寧亞飛

（安徽理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

目前，CMOS 技術(shù)已縮小到深納米級(jí)，實(shí)現(xiàn)了集成電路和系統(tǒng)的高集成度、低開(kāi)銷(xiāo)和高性能。然而，隨著晶體管特征尺寸的大幅度減小，CMOS器件對(duì)軟錯(cuò)誤的敏感性也在顯著增加，這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞、執(zhí)行失敗，在最壞情況下甚至?xí)霈F(xiàn)系統(tǒng)崩潰。當(dāng)質(zhì)子和中子等輻射粒子與集成電路的敏感節(jié)點(diǎn)碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生額外的電荷，導(dǎo)致錯(cuò)誤的瞬態(tài)脈沖或節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，這被稱(chēng)為軟錯(cuò)誤［1-2］。軟錯(cuò)誤包括單節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)（Single Node Upset，SNU）、雙節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)（Double Node Upsets，DNUs）、三節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)（Triple Node Upsets，TNUs）、四 節(jié) 點(diǎn)翻 轉(zhuǎn)（Qua?druple Node Upsets，QNUs）。軟錯(cuò)誤會(huì)影響處在惡劣輻射環(huán)境中的納米級(jí)CMOS 電路和系統(tǒng)的可靠性。因此，需要對(duì)納米級(jí)電路進(jìn)行有效的加固處理。本研究提出一種基于三模冗余和三級(jí)錯(cuò)誤攔截的四節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)容忍鎖存器設(shè)計(jì)（TTEQNUTL）。該鎖存器由3 個(gè)單節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)自恢復(fù)模塊（分別為SNUSR1、SNUSR2、SNUSR3）、1 個(gè)三級(jí)錯(cuò)誤攔截模塊和7 個(gè)傳輸門(mén)組成。每個(gè)SNUSR 模塊均包含兩個(gè)普通C 單元和兩個(gè)鐘控C 單元，四個(gè)C 單元可形成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)。由于每個(gè)SNUSR 模塊都具有SNU 自恢復(fù)能力，錯(cuò)誤攔截模塊可用三級(jí)方式對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行攔截。因此，本研究提出的鎖存器可實(shí)現(xiàn)QNUs 容忍。

1 鎖存器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理

本研究提出的鎖存器結(jié)構(gòu)如圖1所示。該鎖存器由18個(gè)C 單元（其中7個(gè)是鐘控C 單元）和7個(gè)傳輸門(mén)組成，D和Q分別代表著輸入和輸出，CLK和NCLK分別為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)和負(fù)系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)。

圖1 TTEQNUTL鎖存器結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)CLK=1、NCLK=0時(shí)，鎖存器處于透明期，7個(gè)傳輸門(mén)打開(kāi)，7個(gè)鐘控C單元關(guān)斷，輸入數(shù)據(jù)傳入到節(jié)點(diǎn)Q、NA1、NA3、NB1、NB3、NC1和NC3。

當(dāng)CLK=0、NCLK=1時(shí)，鎖存器處于鎖存期，7個(gè)傳輸門(mén)關(guān)斷，7個(gè)鐘控C單元打開(kāi)。

2 容錯(cuò)原理

本研究所提出的TTEQNUTL 鎖存器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)SNU、DNUs、TNUs 和QNUs 的完全容忍。本研究只分析鎖存器在鎖存期內(nèi)的容錯(cuò)原理。在透明模式下，即使高能粒子撞擊內(nèi)部節(jié)點(diǎn)造成翻轉(zhuǎn)，輸入信號(hào)也能快速對(duì)邏輯值進(jìn)行刷新。下面分別對(duì)SNU、DNUs、TNUs和QNUs進(jìn)行容錯(cuò)分析。

2.1 SNU容忍

由于鎖存器是由C 單元組成，C 單元可容忍其中一個(gè)輸入的變化，且輸出不會(huì)受到影響。因此，當(dāng)其中某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，將不會(huì)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生影響，剩余節(jié)點(diǎn)仍保持正確的邏輯值，并能把發(fā)生翻轉(zhuǎn)的節(jié)點(diǎn)恢復(fù)成正確的邏輯值，實(shí)現(xiàn)了SNU自恢復(fù)，也即實(shí)現(xiàn)SNU容忍。

