04 февраля 2016г.
Аннотация
В статье рассмотрены перспективы ремонта микропроцессоров, возможности «самовосстановления» микропроцессоров, а также модели самовосстановления, предложенные зарубежными авторами.
История микропроцессоров
В 1971 году корпорация Intel представила первый микропроцессор 4004. Через год Intel представила восьмибитный микропроцессор 8008. После существенного усовершенствования этих моделей появляются 4040 и 8080. Они обеспечивали возможность внешнего прерывания, что было крайне важно для работы в реальном времени.
В 1978 году корпорация Intel представила 16-битный процессор8086, который уже обладал множеством возможностей микропроцессоров.
Первыми микропроцессорами, используемыми на «Сети Дальней Космической Связи» («Deep Space Network»), были 4040 – в третьем блоке и 8080 – в четвертом блоке. Далее началась эра использования мощных микропроцессоров.
На рисунке ниже представлена простейшая схема включения микропроцессора.
Рис.1.
При поиске неисправностей необходимо сначала установить, подается ли напряжение питания (измерение 1). В зависимости от типа микропроцессора и цели его применения существует возможность, что различные напряжения подаются для питания на два или большее количество выводов. На всех этих выводах необходимо измерить подаваемое напряжение, так как при неправильном значении хотя бы одного из них нормальная работа микропроцессора невозможна. Затем необходимо проверить тактовую частоту микропроцессора (измерение 2).Обычно на этом выводе расположен кварцевый резонатор. После этого необходимо установить, происходит ли при включении начальная установка (сброс) процессора.
Оборудование, основанное на микропроцессорах, может доставлять неудобства в силу невозможности увидеть «вблизи» их работу.
При возникновении неисправности трудно узнать, что стало причиной поломки.
Ремонт микропроцессоров – это только развивающаяся область микроэлектроники. К сожалению, в отечественной научной литературе данная область освещается мало. Зарубежом же появляются новые публикации, регистрируются патенты. Особо популярным является «саморемонт/самовосстановление микропроцессоров» («self-repairing»).К примеру, в США зарегистрирован патент US 20060101303 A1 под названием «Self-repairing of microprocessor array structures».
В реферате к патенту говорится, что при записи массива в структуре микропроцессора используется уровень косвенности, тем самым маскируя жесткие ошибки в матричной структуре. Среди других преимуществ, это сводит к минимуму использование давно известного механизма восстановления ошибки с присущими ему задержками. Косвенность используется для эффективного «удаления» неисправных частей матричной структуры, которые заменяются запасными, функционирующими частями для выполнения обязанностей неисправных частей. Так, например, ошибочные строки в массиве микропроцессорных структур заменяются сменными, функционирующими строками.
В статье Fred A. Bower, SuleOzev, Daniel J. Sorin «Autonomic Microprocessor Execution via Self-Repairing Arrays» авторы представляют модель автономного самовосстановления массивов микропроцессоров. Модель включает три аспекта:
1.
определение и диагностика ошибки;
2.
восстановление после полученной ошибки;
3.
картирование ошибочного массива [3].
Среди русскоязычных статей стоит отметить работу П. Осипенко «Одиночные сбои — вызов для современных микропроцессоров», в которой поднимается проблема сбоев в современных микроэлектронных изделиях, вызванных воздействием одиночных частиц, таких как атмосферные нейтроны и альфа-частицы.
Как мы видим, статья посвящена довольно узкой области. Cannon E., Reinhardt D. в работе«SRAM SER in 90, 130 and 180 nm Bulk and SOI Technologies» [2] отмечают, что проблема сбоев вследствие попадания одиночных частиц в микросхемы стала
широко обсуждаться после выхода статьи May T. C., Woods M. H. «Alpha- Particle-Induced Soft Errors in Dynamic Memories» [5] в 1979 г., в которой описывались результаты исследования причины сбоев микросхем производства Intel Corporation. В статье доказывалось, что причиной наблюдаемых сбоев были альфа-частицы, которые испускали при распаде ядра урана, содержавшиеся в керамических корпусах. Керамику для их изготовления получали из старой урановой шахты.
