[发明专利]具有软错误容错功能的一级缓存数据存储方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及微处理器中一级缓存（一级cache）设计领域 ，具体涉及一种具有软错误容错功能的一级缓存数据存储方法及装置。

背景技术

随着工艺水平的提高，集成电路的特征尺寸不断减小，不断降低的供电电压、持续减小的节点电容都使得集成电路对环境的影响越来越敏感，可靠性问题日益突出。特别是在纳米级工艺下，芯片的软错误率急剧增大。

所谓软错误是指集成电路受到高能粒子轰击或噪声干扰时发生的瞬时充放电对电路内部状态的破坏。软错误是一种瞬时错误，是可恢复的，其发生的时间和位置随机。软错误发生的概率与集成电路节点电量和源漏区面积相关。随着集成电路工艺的进步，供电电压不断降低，单个节点上存储的电荷越来越少，所以能量较低的粒子或噪声就可能引起软错误。但同时特征尺寸的降低也使得敏感源漏区的面积减小，导致单个晶体管器件发生瞬态故障的概率降低。由于特征尺寸和供电电压是同步减小的，所以单个晶体管器件发生软错误的概率在未来的很多年中将保持不变。但是随着工艺的进步，单片上集成的晶体管数目呈指数增长，所以总的来看，芯片发生软错误的概率也将呈指数增长。有研究表明，在纳米级工艺条件下，软错误是引起芯片失效的主要原因。

在现代微处理器中，各种存储单元（包括片内存储体和寄存器等）占据了芯片面积的70%以上，是芯片中对高能粒子最为敏感的部分。存储单元发生的软错误包括单事件翻转（单个高能粒子轰击导致的一位存储单元发生翻转错）和多位翻转（单个高能粒子轰击导致的多个相邻存储单元发生翻转错）两种类型。研究表明微处理器发生的各种瞬态故障，绝大部分来自于存储单元。因此目前高可靠微处理器大多针对各种存储单元进行保护。

对于单事件翻转，寄存器（Flip-flop）和片内存储体发生的概率一样；但对于多位翻转，由于片内存储器电路实现布局相对于寄存器更加紧凑，因此在深亚微米器件的线宽与粒子大小可比拟的条件下，单一的粒子轰击可能引发相邻存储单元的多位翻转概率将远高于寄存器。所以相对于处理器其他部分，片内存储器更容易发生软错误，更需要采用加固技术进行防护，除了能够防护单事件翻转类型软错误外，更重要的是也能够有效支持多位翻转型软错误防护。

片内存储体容软错误设计一般采用信息冗余技术进行软错误检测与纠正，常用的信息冗余技术包括奇偶检验码技术和海明校验码技术。这些技术需要写入存储器时对数据进行冗余编码，将原始数据和编码都存储在存储器中，读出时对数据和检验码进行校验。对于奇偶检验码技术，所需的冗余编码少，增加的面积和时序性能开销小，但只考虑了容单事件翻转，而未考虑容多位翻转。对于海明校验码技术，不仅考虑了容单事件翻转，也考虑了容多位翻转，但需要的冗余编码多，导致面积增加和时序性能开销大。

一级缓存（L1 cache）是处理器片内的大容量存储体，为了提高缓存性能，减少缓存失效率，常组织成多路组相联的结构。