2.2 DNUs容忍

鎖存器發(fā)生DNUs容忍時(shí)，有以下3種情況。

2.2.1 發(fā)生翻轉(zhuǎn)的2 個(gè)節(jié)點(diǎn)位于三級(jí)錯(cuò)誤攔截模塊中，則SNUSR 模塊中的節(jié)點(diǎn)不發(fā)生翻轉(zhuǎn)。例如，N5、N6 節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，此時(shí)會(huì)引起N8 節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，剩余節(jié)點(diǎn)則保持正確的邏輯值。NA2、NB2節(jié)點(diǎn)通過(guò)CE13 將N5 節(jié)點(diǎn)恢復(fù)為正確的邏輯值，NB4、NC4 節(jié) 點(diǎn)可通 過(guò)CE14 將N6 恢復(fù)為 正確的邏輯值，N5、N6 節(jié)點(diǎn)會(huì)將N8 節(jié)點(diǎn)恢復(fù)為正確的邏輯值。

2.2.2 每個(gè)SNUSR 模塊中最多有1 個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。例如，NA1、N5 節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)并不會(huì)引起其他節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)。由于SNUSR 模塊具有SNU 自恢復(fù)性，因此NA1 節(jié)點(diǎn)可自恢復(fù)過(guò)來(lái)，NA2、NB2 節(jié)點(diǎn)通過(guò)CE13將N5節(jié)點(diǎn)恢復(fù)過(guò)來(lái)。

2.2.3 每個(gè)SNUSR 模塊中最多有2 個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。例如，NA1、NA3 節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)會(huì)引起NA2、NA4 節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。由于SNUSR2 和SNUSR3 模塊中的節(jié)點(diǎn)不受影響，通過(guò)C 單元的阻塞作用，N5、N6 和N7 節(jié)點(diǎn)將保持正確的邏輯值，Q節(jié)點(diǎn)也保持正確的邏輯值。綜上所述，鎖存器可實(shí)現(xiàn)DNUs容忍。

2.3 TNUs容忍

鎖存器發(fā)生TNUs容忍時(shí)，有以下4種情況。

2.3.1 發(fā)生翻轉(zhuǎn)的3 個(gè)節(jié)點(diǎn)位于三級(jí)錯(cuò)誤攔截模塊中，SNUSR 模塊中的節(jié)點(diǎn)不發(fā)生翻轉(zhuǎn)。例如，當(dāng)N5、N8 和Q 節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)將不會(huì)引起其他節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)。由于3 個(gè)SNUSR 模塊中的節(jié)點(diǎn)不受影響，可通過(guò)CE13、CE16 和CE18 依次將N5、N8和Q節(jié)點(diǎn)恢復(fù)為正確的邏輯值。

2.3.2 每個(gè)SNUSR 模塊中最多有1 個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。例如，NA1、N5和Q節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，并不會(huì)引起其他節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)。NA1、N5 和Q 節(jié)點(diǎn)可通過(guò)CE4、CE13和CE18恢復(fù)過(guò)來(lái)。

2.3.3 每個(gè)SNUSR 模塊中最多有2 個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。例如，NA1、NA3 和N5 節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)會(huì)引起NA2、NA4 節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。由于SNUSR2 和SNUSR3 模塊中的節(jié)點(diǎn)不受影響，N6、N7 節(jié)點(diǎn)保持正確的邏輯值，因而N8、N9 節(jié)點(diǎn)保持正確的邏輯值，Q節(jié)點(diǎn)也保持正確的邏輯值。

2.3.4 每個(gè)SNUSR 模塊中最多有3 個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。當(dāng)NA1、NA3 和NA4 節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)引起NA2 節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。由于SNUSR2 和SNUSR3模塊中的節(jié)點(diǎn)不受影響，在C 單元的阻塞作用下，N5、N6和N7節(jié)點(diǎn)將保持正確的邏輯值，Q節(jié)點(diǎn)也能保持正確的邏輯值。綜上所述，鎖存器可以實(shí)現(xiàn)TNUs容忍。

