Transiente Fehler in Mikroprozessoren

Bernhard Fechner Transiente Fehler in Mikroprozessoren

VIEWEG+TEUBNER RESEARCH

Bernhard Fechner

Transiente Fehler in Mikroprozessoren Mechanismen zur Erkennung, Behebung und Tolerierung

Mit einem Geleitwort von Prof. Dr. Jörg Keller

VIEWEG+TEUBNER RESEARCH

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Dissertation der FernUniversität Hagen, 2008

1. Auflage 2009 Alle Rechte vorbehalten © Vieweg +Teubner | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2009 Lektorat: Christel A. Roß Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.viewegteubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: STRAUSS GMBH, Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN 978-3-8348-0714-4

Wenn ich nicht für mich bin, wer ist für mich? Und solange ich nur für mich bin, was bin ich? Und wenn nicht jetzt, wann? ‹ŽŽ‡Ž†Ǥ"Ǥ

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Geleitwort  ’¡–‡•–‡•‹–†‡”‡”„”‡‹–—‰†‡• –‡”‡–•—††‡••Šƒ–†‹‡…‘’—–‡”Ǧ ‰‡•–ò–œ–‡ ˆ‘”ƒ–‹‘•˜‡”ƒ”„‡‹–—‰ƒŽŽ‡‡”‡‹…Š‡†‡•‡•…ŠŽ‹…Š‡‡„‡• ‡””‡‹…Š–Ǥ ‡” ‡Š” ‘”‰¡‰‡ †‡• ’”‹˜ƒ–‡ —† „‡”—ˆŽ‹…Š‡ ‡„‡• ™‡”†‡ ‹––‡Ž• ‘’—–‡” ƒ—• –ƒ†ƒ”†Ǧƒ”†™ƒ”‡ †—”…Š‰‡ˆòŠ”–ǡ ™‡•ŠƒŽ„ †‹‡•‡ ‡…Š‡” ’”‡‹•‰ò•–‹‰ und œ—˜‡”Ž¡••‹‰ •‡‹ ò••‡Ǥ —”…Š †‹‡ ‹‡” ™‡‹–‡”‡‡”Ž‡‹‡”—‰†‡”–”—–—”„”‡‹–‡‹Š‘…Š‹–‡‰”‹‡”–‡Š‹’••–‡‹‰– ƒ„‡” †ƒ• ‹•‹‘ ˜‘ ‹–ˆ‡ŠŽ‡” ƒ—ˆ ”—† ˜‘ ƒ”–‹‡Ž‡‹•…ŠŽ¡‰‡ǡ •‘†ƒ•• Š‹‡”‰‡‰‡‘”•‘”‰‡‰‡–”‘ˆˆ‡™‡”†‡—••Ǥ‹‡˜‘”Ž‹‡‰‡†‡…Š”‹ˆ–•–‡ŽŽ–†‹‡

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Zusammenfassung 

IX

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X

Zusammenfassung

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Inhaltsverzeichnis 

XI

Inhaltsverzeichnis Geleitwort................................................................................................................ VII Zusammenfassung ..................................................................................................IX Inhaltsverzeichnis ..................................................................................................XI Abbildungsverzeichnis ......................................................................................XIII Tabellenverzeichnis.......................................................................................... XVII Liste der Symbole ................................................................................................ XIX Liste der SI-Einheiten ......................................................................................... XXI Liste der Abkürzungen .................................................................................... XXIII 1

2

Einleitung und Motivation .......................................................................... 1 ͳǤͳ

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XII 3

Inhaltsverzeichnis

Simulations- und Synthesemethodik ....................................................57 ͵Ǥͳ

