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在总结各种体系结构级容错措施的技术特点以及目前的研究现状和发展趋势的基础上,论述了冗余多线程(RMT)体系结构研究的时代背景、典型架构设计方法和存在的问题,以及今后研究的方向和发展趋势。提出了今后应该从资源分配和线程调度的角度对RMT进行研究,提升其整体处理能力,包括:提高RMT的容错能力;降低容错运行所需要的软、硬件代价;以及提高资源利用的效率和公平性,缓解多线程并行对资源需求的巨大压力。
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第 55 卷 第 1 期
2009 年 2 月
武汉大学学报
(
理学版
)
J . Wuhan Univ.
(
Nat. Sci. Ed.
)
Vol. 55 No. 1
Feb. 2009 ,017~021
收稿日期 : 2008204230
基金项目 :“十五”国家科技支撑计划预研项目
(
41316. 1. 2
)
作者简介 : 杨 华
(
19742
)
,男 ,副教授 ,博士 ,现从事可信计算和计算机系统结构的研究. E2mail :yangh @syiae. edu. cn
文章编号 :167128836
(
2009
)
0120017205
基于冗余多线程的体系结构级容错
措施的研究与发展
杨 华 , 潘琢金 , 董燕举 , 夏秀峰
(
沈阳航空工业学院 计算机学院 ,辽宁 沈阳 110136
)
摘 要 : 在总结各种体系结构级容错措施的技术特点以及目前的研究现状和发展趋势的基础上 ,论述了冗余
多线程
(
RMT
)
体系结构研究的时代背景、典型架构设计方法和存在的问题 ,以及今后研究的方向和发展趋势. 提出
了今后应该从资源分配和线程调度的角度对 RM T 进行研究 ,提升其整体处理能力 ,包括 :提高 RM T 的容错能力 ;
降低容错运行所需要的软、硬件代价 ;以及提高资源利用的效率和公平性 ,缓解多线程并行对资源需求的巨大压
力.
关 键 词 : 冗余多线程 ; 容错 ; 体系结构 ; 可靠性
中图分类号 : TP 302 文献标识码 :A
0 引 言
随着空间技术和集成电路技术的发展 ,以处理
器为核心的计算机系统越来越广泛地应用于航空航
天等高可信计算领域. 对于航空航天等易受粒子辐
射的领域
[1 ,2 ]
,处理器的瞬时故障偶发性较强 ,严重
威胁到系统的可靠性. 据 ITRS
[3 ]
估测 ,晶体管集成
密度至少在未来 7 年仍将保持指数级增长. 不断减
小的特征尺寸
(
feature size
)
和工作电压、不断提高
的工作频 率 等因素 , 降低了处 理器的 噪 声边缘
(
noise margin
)
,增大了其对瞬时故障的易感性 ,可
靠性正成为处理器乃至整个计算机系统设计所面临
的严峻挑战
[4 ,5 ]
.
研究表明
[6~12 ]
,对体系结构级进行设计和改
进 ,特别是对冗余多线程
(
redundant multithread2
ing ,RM T
)
的改进 , 能有效提高处理器乃至计算机
系统的容错能力和计算性能. 作者对各种 RM T 体
系结构进行分析和总结 ,发现如下问题 : ①实现代
价较大 ; ②性能、容错、实现代价间没有达到合理的
均衡 ; ③尚未充分发掘出 RM T 的性能潜力. 在此
基础上 ,本文提出从资源分配和线程调度的角度对
RM T 进行研究 ,从而更充分地发掘 RM T 的巨大潜
能 ,提升其整体处理能力 ,包括容错能力、计算性能、
资源占用的效率和公平性等方面.
1
体系结构级容错措施的研究趋势
提高容错能力 ,可以从工艺级、电路设计级、体
系结构级、系统级等各个层次采取措施 ,例如 :工艺
级的 SOI
(
silicon2on2insulator
)
和铜互连技术 ,电路
设计级的容错触发器 ,体系结构级的 RM T 技术 ,系
统级的 ROC
(
recover2oriented computing
)
和 Self2
Healing 等
[6~17 ]
. 其中 ,体系结构级措施因其独特的
技术优势
(
抽象级别高、对软件透明等
)
而备受青睐.
研究表明
[6 ]
,与其他级别
(
工艺级、电路级、系统
级
)
的措施相比 ,在体系结构级采取容错设计 ,特别
是采用 RM T 体系结构 ,能更有效地提高容错能力 ,
实现代价也较低 ,因此更具前途和生命力. 主要优点
如下 : ①适应性好. 抽象级别较高 ,对具体的工艺、
电路技术依赖性小 ,还可以克服此二者本身的局限
性 ,实现更高级别的容错 ; ②透明性好. 一般在处理
器内部实现容错计算时 ,对 OS 和应用软件透明 ;
③设计灵活 ,可操作性好 :便于与半导体工艺和处
理器体系结构的最新进展相结合. 目前 ,容错体系结
构的研究呈现如下 3 个发展趋势 :
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