基于故障統(tǒng)一模型的故障檢測策略

王 銳

(合肥工業(yè)大學 電子科學與應(yīng)用物理學院，安徽 合肥230009)

多目標故障檢測通過信號違規(guī)檢測能實現(xiàn)同時在線檢測多種故障，其中包括老化故障預(yù)測。文獻［1～2］對比做了較有價值的研究。中科院計算所鄢貴海博士基于此方法提出了一種統(tǒng)一的故障模型——侵犯信號穩(wěn)定性(Stability Violation，SV)以及基于SV的故障檢測方案SVFD。但因為多目標會導致多時序約束，所以，對電路的時序有嚴格要求。本文研究發(fā)現(xiàn)，對于動態(tài)CMOS電路的“充放電”時間，統(tǒng)一故障檢測方法并未予以重視，在嚴格要求時序的高速電路中，需做出優(yōu)化。

根據(jù)軟錯誤和電路老化的誘導機制不同，現(xiàn)有單獨對軟錯誤或者老化預(yù)測結(jié)構(gòu)進行改進不能滿足要求。要將預(yù)測老化和檢測軟錯誤等其它目標故障整合在一個結(jié)構(gòu)中進行違規(guī)檢測，建立新的理論基礎(chǔ)。通過數(shù)字信號學分析可以得到如下結(jié)果:由跳變、毛刺或串擾等引起的延遲故障都可以統(tǒng)一描述為信號穩(wěn)定違規(guī)，因此可以提出統(tǒng)一的故障檢測模型，從而在檢測能力、設(shè)計復雜度和成本方面達到要求。

1 研究現(xiàn)狀

基于上述要求，對于統(tǒng)一故障模型，SV期望研究的目標故障類型如下:

(1)軟錯誤。包括單事件翻轉(zhuǎn)(Single Event Upset，SEU)和單事件瞬態(tài)(Single Event Transient，SET)［3］。如果一些高能輻射粒子誘導存儲單元發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這種偶然的翻轉(zhuǎn)被稱為SEU。如果粒子導致某個組合邏輯的節(jié)點收集了足夠多的電荷，可以產(chǎn)生瞬態(tài)電流脈沖。該脈沖轉(zhuǎn)化成電壓脈沖并隨著組合邏輯向下傳播。這種類型的錯誤被稱為SET。基于3種屏蔽效應(yīng)［4］，軟錯誤可能被捕獲:邏輯屏蔽，電屏蔽和鎖存屏蔽。

(2)老化延遲。老化效應(yīng)，例如負溫度不穩(wěn)定性導致的老化延遲可以用來對老化進行預(yù)測［5］。通常，老化延遲是時間的一個累積效應(yīng)。它的檢測時間窗為TGB。

(3)延遲故障。延遲故障是指傳統(tǒng)的延遲故障，一般由器件故障，包括由缺陷、串擾、電壓不穩(wěn)等導致的時延故障。這類故障的檢測通常都在時鐘上升沿之后，與老化檢測類似，都是后檢測帶(Detection Slick)，檢測窗口為TDS(即后檢測帶間隔)。對于一般的數(shù)字電路可以用這樣的邏輯模型表示:組合邏輯的輸入信號Si來自上一級觸發(fā)器，輸出So被后一級的觸發(fā)器捕獲，觸發(fā)器間使用同步時鐘，周期為T。

對于軟錯誤、老化延遲和延遲故障，一般在保護帶預(yù)測老化延遲，在后檢測帶檢測延遲故障，如圖1所示。用上述信號模型分別對軟錯誤、老化延遲和延遲故障的故障行為進行了分析:(1)延遲故障。延遲的So會在TDS期間發(fā)生SV，但沒有在TGB期間發(fā)生的跳變。延遲故障還會在時鐘周期的后端導致So的TVV故障，TVV會在下一個時鐘周期引起下一級邏輯發(fā)生IVV故障。因此，對于延遲故障來說，SV、TVV和IVV是等效的。(2)老化延遲。延遲的So在TGB期間將會導致SV。但老化延遲不會導致TVV或IVV。(3)SEU。發(fā)生SEU的觸發(fā)器，其輸出端Si會發(fā)生的是SV，之后Si將保持穩(wěn)定。因此，SV可能會導致下一級觸發(fā)器捕獲到錯誤的數(shù)據(jù)，繼而導致發(fā)生TVV以及下一級觸發(fā)器Si發(fā)生IVV，即SEU將表現(xiàn)為SV、IVV或TVV。(4)SET。對于寬度＜TDS+TGB的SET故障，其行為與普通的延遲故障相似。因此，對于SET來說，SV、IVV和TVV也是等效的。

圖1 保護帶和后檢測帶

綜合上述分析，結(jié)論如下:對于上述引起電路時序發(fā)生錯誤、時序違規(guī)的各種故障行為都可以統(tǒng)一為SV，即統(tǒng)一故障模型。

統(tǒng)一故障檢測中最重要的單元是信號穩(wěn)定性檢測單元。圖2顯示了SVFD在電路中的位置及其主要結(jié)構(gòu)。通過插入檢測單元的一個關(guān)鍵路徑末端，觸發(fā)器采用XOR保護檢測，通過將觸發(fā)器輸入端和輸出端兩路信號送入一個同或門NXORX。當CLKG低電平期間觸發(fā)器受到SEU時，其會在或非門B1輸出高電平，導致X節(jié)點放電。

圖2 統(tǒng)一故障檢測在電路中的位置和結(jié)構(gòu)

