(shí)現(xiàn)邏輯塊內(nèi)部在線循環(huán)自檢測(cè)[20-21]。

蔡金燕教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)總線結(jié)構(gòu)的胚胎電子細(xì)胞間互檢進(jìn)行了研究。結(jié)合雙模冗余和LUT設(shè)計(jì)了總線結(jié)構(gòu)胚胎電路的檢測(cè)細(xì)胞[22]。通過(guò)將周圍胚胎細(xì)胞的輸入送給檢測(cè)細(xì)胞,把檢測(cè)細(xì)胞LUT輸出的結(jié)果與胚胎細(xì)胞功能模塊的實(shí)際輸出進(jìn)行比較,完成對(duì)周圍多個(gè)胚胎細(xì)胞功能模塊的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

2) BIST自檢測(cè)。

BIST是在芯片中加入自測(cè)試電路,通過(guò)對(duì)其進(jìn)行控制,向被測(cè)電路施加測(cè)試向量,實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的故障檢測(cè)[23-24]。BIST這種檢測(cè)技術(shù)故障覆蓋率較高,比雙模冗余檢測(cè)的硬件消耗小,但由于它主要是對(duì)處于空閑狀態(tài)或間歇狀態(tài)下的電路進(jìn)行檢測(cè),難以針對(duì)連續(xù)工作的電路,因而檢測(cè)實(shí)時(shí)性較差,無(wú)法檢測(cè)胚胎電路的暫態(tài)故障。

CANHAM和TYRRELL通過(guò)結(jié)合分子級(jí)BIST的新型有限狀態(tài)機(jī),利用否定選擇算法模仿人體免疫系統(tǒng)自我/非我識(shí)別機(jī)制,實(shí)現(xiàn)對(duì)胚胎電路的檢測(cè)。建立細(xì)胞-分子兩級(jí)結(jié)構(gòu),在細(xì)胞級(jí)集總設(shè)置控制模塊,采用貪婪算法確定測(cè)試集,用BIST技術(shù)生成測(cè)試向量,將故障或不正常信號(hào)視為“非我”,診斷和定位胚胎電路中的故障,提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力[25-26]。

3) 編碼檢錯(cuò)自檢測(cè)。

編碼檢錯(cuò)技術(shù)利用檢錯(cuò)碼,通過(guò)對(duì)電路的輸出進(jìn)行編碼并建立碼字空間來(lái)比較電路編碼輸出的結(jié)果和校驗(yàn)信息是否一致。若二者結(jié)果不一致,則系統(tǒng)存在故障;否則,系統(tǒng)無(wú)故障。目前編碼檢錯(cuò)技術(shù)主要有針對(duì)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的編碼檢錯(cuò)和針對(duì)功能電路的全自檢編碼兩種,前者主要采用Hamming碼[27-28],后者大多采用Berger碼。這種方式檢測(cè)實(shí)時(shí)性較好,既可以檢測(cè)固定型故障,也可以檢測(cè)暫態(tài)故障,硬件消耗也較小,但電路設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。

文獻(xiàn)[29]針對(duì)已有檢測(cè)方法無(wú)法檢測(cè)胚胎電路基因的問(wèn)題,將Hamming碼檢錯(cuò)技術(shù)與胚胎電路結(jié)合,進(jìn)行配置信息存儲(chǔ)的檢測(cè)。采用碼距為3的Hamming碼,每4位基因添加3位校驗(yàn)信息,將基因與校驗(yàn)信息分別存儲(chǔ)并進(jìn)行比較,從而使其具有對(duì)1位信息錯(cuò)誤的檢測(cè)能力,實(shí)現(xiàn)了對(duì)胚胎電路中細(xì)胞基因存儲(chǔ)模塊軟故障的檢測(cè)。

文獻(xiàn)[30]針對(duì)由單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)和單粒子瞬態(tài)脈沖(SET)造成的故障,采用編碼檢測(cè)與時(shí)間冗余相結(jié)合的檢錯(cuò)思路,設(shè)計(jì)了具有仿生自修復(fù)能力的基本邏輯單元。利用Berger碼編碼檢測(cè)方法檢測(cè)LUT故障,完成對(duì)電路組合邏輯部分的檢測(cè);通過(guò)時(shí)間冗余機(jī)制檢測(cè)D觸發(fā)器,完成對(duì)電路時(shí)序邏輯部分的檢測(cè)[30]。

2 面臨的問(wèn)題及未來(lái)的研究方向

2.1 面臨的問(wèn)題

目前,胚胎電路的故障自檢測(cè)技術(shù)研究取得了一定的成果,但仍不成熟,面臨著一系列問(wèn)題,限制了胚胎電路的發(fā)展。

1) 檢測(cè)模塊故障覆蓋率低。目前的胚胎電路自檢測(cè)技術(shù)大多針對(duì)胚胎電子細(xì)胞的局部,如邏輯功能模塊、連接資源和基因存儲(chǔ)模塊的故障進(jìn)行檢測(cè),沒(méi)有覆蓋整個(gè)細(xì)胞,檢測(cè)電路自身的故障也難以診斷,不能較好地實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)全覆蓋。

2) 檢測(cè)模塊導(dǎo)致電路硬件資源消耗增大。由于電路總體硬件資源的限制和保障修復(fù)資源的需要,應(yīng)盡可能降低檢測(cè)模塊消耗的硬件資源。目前胚胎電路自檢測(cè)技術(shù)仍然以雙模冗余為主,這種冗余容錯(cuò)的方式通過(guò)備份元件比較輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè),資源消耗較大。

