Чудеса и проблемы полупроводникового наномира

Сергей Кузнецов
19.04.2005
Открытые системы, #03/2005

Тема февральского номера журнала Computer за 2005 год (IEEE Computer Society, Vol. 38, No. 2, February 2005) — «Наномасштабное проектирование и тестирование» (Nanoscale Design & Test)

Свою вводную заметку приглашенный редактор тематической подборки Ервант Зорьян (Yervant Zorian) из компании Virage Logic начинает с констатации революционных изменений в области миниатюризации полупроводниковой технологии. С достижением каждой новой технологической вершины размеры полупроводниковых приборов сокращаются на 50%, а производительность возрастает на 30%, однако наступление эпохи наномасштабной технологии ставит ряд новых проблем перед проектировщиками и тестировщиками полупроводников. Изменяются процессы проектирования, появляются дополнительные источники ошибок; для решения этих проблем создано несколько профессиональных и бизнес-организаций.

Созданный при поддержке IEEE Computer Society технический совет по технологии тестирования TTTC (Test Technology Technical Council, tab.computer.org/tttc) готовит образовательные программы, организует конференции, ведет работы по стандартизации. Консорциум EDA (Electronic Design Automation, www.edac.org) — бизнес-ориентированная организация, включающая представителей 100 компаний, — способствует росту эффективности инструментальных средств и услуг в области автоматизации проектирования. Созданная в 1994 году ассоциация FSA (Fabless Semiconductor Association, www.fsa.org) способствует развитию взаимовыгодных связей между полупроводниковыми компаниями и их поставщиками. В области автоматизации проектирования и тестирования полупроводниковых приборов проводятся три конференции мирового масштаба — Design, Automation, and Test in Europe (DATE, www.date-conference.com), International Test Conference (ITC, www.itctestweek.org) и IEEE VLSI Test Symposium (VTS, www.tttc-vts.org). Ведущий журнал в данной области — IEEE Design & Test of Computers (www.computer.org/dt).

В тематической подборке представлены три большие статьи. Первую статью, «Надежное системное проектирование со встроенной устойчивостью к случайным ошибкам» (Robust System Design with Built-In Soft-Error Resilience), написали пять авторов из компании Intel, а возглавляет их список Сабхасиш Митра (Subhasish Mitra). Случайные ошибки, называемые также одиночными сбоями (single-event upset, SEU), — это радиоиндуцированные ошибки, которые вызываются нейтронами космических лучей или альфа-частицами из корпуса прибора. Традиционно случайным ошибкам уделялось серьезное внимание только в космических приложениях; однако в разработках, основанных на технологиях 90, 65 нанометров и еще более миниатюрных, случайные ошибки системного уровня случаются гораздо чаще, чем в предыдущих поколениях полупроводниковых приборов. Частота случайных ошибок в системе обычно измеряется в единицах FIT (Failures In Time). Один FIT означает, что до момента случайного сбоя система отрабатывает миллиард часов. Корпорация IBM поставила целью добиться для своих систем показателя в 114 FIT (1000 лет работы). Высокие требования по поддержанию целостности данных и доступности серверов и сетей приводят к тому, что учет возможности случайных ошибок становится исключительно важным аспектом проектирования микропроцессоров, сетевых процессоров, маршрутизаторов и памяти. Проектировщики микросхем должны обращать внимание на случайные ошибки на ранних стадиях проектирования, начиная с этапа формирования технических требований, и продолжать делать это на этапах архитектурного проектирования, проектирования схем, логического проектирования и т.д. Хорошо известные методы защиты от случайных ошибок статической основной памяти являются недостаточными — требуется учет влияния случайных ошибок в триггерных схемах и комбинационных логических схемах. Приводится обзор существующих методов борьбы со случайными ошибками и предлагается подход к их устранению за счет использования при нормальной работе устройств ресурсов, предназначенных для тестирования и отладки.

Статью «Оптимизация на уровне транзисторов цифровых схемных решений с использованием гибких библиотечных элементов» (Transistor-Level Optimization of Digital Designs with Flex Cells) написали Роб Рой (Rob Roy), Дебашис Бхаттачарья (Debashis Bhattacharya) и Вамси Боппана (Vamsi Boppana) из компании Zenasis Technologies. Еще в середине 80-х было установлено, что использование фиксированной и ограниченной библиотеки элементов при проектировании полупроводниковых устройств препятствует достижению требуемого качества. Разрыв в качестве устройств, спроектированных вручную и автоматически на основе фиксированного набора элементов в предопределенной библиотеке, оценивается в 25%. Исторически использование стандартных элементов с известными, проверенными на практике характеристиками диктовалось потребностью проектировщиков создавать и верифицировать большие цифровые схемы без нужды в верификации на транзисторном уровне. В большинстве случаев проектирование и верификация цифровой схемы с миллионами вентилей на уровне транзисторов неприемлемо с коммерческой точки зрения. С другой стороны, качество автоматически спроектированных устройств всегда находилось в диапазоне от плохого до едва приемлемого. В последние годы общей практикой стало вмешательство человека в процесс автоматического проектирования. Стремление преодолеть ограничения методов проектирования на основе стандартных элементов естественно приводит к созданию новых, гибких элементов в процессе оптимизации данной цифровой схемы. В каждом проекте, посвященном созданию высокопроизводительных устройств, наряду со стандартными элементами используются специальные тактические элементы, создаваемые вручную. Эти элементы используются при проектировании путем комбинирования ручного и автоматического стилей. Технология гибких элементов облегчает создание тактических элементов, а также способствует проведению оптимизации проектного решения на транзисторном уровне.

