12、纳米计算的概率设计与可靠性策略

纳米计算的概率设计与可靠性策略

1. 纳米制造与设计的新挑战

随着当前基于硅的技术迅速接近其实际极限，纳米级电子学、器件和系统架构的研究成为了核心优先事项。预计纳米架构将面临器件和互连的高固有缺陷率，这促使人们寻找新的架构范式。

1.1 传统架构的局限性

• 冗余架构 ：如纳米织物，虽被编程以绕过制造缺陷，但缺陷密度过高会导致测试和冗余设备浪费大量空间和功率。
• 量子细胞阵列架构 ：目前必须在低温下运行以克服热噪声，短期内难以实现室温操作，且在涉及全局约束的计算中通信成本高。
• 神经网络风格架构 ：需要训练，难以根据工程原理分析或优化其性能，其行为对新计算示例的泛化能力也不明确。

1.2 预期的架构特征

• 高动态故障过程 ：预计相当大比例的器件及其互连会在制造过程中以及制造后持续出现故障，排除了单一测试和修复策略的可能性。
• 接近热极限运行 ：随着器件尺寸缩小，逻辑状态之间的能量差将接近热极限，计算本质上需具有概率性，反映热力学固有的不确定性。

1.3 纳米架构的设计方法

目前架构研究主要有两种方法：一是增加现有机器资源，二是使用模块化和分层架构来提高传统单线程架构的性能。针对显著的器件故障率，提出了两种基本方法：
- 测试和绕过故障路由 ：