[发明专利]一种数据通路分片的冗余保护结构

说明书

技术领域

本发明涉及片上网络可靠性设计技术领域，为其中片上路由器数据通路部件的冗余备份结构。

背景技术

随着VLSI技术的发展，越来越多的片上处理单元（存储单元、信号处理单元、输入输出单元）将会被集成在同一个die上。片上网络（Network-on-Chip，NoC）依靠其可扩展性好，吞吐量大的特点逐渐成为片上互连的主要标准。随着芯片规模的不断扩大和集成度的不断提高，NoC的组件会受到两类错误的影响：（1）暂时性（transient）错误和（2）长期性（permanent）错误。这些错误会降低芯片的成品率并影响片上互连的效率和可靠性。

由于片上网络可以看成一组结构化路由器的互连结构，片上路由器负责网络流量控制和路由计算，其中流水线部件，存储部件，交叉互连开关以及通道属于“数据通路部件”，其它部件属于“控制部件”。在SMIC 90nm工艺下，假设路由器之间点对点通道的宽度是0.8mm（例如ARM9处理器内核），综合结果表明：通道，存储部件，流水线寄存器和交叉开关等“数据通路部件”的面积开销较大，占路由器面积的绝大部分。因此直接对这些部件做冗余将会使路由器面积成倍增长。因此，为保证在NoC组件出现故障情况下的通信效率，能够实现错误容忍的路由器结构是一种有效的解决方案。

以往的容错路由器设计大多使用对组件直接进行冗余备份的策略。它为每个路由器组件提供一个冗余部件，当一个部件出错停止工作时，可以使用冗余部件进行替代。这种设计可以在一定程度上提高路由器的容错能力，但是冗余策略需要较大的面积开销，使用冗余策略的路由器面积通常是原来的2倍（双模冗余DMR）或3倍（三模冗余TMR）。在NoC面积资源有限的情况下，这种容错策略难以满足要求。此外，正是由于冗余部件占用的芯片面积较大，故障概率也随之提高，严重时导致NoC停止工作。

由此可见，要实现对高可靠性的片上互连，保障片上网络正常工作，首先需要设计针对路由器组件的容错保护机制，控制提高可靠性带来的面积开销。尽管存在多种方法来提高片上路由器的可靠性，但是其中一些方法没能把面积开销降低到一定程度，一些方法面积开销虽然小，但是系统性能依旧随着故障增多迅速降低。例如，一种面积开销较小的数据通路部件保护机制如图1所示，这是一种基于数据通路分片技术的容错路由器结构的一部分，图中标示出了数据输入的N方向和输出的S方向。利用数据通路部件的可分片特点，时分复用正常工作的部件分片，从而降低传输延迟。考虑一个64bit的通道出错的情况，通常认为组成通道的64根导线全部失效，但是由于可以认为数据通道是由一组并行工作的通道“分片”（Slice）组成（4个通道“分片”，每个位宽16bit），分片之间互不影响。由于面积开销和故障数目存在正比关系，每个分片的面积较小，因此分片出错的概率很低，其中一个分片失效并不会影响其它分片正常工作。此时利用这些正常工作的分片，采用时分复用方法对数据进行传输可以在一定程度上提高路由器的容错能力，从而在提高可靠性的同时降低面积开销。对于其它数据通路部件，例如，一个64bit的先入先出（FIFO）存储部件可以分成4个位宽16bit的FIFO分片；一个64bit的交叉开关部件可以分成4个位宽16bit的开关部件分片等，如图1所示。此设计虽然能够在一定程度上降低面积开销，然而并没有考虑当分片故障数量增大时对性能的影响。在分片故障数量较大时，此设计会严重降低数据通路部件的吞吐量。

因此，如果能在此设计的基础上，结合传统的冗余策略，通过增加一级分片作为冗余备份，可在面积开销增大不多的情况下，大幅度提高系统的性能。

发明内容

本发明的任务在于，获得一个即可使面积开销小、功耗低，又可当故障分片数量增多时系统性能不受影响的容错保护结构。

本发明在原有分片的基础上增加一条冗余分片，用于在某个分片出错的情况下对其进行替代，在分片的前后端分别加入多个选择器，用于动态改变数据传输所使用的分片。本发明的关键点在于如何通过已得知的分片故障情况，控制多路选择器的控制信号合理的对故障分片进行替代。

该分片容错结构的主要特征在于：

（1）通过将待输入分片的每路数据信号连接至某个多路选择器的输入端，根据分片的故障情况，控制多路选择器的控制信号，达到改变数据使用的部件分片的目的。

（2）在多路选择器构成的分片选择结构中，共有两组多路选择器网络，一组多路选择器控制数据使用哪些正常的分片；另一组控制如何从分片中提取数据，并放到下一级需要使用这些数据的部件中。