18、纳米架构可靠性权衡评估与大数定律系统设计

纳米架构可靠性权衡评估与大数定律系统设计

纳米架构可靠性评估工具

在纳米技术领域，确保纳米架构的可靠性至关重要。为此，我们开发了两款工具——NANOLAB和NANOPRISM，用于评估纳米架构的可靠性，并进行可靠性与冗余性的权衡分析。

NANOLAB基于Bahar等人提出的非离散概率设计方法，具有两个主要方面：
- 基于马尔可夫随机场的计算模型 ：假设门电路无缺陷，该模型将信息论熵与计算的热熵相关联。在纳米架构的低电压水平下，当计算接近热极限时，可靠性可能会受到影响。不过，通过采用诸如TMR、CTMR及其多阶段迭代等容错架构技术，可以显著降低这种影响。
- 信号噪声注入 ：在逻辑网络的输入和互连处注入信号噪声。噪声采用高斯和均匀概率分布进行建模，这超出了上述热方面的考虑。NANOLAB能够自动计算在离散输入分布和随机噪声存在的情况下，系统的可靠性指标，包括能量分布和熵。该工具由基于MATLAB的通用逻辑门库和信念传播算法组成，前者可计算输出处于不同能量水平的概率，后者可计算任意布尔网络主输出的分布。此外，它还支持各种互连噪声模型，有助于建模瞬态故障，并为设计师提供降低熵（即提高可靠性）的最佳配置方案。

NANOPRISM是基于概率模型检查的可靠性评估工具，包含不同冗余容错架构配置的库。使用该工具分析特定逻辑电路的可靠性指标，结果表明，对于给定的门故障概率，可以找到实现可靠计算所需的最小冗余和粒度水平。NANOPRISM库支持在不同粒度级别（如门级、逻辑块级、逻辑功能级、单元级等）实现冗余。通过对冯·诺依曼多路复用系统和任意逻辑电路的不同阶CTMR进行建模，展示了该方法的有效性。同时，还