2.4 QNUs容忍

鎖存器發(fā)生QNUs容忍時(shí)，有以下5種情況。

2.4.1 發(fā)生翻轉(zhuǎn)的4 個(gè)節(jié)點(diǎn)位于三級(jí)錯(cuò)誤攔截模塊中，SNUSR 模塊中的節(jié)點(diǎn)不發(fā)生翻轉(zhuǎn)。當(dāng)N5、N6、N8 和Q 節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，并不會(huì)引起其他節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)。由于3 個(gè)SNUSR 模塊中的節(jié)點(diǎn)不受影響，N5、N6 和N8 節(jié)點(diǎn)分別通過(guò)CE13、CE14 和CE16恢復(fù)過(guò)來(lái)，Q 節(jié)點(diǎn)可通過(guò)CE18 節(jié)點(diǎn)恢復(fù)為正確的邏輯值。

2.4.2 每個(gè)SNUSR 模塊中最多有1 個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。例如，NA1、N5、N8 和Q 節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，此時(shí)并不會(huì)引起其他節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)。由于SNUSR 模塊具有SNU 自恢復(fù)性，所以NA1 節(jié)點(diǎn)可自恢復(fù)到正確的邏輯值，N5 和N8 節(jié)點(diǎn)則通過(guò)CE13 和CE16 恢復(fù)過(guò)來(lái)，Q 節(jié)點(diǎn)可通過(guò)CE18 節(jié)點(diǎn)恢復(fù)為正確的邏輯值。

2.4.3 每個(gè)SNUSR 模塊中最多有2 個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。例如，當(dāng)NA1、NA3、N5 和N8 節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)會(huì)引起NA2、NA4 節(jié)點(diǎn)也發(fā)生翻轉(zhuǎn)。由于SNUSR2和SNUSR3模塊中的節(jié)點(diǎn)不受影響，N6、N7 節(jié)點(diǎn)保持正確的邏輯值，N9 節(jié)點(diǎn)也保持正確的邏輯值，在C單元的阻塞作用下，Q節(jié)點(diǎn)也將保持其原有的邏輯值不變。

2.4.4 一個(gè)SNUSR 模塊中最多有3 個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。當(dāng)NA1、NA3、NA4 和N5 節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)引起NA2 節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。由于SNUSR2 和SNUSR3 模塊中的節(jié)點(diǎn)不受影響，通過(guò)C 單元的阻塞作用，N6、N7 節(jié)點(diǎn)將保持正確的邏輯值，N8、N9節(jié)點(diǎn)也保持正確的邏輯值，因此Q 節(jié)點(diǎn)將保持其正確的邏輯值。

2.4.5 一個(gè)SNUSR 模塊中最多有4 個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。當(dāng)NA1、NA2、NA3 和NA4 節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，并不會(huì)引起其他節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)。由于C 單元的阻塞作用，N5、N6 和N7 節(jié)點(diǎn)將保持正確的邏輯值，因此Q 節(jié)點(diǎn)也保持正確的邏輯值。綜上所述，鎖存器可實(shí)現(xiàn)QNUs容忍。

3 開(kāi)銷(xiāo)比較

本研究對(duì)基于三模冗余和三級(jí)錯(cuò)誤攔截的四節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)容忍的鎖存器與LCHRNAN 鎖存器［3］、DNCS 鎖 存 器［4］、DeltaDICE 鎖 存 器［5］、HRCE 鎖 存器［6］、HLDRL 鎖 存 器［7］、LCTNURL 鎖 存 器［8］和IHTRL 鎖存器［9］進(jìn)行對(duì)比，具體包括面積、延遲和功耗等方面的比較。比較結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 開(kāi)銷(xiāo)對(duì)比

表2 與TNUs自恢復(fù)鎖存器開(kāi)銷(xiāo)相對(duì)變化 單位：%

由表1 的第2 列可以看出，本研究所提出的鎖存器的功耗僅次于HRCE 鎖存器，從第3 列和第5列可以看出，該鎖存器有著最小的延遲和PDP。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究提出了一種基于三模冗余和三級(jí)錯(cuò)誤攔截的四節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)容忍鎖存器，該鎖存器能夠?qū)崿F(xiàn)SNU，DNUs，TNUs 和QNUs 的完全容忍，與兩個(gè)鎖存器（LCTNURL，IHTRL）平均值相比，提出的鎖存器功耗降低了30.77%，延遲降低了48.56%，PDP 降低了66.92%。