Модель расчета живучести перспективных наномикропроцессорных систем с учетом алгоритмической избыточности за счет использования конвейеров и их ступеней

Петров Б.М., Уткина О.Н.

МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ЖИВУЧЕСТИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАНОМИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ С УЧЕТОМ АЛГОРИТМИЧЕСКОЙ ИЗБЫТОЧНОСТИ

ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОНВЕЙЕРОВ И ИХ СТУПЕНЕЙ

Большие успехи, достигнутые за последние годы в микроэлектронике и наноэлектронике при разработке наномикропроцессорных систем (НМПС), привели к необходимости разработки методики расчета их надежности и живучести, состоящей из нескольких моделей, которые учитывают сложную архитектуру микропроцессоров (МП) и нанопроцессоров (НП). Основой предлагаемой модели является функциональная зависимость интенсивности отказов НМПС, учитывающая схемотехнические особенности современных и перспективных МП и НП и особенности их программного обеспечения (ПО) .

Предложена новая модель, в отличие от имеющихся отечественных и зарубежных (приведенных в справочнике MIL-HDBK-217F) моделей расчета безотказности НМПС, в которой учитывается влияние на интенсивность отказов МП количество конвейеров и их ступеней, наиболее сильно влияющих на безотказность и быстродействие МП.

Микропроцессор является программно-управляемой сверхбольшой интегральной схемой (СБИС), предназначенной для обработки цифровой информации. Особенностями современных и перспективных МП являются:

- конвейера независимых команд, позволяющие распараллелить выполнение независимых друг от друга операций;

- блок предсказания ветвлений: как только дешифратор обрабатывает команду условного или без-

условного перехода, дополнительный буфер команд заполняется командами по адресу этого перехода, если переход производится, то очередь команд заполняется из буфера и потери производительности МП при переходе не происходит.

Pentium имеют два типа конвейера: конвейер и - основной, для выполнения всех операций над целыми числами и числами с плавающей запятой, конвейер V - вспомогательный для выполнения только простых операций над целыми числами. Микропроцессоры имеют различные наборы элементов и выполняют различные функции, поэтому целесообразно их классифицировать по архитектуре, по двум признакам: а) используемые наборы команд и б) методы работы с памятью.

Следует отметить, что в современные МП имеют большую алгоритмическую избыточность, так как реализуют алгоритм цифровой фильтрации. А структурные схемы цифровой фильтрации имеют очень сложную структуру соединений различных элементов цифровой обработки сигнала: прямые и каскадные формы,

форму «бабочка» с инверсией сигнала и без нее и т.п, которые необходимо привести к моделям, принятым в теории систем: последовательно-параллельным, сетеобразным, кольцевым и древообразным

структурам.

При анализе безотказности и быстродействия на структурном уровне используется метод декомпозиции и факторизации, который позволяют сложную структуру сложных устройств интерпретировать в виде набора отдельных каналов, представляющего пороговую структурную модель быстродействия «т из п», с квазипараллельными каналами.

При анализе коэффициента Кк, учитывающего влияние количества конвейеров и их ступеней, необходимо учитывать, что при конвейеризации команда раскладывается на несколько микроопераций, каждая микрооперация реализуется в своей ступени конвейера.

Тем больше ступеней конвейера тем лучше, но есть ограничения, так как не все операции линейные, могут быть операции условных переходов, которые приводят к потери безотказности и производительности МПС, т.е. пустым прогонам, поэтому многое зависит от класса решаемых задач. В микропроцессорах девяностых годов использовались длинные конвейеры с 55 -7 0 ступенями, современные программные средства имеют много условных переходов, поэтому количество ступеней снизилось до двух десятков, что позволяет повысить безотказность в несколько раз за счет количества конвейеров и еще в десятки раз за счет количества ступеней конвейеров.

^-МП^) = ^0^) Х ККОН Х КСТУШ

где А,0^) - базовая интенсивность отказов кристалла МП i - й технологии (с учетом времени от-

лаженности процесса производства и соответствия его современному уровню изготовления МП) относительно К-МОП технологии; Ккон - коэффициент, учитывающий влияние количества конвейеров в центральном процессоре; Кступ - коэффициент, учитывающий влияние количества ступеней конвейеров.

Таблица 1 Современное состояние и перспективы развития универсальных микропроцессоров фирмы Intel

Год выпуска 1978 1982 1985 1989 1993 1997 1999 2000 2002 2005 2006 2006 2008 2008 2009 2010 2015

1 Центральный процессор 8086 ХТ 80286 АТ 80386 80486 80586 Pentium I 80686 Pentium II 80686 Pentium III 80786 Pentium IV 80786 Pentium 4A 80886 Pentium M Duo Core2 Duo Core2 Quad Bloom- field Haven- dale Lynn field -

2 Номер поколения 1 2 3 4 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 11 12 13

3 Нормы техн- лог. процесса Микроэлектроника 1 - 7 поколений

3,0 1,5 1,0 0,8 0,6 0,35 0,25 0.18 0.13 90 90 65 65 45 32 22 12

4 Количество конвейеров - - - - 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 4 4 8

5 Ково ступен конвейеров - - - - - 10 55 20, 31 20, 31 31 31 20 20 20, 31 14 25 40

Таблица 2 Современное состояние и перспективы развития универсальных микропроцессоров фирмы AMD

Год выпуска 1996 1997 1998 1999 1999 2000 2000 2001 2002 2003 2003 2004 2005 2005 2005 2006

1 Центральный процессор AMD K5 AMD K6 AMD K6-2 AMD K6-3 AMD Athlon AMD Duron AMD Athlon Thunder- bird AMD Athlon XP Palomino AMD Ath-lon XP Thoroug AMD Ath-lon XP Barton AMD Athlon 64 Winchester Athlon 64 FX Sledge Hamm Athlon 64 X2 Manchester Athlon 6 4 X2 Toledo Athlon 6 4 X2 Windsor Athlon 6 4 X2 Brisbane

2 Номер поколения 1 2 3 3 3 4 4 4 5 5 6 6 7 7 7 8

3 Технологический процесс Микроэлектроника 1 - 8 поколений

0,35 0,35 0,25 0,25 0,25 0,18 0,18 0,18 0,13 0,13 90 90 90 90 90 65

4 Количество конвейеров - - - - 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 4

5 Количество ступеней конвейеров - - - - - - - 10 10 10 12 12 12 12 12 12