Mukherjee S. в работе«Computer glitches from radiation: A problem with multiple solutions» описал подобную проблему, с которой столкнулась компания IBM, которая выяснила, что сбои в ее микросхемах вызваны альфа- частицами, возникшими в результате распада радиоактивных примесей в жидкости для чистки бутылок, в которых хранилась кислота, используемая в процессе производства микросхем [6].
В то время, когда инженеры разбирались с причинами и искали способы устранения сбоев, вызванных радиоактивными примесями, Зиглер и Ленфорд (Ziegler and Landford) в своей статье«The Effect of Cosmic Rays on Computer Memories», вышедшей в 1979 г. [9], предсказали, что источником сбоев от попадания одиночных частиц могут быть не только альфа-частицы от радиоактивных примесей, но и нейтроны, образующиеся в результате ядерных взаимодействий высокоэнергетичных частиц космического пространства с ядрами атомов воздуха. Это предсказание получило признание специалистов только в 1996 г. с выходом статьи«Single Event Upset at Ground Level» [7] и выпуском специального номера журнала Тhe IBM Journal of Research and Development, целиком посвященного этой проблеме [10].
Вплоть до конца 90-х гг. данная проблема обсуждалась только в кругу профессионалов на специализированных конференциях и на страницах научных журналов. Широкое внимание общественности проблема получила с выходом статей в популярных журналах «Форбс» [4] в 2000 г. и EE Times [8] в 2002 г. Вторая статья с драматическим названием «Инженеры считают коммерческие компоненты «небезопасными» для авиации» («Engineer calls off-the-shelf components 'unsafe' for aircraft») имела особенное влияние на общественность, так как показала, что проблема сбоев от одиночных частиц затрагивает безопасность каждого человека. В дальнейшем сообщения об обнаружении сбоев от одиночных частиц стали появляться регулярно.
В вышеупомянутой работе П. Осипенко рассказывается про различные варианты самовосстановления процессоров, но не сказано о том, как же«ремонтировать»микропроцессоры с одиночными сбоями [1].
Выводы
1. Я могу сказать, что, несмотря на повсеместное использование микропроцессоров, тема их восстановления и ремонта особенно актуальна в силу недостаточности исследований, посвященных данной проблеме.
2. В отечественной литературе данная проблема не затрагивается вовсе.
3. В зарубежных работах особенно сильно поднимается вопрос о «самовосстановлении» микропроцессоров.
4. По моему мнению, именно в этом направлении кроются перспективы ремонта микропроцессоров в
электронике и микроэлектронике.
Список литературы
1. Осипенко
П.Н. Одиночные сбои – вызов для современных микропроцессоров //
Электронные компоненты.
2009. № 7.
2.
Cannon E., Reinhardt D. et all. SRAM SER in 90, 130 and 180 nm Bulk and SOI Technologies//42nd Annual Reliability Physics Symposium, 2004, pp. 300—304. 1
3.
Fred A. Bower, SuleOzev, Daniel J. Sorin, "Autonomic Microprocessor Execution via Self-Repairing Arrays," IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing, vol. 2, no. 4, pp. 297-310, Oct.-Dec. 2005, doi:10.1109/TDSC.2005.44
4.
Lyons D. SUN Screen//Forbs, November 13, 2000//www.forbes.com/global/ 2000/1113/0323026a.html. 4
5.
May T. C., Woods M. H. Alpha-Particle-Induced Soft Errors in Dynamic Memories//IEEE Trans. on Elect.
Devices, V.26, № 1, 1979, pp. 2–9. 5
6.
Mukherjee S. Computer glitches from radiation: A problem with multiple solutions//Microprocessor Report, V.22,
#5, 2008, pp.12–19. 7
7.
Normand Е. Single Event Upset at Ground Level//IEEE Trans. on Nuclear Sc., V. 43, № 6, 1996, pp. 2742–2750, 8
8.
Rea D. Engineer calls off-the-shelf components 'unsafe' for aircraft//EE Times, September 23, 2002. 10
9.
Ziegler J., Lanford W. The Effect of Cosmic Rays on Computer Memories//Science, V. 206, №. 776, 1979. 11
10.
IBM Journal of Res. and Develop., V. 40, 1996//www.research.ibm.com/journal/rd40-1.html. 13