3) 檢測(cè)模塊增加了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。編碼檢錯(cuò)技術(shù)碼字空間的建立和BIST測(cè)試集的確定需要很大的工作量,增加檢測(cè)細(xì)胞和利用空閑細(xì)胞檢測(cè)會(huì)使電路的布局布線變復(fù)雜,無(wú)論是細(xì)胞內(nèi)自檢還是細(xì)胞間互檢都給胚胎電路的設(shè)計(jì)增加了難度。

4) 檢測(cè)模塊難以自動(dòng)配置。目前的檢測(cè)技術(shù)大多需要依據(jù)電路的邏輯功能確定真值表,從而進(jìn)行設(shè)計(jì),電路的功能不同,檢測(cè)設(shè)計(jì)也不相同。這使得檢測(cè)模塊對(duì)電路具體功能的依賴性過(guò)強(qiáng),失去了通用性,難以方便地通過(guò)基因進(jìn)行配置。

2.2 未來(lái)的研究方向

已有的胚胎電路故障檢測(cè)技術(shù)相對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用的要求還有不小差距,應(yīng)當(dāng)對(duì)胚胎電路自檢測(cè)技術(shù)進(jìn)一步深入研究。未來(lái)的研究方向主要有以下幾方面。

1) 探索基于仿生機(jī)制的新型胚胎電路自檢測(cè)技術(shù)??梢越梃b生物體細(xì)胞凋亡的機(jī)制,通過(guò)基因控制胚胎電路檢測(cè)的時(shí)機(jī),利用故障預(yù)測(cè)分析電路的可靠性,在細(xì)胞壽命即將結(jié)束時(shí)由基因控制檢測(cè)器施加檢測(cè)向量進(jìn)行檢測(cè),最大限度地減少檢測(cè)對(duì)電路工作的不良影響。

2) 降低檢測(cè)模塊的硬件資源消耗。由于胚胎電路的硬件資源有限,為充分利用硬件資源,可以適當(dāng)增加觀察點(diǎn),提高電路的可觀性,合并和壓縮故障集,這樣就能夠減少電路需要的測(cè)試向量,降低硬件消耗,提升檢測(cè)模塊對(duì)硬件資源的利用率。

3) 提高檢測(cè)模塊對(duì)不同結(jié)構(gòu)胚胎電路的通用性。采用細(xì)胞內(nèi)自檢的方式進(jìn)行檢測(cè)模塊設(shè)計(jì),從而擺脫陣列結(jié)構(gòu)變化對(duì)檢測(cè)模塊的影響。通過(guò)綜合運(yùn)用多種針對(duì)細(xì)胞局部的檢測(cè)方式,提高檢測(cè)模塊對(duì)不同細(xì)胞結(jié)構(gòu)胚胎電路的適應(yīng)性。

4) 提高胚胎電路自檢測(cè)技術(shù)的故障覆蓋率。胚胎電路自修復(fù)的特性要求其故障定位精確到具體細(xì)胞。為提高對(duì)胚胎電路檢測(cè)的故障覆蓋率,應(yīng)當(dāng)以胚胎電子細(xì)胞作為檢測(cè)的基本對(duì)象,通過(guò)對(duì)細(xì)胞所有的輸出采用改進(jìn)的全自檢編碼檢錯(cuò),實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)細(xì)胞檢測(cè)的全覆蓋。

5) 檢測(cè)電路的模塊化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行分塊能夠有效降低檢測(cè)模塊的復(fù)雜程度。采用超圖分解等電路分塊算法,盡可能減小分解后細(xì)胞各子電路之間的聯(lián)系,對(duì)分塊后的各部分電路逐一進(jìn)行檢測(cè),降低檢測(cè)的復(fù)雜性。

6) 具有基因配置功能的自檢模塊設(shè)計(jì)。將檢測(cè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)納入整個(gè)胚胎電路設(shè)計(jì),基于細(xì)胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)胚胎電路檢測(cè)模塊,設(shè)計(jì)細(xì)胞輸出測(cè)試的選通模塊,通過(guò)基因配置選通模塊功能篩去沒(méi)有實(shí)際意義的輸出,實(shí)現(xiàn)檢測(cè)模塊自動(dòng)配置,避免檢測(cè)電路對(duì)于具體功能邏輯電路的依賴。

3 總結(jié)

胚胎電路自檢測(cè)是保證胚胎電路自修復(fù)能力的前提,實(shí)時(shí)在線自檢測(cè)有助于及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障,提高胚胎電路的可靠性。目前,胚胎電路自檢測(cè)技術(shù)仍然是胚胎電路自修復(fù)技術(shù)研究的一個(gè)難點(diǎn),也是制約胚胎電子系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸之一,研究故障覆蓋率高、受電子細(xì)胞結(jié)構(gòu)影響小、通用性強(qiáng)、檢測(cè)實(shí)時(shí)性好、硬件資源消耗少、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的胚胎電路自檢測(cè)模塊十分必要。如何借鑒生物學(xué)的機(jī)制機(jī)理,將成熟的故障檢測(cè)方法與自修復(fù)技術(shù)結(jié)合,在已有的經(jīng)典電路故障診斷方法的基礎(chǔ)上改進(jìn)出高效的胚胎電路自檢測(cè)技術(shù),是胚胎電子技術(shù)研究亟需解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

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