Последняя статья тематической подборки написана Ахмедом Джеррайя (Ahmed Jerraya) из TIMA Laboratory и Уэйном Волфом (Wayne Wolf) из Принстонского университета. Статья называется «Совместное проектирование аппаратного и программного интерфейсов для встроенных систем» (Hardware/Software Interface Codesign for Embedded Systems). Развитие полупроводниковой технологии позволяет интегрировать сложные платформы в одной системе на кристалле (System on Chip, SoC). В дополнение к специализированным аппаратным компонентам, современные SoC могут включать одну или несколько процессорных подсистем для выполнения программного обеспечения и поддержания взаимосвязей. Специфика специализированных встроенных систем требует от инженеров проектирования программного обеспечения, зависимого от аппаратуры, и аппаратуры, зависимой от программного обеспечения. Для совместного проектирования аппаратного и программного интерфейсов требуются специалисты, одновременно разбирающиеся в проектировании аппаратуры и программного обеспечения. Развитие нанотехнологий позволит к 2007 году внедрить в широкое использование SoC с более чем 100 процессорами, включающими цифровые сигнальные процессоры, микроконтроллеры и другие виды программируемых процессоров. Для проектирования SoC, состоящих из разнородных процессоров, потребуется методология разумного выбора программируемых или выделенных процессоров вместо вентилей и логических устройств, используемых сегодня. По мнению авторов, разумной основой такой методологии должно являться совместное проектирование аппаратного и программного интерфейсов.

Две большие статьи февральского номера опубликованы вне тематической подборки. Марти Химмельстейн (Marty Himmelstein) представил статью «Локальный поиск: Internet — это ‘Желтые страницы’» (Local Search: The Internet Is the Yellow Pages). При использовании Internet в повседневной жизни часто возникает потребность в получении «локальной» информации о событиях, происходящих в географической близости к пользователю (близлежащие магазины, рестораны, театры и т.д.). В настоящее время такую информацию обеспечивают сайтыаналоги печатных справочников («Желтых страниц»). Люди привыкли к таким справочникам и доверяют им. Между тем, «Желтые страницы» в Internet по причине своей статической природы часто содержат устаревшие данные. В то же время многие Web-страницы в Сети содержат географическую информацию в виде почтовых адресов. В 1998-2002 годах группой исследователей из компании Vicinity (в 2003 году куплена корпорацией Microsoft) был реализован проект Geosearch, в котором обеспечивался локальный поиск в Internet на основе данных об адресах. В качестве развития идеи Geosearch и замены традиционных «Желтых страниц» автор предлагает концепцию «Желтых страниц», динамически порождаемых на основе текущей информации в Internet (Internet-Derived Yellow Pages). Анализируются возможные технические решения и пути установления доверия поставщиков данных и пользователей.

Последняя большая статья, написанная Клаудио Таларико (Claudio Talarico), Джерзи Розенблитом (Jerzy Rozenblit) из Аризонского университета, Винодом Малхотра (Vinod Malhotra) из Гавайского университета в Manoa и Альбертом Стриттером (Albert Stritter) из компании Infineon Technologies, озаглавлена «Новая среда для оценки энергопотребления встроенных систем» (A New Framework for Power Estimation of Embedded Systems). Общая цель системного проектирования состоит в минимизации времени и ресурсов для разработки при наличии различных ограничений на производительность и функциональность. Чтобы справиться с быстрорастущей сложностью встроенных систем, проектировщики должны работать на уровне абстракции, допуская детализацию только в случае необходимости и собирая показатели производительности, которые помогают группе разработчиков принимать обоснованные инженерные решения. Среди многих видов показателей, характеризующих качество встроенных SoC-разработок, один из важнейших — энергопотребление. Проектировщики должны оценивать энергопотребление на четырех разных уровнях абстракции: уровень схем, уровень логики, уровень регистровых передач и системный уровень. На разных этапах проектирования лучше применять разные методы оценки. Авторы разработали подход, в котором показатели энергопотребления выводятся на основе выполнения моделей высокого уровня, а не базируются на априорных характеристиках вентильного или транзисторного уровня. Подход обеспечивает возможность оценки проекта встроенной микросхемы SoC на ранних стадиях, обеспечивая обоснованное принятие решений во всем цикле разработки.

Напомню, что уже сейчас можно оформить подписку на издания IEEE Computer Society на второе полугодие 2005 года. Поверьте, это действительно обеспечивает новое качество вашей профессиональной деятельности. До следующей встречи, Сергей Кузнецов, kuzloc@ispras.ru.