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与近似电路相关的可靠性问题综述

A Survey of Reliability Issues Related to Approximate Circuits

  • 摘要:
    研究背景 晶体管尺寸的缩小,集成电路密度的增大,使得半导体功耗急剧增加,摩尔定律和登纳德缩放比例定律逐渐走向瓶颈。同时,越来越多的大数据处理和人工智能等应用对高性能处理器的处理能力要求越来越高。这两者构成了一对矛盾,所以迫切需要一种新的计算架构,既要支撑高通量的计算力,又要满足低功耗的需求。实际上,在许多图像处理、视频、音频等应用中,微小的差错并不影响感官感受到的效果,因此近似电路作为一种高能效的设计架构应运而生。近似电路以应用能够容忍的精确性损失换取面积、功耗及时间开销的减少和成本的降低。
    目的 近似电路引起学术界和工业界越来越多的关注,因此围绕其开展的综述和分析较多,主要包括近似计算模型、软件层面的近似实现、硬件层面的近似实现等方面。为了拓展对近似电路的认识和研究,分析近似设计的可行性,为近似电路走向生产制造奠定基础,不同于已有的综述工作,我们聚焦近似电路的可靠性和准确性相关工作进行了全面的分析和总结。
    方法 本文面向近似电路的差错特性分析、可靠性和测试以及借助近似电路的可靠性设计三个方面进行了全面综述。差错特性分析是将近似电路的功能输出与对应的精确电路的输出相比较,通过若干量化指标评测准确性和近似程度。文中将这一方面的现有工作分为了三类:模拟方法、解析方法和形式化方法。近似电路一旦步入生产制造,制造中的缺陷和使用中的故障将不可避免,因此文中对可靠性预测和近似电路测试方面的工作进行了总结。最后,本文还对近似多模冗余,即通过近似电路降低可靠性设计面积开销的工作进行了综述。整篇文章对各类方法的优缺点进行了比较分析,并总结出各类方法适用的场景。
    结果 本文所综述的三个方面的内容各有其作用和价值。关于第一个方面,由于对应一个精确电路可以有多款近似设计,差错特性分析方面的工作可以帮助设计者根据应用需求计算差错度量指标,选择更优的近似电路。差错特性分析方法可以分为三类:模拟方法、解析方法和形式化方法。模拟方法准确但耗时;解析方法可以用于大电路,但只适用于特定功能的近似电路;形式化方法普适性较强,但主要适用于小规模电路。关于第二个方面,考虑到缺陷和故障的影响,分析近似电路可靠性的工作有助于改进电路设计,而面向近似电路的测试可以提高成品率。近似电路可靠性分析的相关研究还不成熟,有许多问题值得进一步研究,例如可接受输出、故障类型和失效机制等。第三个方面主要指近似多模冗余相关工作。容错技术中使用近似设计可以通过更少的面积开销达到逻辑屏蔽的效果。然而,已有工作属于为精确电路所做的容错设计,近似电路的高可靠设计需要更多的关注。
    结论 尽管许多学者围绕近似电路的准确性和可靠性开展了研究工作,但是仍然存在一些问题值得进一步探讨。由于近似电路的诞生源于应用本身的差错容忍性,如何面向不同的应用分析准确性和可靠性需求是一个重要的问题。例如,差错特性分析中度量指标阈值的设定、可靠性估计中可接受输出范围的确定,都需要以具体应用为导向进行探索。

     

    Abstract: As one of the most promising paradigms of integrated circuit design, the approximate circuit has aroused widespread concern in the scientific community. It takes advantage of the inherent error tolerance of some applications and relaxes the accuracy for reductions in area and power consumption. This paper aims to provide a comprehensive survey of reliability issues related to approximate circuits, which covers three concerns: error characteristic analysis, reliability and test, and reliable design involving approximate circuits. The error characteristic analysis is used to compare the outputs of the approximate circuit with those of its precise counterpart, which can help to find the most appropriate approximate design for a specific application in the large design space. With the approximate design getting close to physical realization, manufacturing defects and operational faults are inevitable; therefore, the reliability prediction and vulnerability test become increasingly important. However, the research on approximate circuit reliability and test is insufficient and needs more attention. Furtherly, although there is some existing work combining the approximate design with fault tolerant techniques, the reliability-enhancement approaches for approximate circuits are lacking.

     

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