МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 4, с. 311-318
^ ПРОБЛЕМЫ ^^^^^^^^^^^^^^
НАДЕЖНОСТИ ИС
УДК 681.326.7
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АДАПТИВНОГО СИГНАТУРНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МНОГОКРАТНЫХ ОШИБОК ОЗУ
© 2007 г. А. А. Иваншк, С. Б. Мусин, В. Н. Ярмолик
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники E-mail: {ivaniuk, musin, yarmolik}@bsuir.unibel.by Поступила в редакцию 09.08.2006 г.
Предлагается метод обнаружения многократных ошибок ОЗУ на основе адаптивного сигнатурного анализа. Сжатие содержимого ОЗУ выполняется с помощью проверочной матрицы линейного кода. Хранение матрицы не требуется, так как ее столбцы формируются динамически на основании адресов ОЗУ. Достоверность метода определяется кодовым расстоянием проверочной матрицы, используемой для сжатия. Показана возможная аппаратурная реализация предложенного метода.
1. ВВЕДЕНИЕ
Современные полупроводниковые ОЗУ развиваются по пути повышения быстродействия, снижения энергопотребления и увеличения плотности упаковки элементов на кристалле. Высокая степень интеграции (0.065-0.25 мкм) делает их чувствительными к сбоям, которые возникают в результате воздействия радиационных помех [1]. Такие сбои проявляются как ошибки в хранимых и выходных данных. Кроме сбоев, причиной ошибок могут быть неисправности, возникающие в результате несовершенства конструкции и технологии на стадии изготовления или на этапе эксплуатации ОЗУ. Сбои, в отличие от неисправностей, не перманентны, поэтому для выявления ошибок ОЗУ используются два различных подхода. Для выявления неисправностей в процессе эксплуатации устройства применяются методы тестирования, а для обнаружения сбоев - методы контроля. Большое практическое значение для ОЗУ имеет разработка методов, позволяющих обнаруживать ошибки, возникшие как в результате сбоев, так и при наличии неисправностей [2]. Например, в работе [3] был предложен метод контроля, использующий линейный код для обнаружения ошибок
ОЗУ, с последующим применением тестирования для определения конфигурации многократных ошибок. В работах [4, 5] предлагается модифицировать методы тестирования так, чтобы они могли выполняться во время функционирования устройства по назначению и, таким образом, обнаруживать ошибки, возникшие в результате сбоев.
Необходимость повышения достоверности методов защиты от ошибок становится определяющим требованием для современных ОЗУ [6-8]. Совершенствование технологии предполагает увеличение объема и плотности упаковки элементов на кристалле ОЗУ, при этом наблюдается тенденция увеличения количества возникающих многократных ошибок [9]. Поэтому актуальной является задача разработки методов обнаружения многократных ошибок ОЗУ.
2. АДАПТИВНЫЙ СИГНАТУРНЫЙ АНАЛИЗ
Для обнаружения ошибок, возникающих в результате проявления неисправностей цифровых устройств, используется схема тестирования, представленная на рис. 1.
Рис. 1. Схема тестирования с использованием сигнатурного анализа: ГТП - генератор тестовых последовательностей; ТС - тестируемая схема; СА - сигнатурный анализатор; PPC - регистр рабочей сигнатуры; РЭС - регистр эталонной сигнатуры.
Генератор тестовых последовательностей задает наборы тестовых данных, которые активизируют определенные неисправности. При тестировании ОЗУ проблема анализа выходных реакций заключается в необходимости сравнения с эталоном большого количества значений этих реакций, при этом временные и аппаратурные затраты даже для ОЗУ небольшой емкости неприемлемы. Поэтому для сокращения времени тестирования и уменьшения длины эталонной последовательности требуется сжатие выходных реакций с сохранением определенной степени достоверности.
Существует множество способов сжатия реакций схемы на тестовые последовательности, но наиболее эффективным является сигнатурный анализ [10].
Сигнатурой называется компактная оценка выходных реакций цифровой схемы. Процесс сжатия осуществляется с потерей информации, поэтому основным требованием, предъявляемым к сигнатуре, является реагирование на искажение конечного числа символов в выходной последовательности, достаточного для определения факта наличия неисправности. Сигнатура, получаемая путем сжатия реакций тестируемой схемы на тестовые воздействия, называется рабочей сигнатурой. Она сравнивается с предварительно рассчитанной эталонной сигнатурой.
Основной недостаток применения классического сигнатурного анализа для тестирования ОЗУ заключается в том, что при любом изменении содержимого ОЗУ требуется повторное вычисление эталонной сигнатуры. Для устранения этого недостатка в [11] было предложено сжимать на сигнатурном анализаторе последовательность адресов, соответствующую хранимым в ОЗУ данным. При изменении данных эталонная сигнатура адаптируется путем суммирования по модулю два предыдущего значения сигнатуры и адреса ячейки, хранимое значение в которой изменилось. Данный метод получил название адаптивного сигнатурного анализа (АСА). Возможность адаптации эталонной сигнатуры позволила применить АСА как метод контроля ОЗУ [12] и, таким образом, выявлять ошибки, возникшие в резуль-
тате сбоев. Наибольший выигрыш в аппаратной реализации метода АСА достигается в динамических ОЗУ в связи с использованием цикла регенерации для вычисления рабочей сигнатуры [13].