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Dynamische Fehlerentdeckung und -behebung ................................71 ͶǤͳ ‡ŠŽ‡”‡”‡—‰‹ƒ”†™ƒ”‡ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤ͹͵ ͶǤͳǤͳ ‡’‘”¡”‡”’‡‹…Š‡”ˆò””‡†—†ƒ–‡•—Ž–‹–Š”‡ƒ†‹‰ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͺͲ ͶǤͳǤʹ ‡”–‡’‘”¡”‡’”—‰œ‹‡Ž•’‡‹…Š‡”ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͺͺ ͶǤͳǤ͵ ‡”–‡’‘”¡”‡ƒ–‡•’‡‹…Š‡”ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳͲͳ ͶǤͳǤͶ Š”‡ƒ†Ǧ”òˆ•—‡ƒŽòŽǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳͳʹ ͶǤͳǤͷ ‹”‘…‘†‡‹–‡‹‰‡„‡––‡–‡‡‹–˜‘”‰ƒ„‡ȋ‹”‘…‘†‡‹‹‰ȌǤǤǤͳͶ͵ ͶǤʹ ›ƒ‹•…Š‡‡…Šƒ‹•‡ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳ͸Ͷ ͶǤʹǤͳ ›ƒ‹•…Š‡”‡ˆ‡ŠŽ•Š‘Ž‡ǦŽ‰‘”‹–Š—•ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳ͸Ͷ ͶǤʹǤʹ ‹•–‘”›‘–‹‰ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳͺͺ ͶǤ͵ ‡ŠŽ‡”„‡Š‡„—‰‹ƒ”†™ƒ”‡ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤʹͲ͵ ͶǤ͵Ǥͳ ‡”™ƒ†–‡”„‡‹–‡ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤʹͲͶ ͶǤ͵Ǥʹ ‡ŠŽ‡”„‡Š‡„—‰ƒ”…Š‹–‡–—”‡ŽŽ‹…Š–ˆ‹š‹‡”–‡”—•–¡†‡ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤʹͲ͹ ͶǤ͵Ǥ͵ ‡ŠŽ‡”„‡Š‡„—‰ƒ”…Š‹–‡–—”‡ŽŽˆ‹š‹‡”–‡”—•–¡†‡ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤʹͳͲ

5

Überblick und Fazit .................................................................................. 223

Anhang A: SPECint2006-Parameter .............................................................. 231 Anhang B: Felddaten (SGI Altix 4700) .......................................................... 235 Anhang C: Standardzellen-Makefile .............................................................. 242 Literaturverzeichnis .......................................................................................... 245 Index ....................................................................................................................... 262