檢測電路由3部分組成:穩(wěn)定性檢測器(Stability Checker，SC)、輸出壓縮器(Compactor)和輸出鎖存器(Output Latch)。穩(wěn)定性檢測器的基本結(jié)構(gòu)來自于在線老化預(yù)測，與之類似，穩(wěn)定性檢測器也是通過比較一對預(yù)充電的節(jié)點狀態(tài)來判斷被檢測信號上是否發(fā)生SV。下面分析SVFD的工作原理。

如圖3所示，穩(wěn)定性檢測器是通過對動態(tài)節(jié)點S1和S2狀態(tài)的監(jiān)測來控制節(jié)點S4的狀態(tài)，判斷電路是否發(fā)生故障。然后把信號輸出給輸出壓縮器用于判斷故障類型。當經(jīng)過預(yù)充電階段后，S1與S2均處于高電平，電路進入檢測狀態(tài)。當組合邏輯輸出的信號Co正常時，M3和M4的柵極狀態(tài)總是互斥的，即為“0”、“1”或“1”、“0”，S1與S2其中必有一個發(fā)生放電。這種情況下，節(jié)點S4會穩(wěn)定在高電平，穩(wěn)定性檢測器的輸出A1為0，SV沒有發(fā)生。與之相反，當Co在在保護區(qū)間發(fā)生SV，這時原本保持在高電平狀態(tài)的節(jié)點發(fā)生放電，即S1和S2均處于低電平狀態(tài)，從而打開節(jié)點S4的下拉網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)定性檢測器的輸出A1由0變成1。輸出壓縮器捕獲到A1信號，從而釋放節(jié)點X的電荷。與節(jié)點X相連的兩個鎖存器分別在不同時鐘CLK和CLK鎖存X的值，根據(jù)兩個鎖存器輸出a，b的值來判斷具體故障類型。

圖3 故障檢測單元的晶體管實現(xiàn)

文獻［2］在面積開銷、功耗、以及故障檢測能力等方面都進行了分析，發(fā)現(xiàn)SVFD對于有時序違規(guī)引起的電路故障有著較好的檢測結(jié)構(gòu)。然后，它也存在著明顯的缺點:(1)需要額外的控制信號。與其他檢測結(jié)構(gòu)相比，需要額外的控制信號才能保證SVFD的正常工作，而引入一路控制信號必然增加它的面積開銷。(2)不適用于高速電路。在SVFD結(jié)構(gòu)中，大量的保護器被用來保護動態(tài)節(jié)點高狀態(tài)的穩(wěn)定性，這會導致節(jié)點充放電時間的增加，使其不適用高速電路。

2 高速信號違規(guī)檢測結(jié)構(gòu)

考慮上述原因，針對SVFD的穩(wěn)定性檢測器是影響電路在高速電路中運用的主要障礙。根據(jù)這個分析，論文提出了一種高速信號違規(guī)檢測結(jié)構(gòu)(Highspeed Signal Violation Detector，HSVD)，如圖4所示。

圖4 HSVD中SC的電路結(jié)構(gòu)

新的穩(wěn)定性檢測器(Stability Checker，SC)在保留原先結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，最大的改動是引進了被用于軟錯誤防護時序單元中使用的Muller C單元(簡稱C單元)［6］。圖5給出了C單元以及對應(yīng)的真值表。這樣就減少了SC中動態(tài)節(jié)點和補償動態(tài)節(jié)點“弱”邏輯所需的保持器的數(shù)量，大幅減少了檢測單元的硬件開銷。不僅如此，C單元所具有的保持功能加強了SC輸出的N1信號的保持時間，還提高了輸出壓縮器中X節(jié)點的電荷釋放時間，從而避免在高速電路中因X節(jié)點放電不足而可能造成的電路檢測失效。這種改進大幅提高了HSVD對高速電路的適應(yīng)能力。

圖5 C單元及其真值表

3 仿真與對比

為驗證HSVD的功能，對單個檢測單元進行了晶體管級的Hspice故障模擬仿真。圖6是使用32 nm PTM工藝模型［7］，對HSVD中幾個關(guān)鍵節(jié)點狀態(tài)在5個周期中變化的仿真波形圖。其中系統(tǒng)主時鐘信號為CLK，CLKS為控制預(yù)測時鐘，So是組合邏輯輸出信號，CLKG為保持時間的控制信號，NXOR是XOR保護的輸出信號;在第4個波形圖中，顯示了SC內(nèi)部節(jié)點S1和S2隨著上述信號變化而出現(xiàn)的狀態(tài)變化圖形;第5個波形顯示的是SC輸出信號N1以及XOR保護的輸出信號，從圖中可以看出，N1信號具有較好的保持性，N1和B1是輸出壓縮器的輸入信號;最后一個圖顯示了最終的檢測結(jié)果，從中可以看出結(jié)果對故障的識別。

圖6 Hspice仿真波形圖

與其它方案的比較:將HSVD與其他幾種方案進行比較。表1列出了與老化預(yù)測策略(Aging Resistant Stability Checker，ARSC)［8］以及SVFD在晶體管數(shù)目、時鐘信號數(shù)量以及檢測完備性上的比較結(jié)果。面積開銷可以利用晶體管數(shù)目來估算?？梢钥闯鲂陆Y(jié)構(gòu)對比傳統(tǒng)ARSC具備明顯的性能優(yōu)勢，而增加的開銷微小。與原先的SVFD相比，HSVD的硬件開銷更少。

表1 與其它方案的比較

4 結(jié)束語

相對于目標故障檢測，多故障統(tǒng)一檢測具有明顯的應(yīng)用價值。通過對SV的分析，提出一種適合高速電路的多故障統(tǒng)一檢測策略HSVD，給出了其電路實現(xiàn)。在HSVD的穩(wěn)定性檢測器中，C單元的使用使HSVD更適用于高速芯片。Hspice仿真驗證其功能有效，與已有的機制方案相比也具有面積和功耗的優(yōu)勢。

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