В терминах теории кодирования метод АСА выполняет вычисление синдрома с использованием проверочной матрицы линейного кода для двоичного вектора, соответствующего всему содержимому ОЗУ. Адреса ячеек ОЗУ рассматриваются как столбцы проверочной матрицы кода Хэмминга (за исключением нулевого адреса), поэтому для выполнения сжатия не требуется хранение проверочной матрицы. Действительно, бинарный код длины 2т - 1 называется кодом Хэмминга, если столбцы проверочной матрицы представляют собой двоичную запись чисел 1, 2, ..., 2т - 1 [14]. Достоверность метода АСА определяется достоверностью кода Хэмминга: обнаруживаются однократные и двукратные ошибки.
3. ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ МЕТОДА АСА
Будем рассматривать набор данных, хранимых ОЗУ, как двоичный вектор-столбец V. Сжатие вектора V осуществляется с использованием проверочной матрицы Н линейного двоичного кода. Сигнатурой sv вектора V будем называть двоичный вектор-столбец, полученный следующим образом
ву = НУ.
Предположим, что выполняется изменение одного бита по адресу х в ОЗУ. Тогда
У'' = У' + Ух,
где V' - вектор-стобец до изменения, V'' - измененный вектор-столбец, V - вектор-столбец изменения, причем на всех его позициях, кроме позиции, соответствующей адресу х, стоят нули.
Изменение содержимого ОЗУ требует соответствующего изменения сигнатуры. Новое значение сигнатуры sV" вычисляется путем адаптации значения сигнатуры до изменения sv• и определяется следующим образом:
8У. = НУ'' = Н [ У' + Ух ] = НУ' + НУх = 8У + Ьх,
где № - столбец матрицы Н, соответствующий адресу х.
Возникновение ошибки в данных, хранимых ОЗУ, приводит к изменению координаты вектора V без соответствующего изменения сигнатуры. Допустим, ve - вектор, в котором е координат отличаются от координат вектора V, т.е. век-
тор, в котором произошло е ошибок, е = {ех, е2, ..., £;, ..., £е}. Для обнаружения возникших ошибок следует рассчитать сигнатуру ошибочного вектора и сравнить ее с эталонной сигнатурой. Разность сигнатур выделяет совокупность ошибок и соответствует понятию синдрома в теории кодирования
8У - 8У = Ну - Нуе = ЬЕ1 + ЬЕ2+ ... + Ь^ + ... ЬЕе,
где Ь ' - столбец матрицы Н, соответствующий ошибке, произошедшей по адресу г.
Следовательно, е ошибок всегда обнаруживаются, если любые е столбцов матрицы Н различимы, т.е. являются линейно независимыми. Минимальное количество линейно независимых столбцов в проверочной матрице линейного кода определяется кодовым расстоянием [14]. Таким образом, достоверность метода АСА определяется кодовым расстоянием проверочной матрицы, используемой для сжатия.
Для повышения достоверности метода АСА необходимо выполнять процедуру сжатия с использованием проверочной матрицы кода, имеющего большее кодовое расстояние. Причем для сохранения эффективности метода АСА при сжатии должен использоваться код, проверочная матрица которого не требует хранения, так как может быть получена путем использования значений адресов ОЗУ. Покажем, что это действительно так.
В работе [15] рассматривается случай, когда для повышения достоверности АСА предлагается добавить один контрольный бит четности содержимого всей памяти. В этом случае разрядность сигнатуры АСА будет равна т + 1 бит (т -разрядность адреса). Значение дополнительного разряда эталонной сигнатуры корректируется при каждой модификации содержимого памяти путем сложения по модулю 2 константного значения 1. Если рассматривать все адресное пространство ОЗУ как транспонированную проверочную матрицу кода Хэмминга, то описанная процедура соответствует добавлению дополнительной проверки на четность (дополнительная строка и столбец матрицы Н). Полученная матрица является проверочной матрицей расширенного кода Хэмминга, который позволяет обнаруживать двухкратные ошибки и все ошибки нечетной кратности.
В работе [16] был рассмотрен метод повышения достоверности классического сигнатурного анализа с использованием т сигнатурных анализаторов. При этом каждый из анализаторов обрабатывает только те символы анализируемой последовательности, номера которых имеют в двоичном представлении единицы в соответствующем номеру анализатора разряде. За счет этого ошибка отображается в виде некоторого множества ошибок меньшей кратности. Например, четырехкратная ошибка может быть представлена в виде трехкратной и однократной или двух двухкратных ошибок. Рассмотрим применение данного подхода для ОЗУ с целью повышения достоверности метода АСА.
Пусть матрица А соответствует адресному пространству ОЗУ, которое содержит 2т - 1 запоминающих элементов
А =
1 2 г
а а ... а
где аг - вектор-столбец матрицы А. Применим для такого ОЗУ метод контроля с использованием т сигнатурных АСА-анализаторов.
Вектор-столбец V, соответствующий содержимому ОЗУ, сжимается на т АСА-анализаторах. Результатом сжатия является совокупность т-разряд
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.