Abbildungsverzeichnis

XIII

Abbildungsverzeichnis  „„‹Ž†—‰ͳǦͳǣ‡…Š‘Ž‘‰‹‡‡–™‹…Ž—‰ȋͳͻ͹ͲǦʹͲͲ͹ȌǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤ͵ „„‹Ž†—‰ͳǦʹǣ–™‹…Ž—‰‡Š”ˆ¡†‹‰‡”‡Š”‡”•›•–‡‡ȋʹͲͲͳǦʹͲͲͺȌǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͷ „„‹Ž†—‰ͳǦ͵ǣœƒŠŽ‡—–”‘‡‡‹•…ŠŽ¡‰‡’”‘–—†‡ˆò”‹‡ŽȋʹͲͲ͹ȌǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤ͹ „„‹Ž†—‰ʹǦͳǣ‡‹•’‹‡Ž‡–›’‹•…Š‡” ‡”–‹‰—‰•ˆ‡ŠŽ‡”ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳͺ „„‹Ž†—‰ʹǦʹǣŽ‡–”‘‹‰”ƒ–‹‘•‡ˆˆ‡–‡‹‡”‡”†”ƒŠ–—‰ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤʹͲ „„‹Ž†—‰ʹǦ͵ǣŽƒ••‹ˆ‹œ‹‡”—‰˜‘–”ƒŠŽ—‰•ƒ”–‡ƒ…Š™‡†—‰•„‡”‡‹…ŠǤǤǤǤǤǤǤǤʹͳ „„‹Ž†—‰ʹǦͶǣ ‘‡Ǧ‹œ‡Ž‹’—Ž•‹†‡”’Ǧ’‡””•…Š‹…Š–ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤʹ͵ „„‹Ž†—‰ʹǦͷǣˆˆ‡–‡‹‡•‹‰Ž‡Ǧ˜‡–’•‡–•‹‡‹‡”Ǧ‡ŽŽ‡ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤʹͶ „„‹Ž†—‰ʹǦ͸ǣƒ”–‹‡ŽǦ–”‘‹’—Ž•ȋ Ͳα͵ǡτααͲǡͷ•ǡτβαͲǡʹ•ȌǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤʹ͸ „„‹Ž†—‰ʹǦ͹ǣ ‘”ƒ–‡‹‡•‹”‘„‡ˆ‡ŠŽ•ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͶͲ „„‹Ž†—‰͵Ǧͳǣ–™—”ˆ•ƒ„Žƒ—ˆ‹–‹Ž‹š ͸Ǥ͵ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤ͸ͷ „„‹Ž†—‰͵Ǧʹǣ–™—”ˆ•ƒ„Žƒ—ˆ‹–ŽŽ‹ƒ…‡ͷǤͲǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤ͸͹ „„‹Ž†—‰ͶǦͳǣƒ•—’Ž‡š•›•–‡ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤ͹͸ „„‹Ž†—‰ͶǦʹǣƒ•ƒ•–‡”ǦŠ‡…‡”Ǧ›•–‡ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤ͹ͺ „„‹Ž†—‰ͶǦ͵ǣƒ•˜‹”–—‡ŽŽ‡—’Ž‡š•›•–‡ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤ͹ͻ „„‹Ž†—‰ͶǦͶǣ –‡‰”ƒ–‹‘†‡•‡”œÚ‰‡”—‰•’—ˆˆ‡”•„‡‹ǦǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͺͶ „„‹Ž†—‰ͶǦͷǣ—•™ƒŠŽ†‡•–‡’‘”¡”‡’”—‰œ‹‡Ž•’‡‹…Š‡”•ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͻͷ „„‹Ž†—‰ͶǦ͸ǣ—‰”‹ˆˆƒ—ˆ†‡–‡’‘”¡”‡’”—‰œ‹‡Ž•’‡‹…Š‡”ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͻͷ „„‹Ž†—‰ͶǦ͹ǣ –‡‰”ƒ–‹‘†‡•–‡’‘”¡”‡’”—‰œ‹‡Ž•’‡‹…Š‡”•ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͻ͹ „„‹Ž†—‰ͶǦͺǣ –‡””—’–•›…Š”‘‹•‹‡”—‰„‡‹ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͻͺ „„‹Ž†—‰ͶǦͻǣ‹‡†‡”˜‡”™‡†—‰•‰”ƒ†ȋΨȌ˜‘’”—‰œ‹‡Ž‡ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳͲͲ „„‹Ž†—‰ͶǦͳͲǣ¡—ˆ‹‰‡‹–†‡”’‡”ƒ†‡„”‡‹–‡ȋ‹‹–ˆò”‘ƒ†•ȌǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳͲ͵ „„‹Ž†—‰ͶǦͳͳǣ¡—ˆ‹‰‡‹–†‡”’‡”ƒ†‡„”‡‹–‡ȋ‹‹–ˆò”–‘”‡•ȌǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳͲ͵ „„‹Ž†—‰ͶǦͳʹǣ –‡‰”ƒ–‹‘†‡•–‡’‘”¡”‡ƒ–‡•’‡‹…Š‡”•ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳͲͷ „„‹Ž†—‰ͶǦͳ͵ǣ„Žƒ—ˆ˜‡”•…Š‹‡†‡‡”—‰”‹ˆˆ‡ƒ—ˆ†‡ƒ–‡•’‡‹…Š‡”ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳͲ͹ „„‹Ž†—‰ͶǦͳͶǣ‡••‘—”…‡Ȃ‡‹–‡”Ž‡‹–—‰•˜‡”ˆƒŠ”‡ǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤǤͳͲͻ

XIV

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XV

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Tabellenverzeichnis

XVII

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