利用時(shí)鐘裕度技術(shù)實(shí)現系統邊界穩定性與早期故障預測

計算機領(lǐng)域的超頻技術(shù)已存在多年，其目的就是有意識地讓系統超越工作極限，實(shí)現最大性能，但這通常會(huì )減少設備的使用壽命且難以保證系統的穩定性。許多系統設計人員都認為超頻技術(shù)除了影響系統穩定性之外一文不值，但實(shí)際它也有一些潛在的好處：可以為我們確定實(shí)際系統總時(shí)序預算(TTB)裕度以及估算產(chǎn)品現場(chǎng)使用壽命提供有益信息。超頻技術(shù)正在發(fā)展為一種稱(chēng)為“時(shí)鐘裕度”的新技術(shù)，該技術(shù)可確保系統穩定運行。此外，本文還將探討如何利用可編程時(shí)鐘源來(lái)實(shí)現時(shí)鐘裕度技術(shù)，確保在臨界條件下的真正系統穩定性。

很多讀者對上世紀80年代和90年代初期的PC平臺可能記憶猶新，這種平臺都帶有一個(gè)所謂加速模式(turbo mode)按鍵。我喜歡按下加速模式按鍵，并觀(guān)察顯示數字的變化?？蛇@些數字到底意味著(zhù)什么呢？按下這個(gè)按鍵，首先是自我感覺(jué)良好，認為自己正在體驗一種極限計算性能，可謂物超所值，畢竟當年的一部臺式機價(jià)值2500美元。我也很清楚，要是覺(jué)得加速模式下性能不穩定，那么總可以返回正常模式，以確保整個(gè)系統的穩定性。坦率地說(shuō)，實(shí)際上我從未在正常模式下工作過(guò)，相信其他人也一樣。當然，加速模式是一柄雙刃劍，人們一直批評它會(huì )造成系統崩潰，而且還會(huì )擔心一旦風(fēng)扇失靈，就會(huì )把CPU燒壞報廢掉。

實(shí)際上，過(guò)去的加速模式就是我們今天所說(shuō)的超頻技術(shù)。其實(shí)基本概念并沒(méi)變，都是要接近或超越系統的計算速度極限，將系統推到穩定與不穩定的邊緣。想到超頻技術(shù)時(shí)，總是自然而然地想到PC。除了超頻技術(shù)帶來(lái)的問(wèn)題之外，能不能通過(guò)超頻技術(shù)(即以超頻為工具)找到系統的弱點(diǎn)呢？能不能通過(guò)一種結構化的“試驗設計”，讓邏輯中最薄弱的一環(huán)自動(dòng)暴露出來(lái)呢？能不能通過(guò)超頻技術(shù)來(lái)準確判斷系統穩定與不穩定的確切臨界點(diǎn)呢？我們的分析還會(huì )不會(huì )提供一些隱性的有價(jià)值信息，有助于推測系統老化影響帶來(lái)的早期故障問(wèn)題？如果認為超頻的好處是讓系統達到穩定工作的極限，那么降頻又會(huì )怎么樣呢？通常認為超頻主要就是修改設置時(shí)間，而降頻就是修改保存時(shí)間。要討論超頻或降頻，就需要給系統“標稱(chēng)”響應定義一個(gè)參考基準。系統設計人員應當根據系統組件數據表提供的有關(guān)制造規范建立一個(gè)標稱(chēng)響應的標準。

總時(shí)序預算

首先介紹一些涵蓋關(guān)于超頻概念的新術(shù)語(yǔ)?？倳r(shí)序預算(TTB)與超頻系統的穩定性條件密切相關(guān)?？倳r(shí)序預算是指系統能夠實(shí)現的性能。根據這個(gè)定義，我們可以明確理性條件下系統的邊界時(shí)序性能限定?？倳r(shí)序預算是指系統的整體邊界性能極限條件下的，既包括超頻和降頻時(shí)的體驗效果。我們往往要通過(guò)實(shí)踐分析來(lái)獲得總時(shí)序預算參數，數據表中的內容不能提供這種最大和最小容限規范。根據定義，數據表提供的是系統“標稱(chēng)”的時(shí)鐘速度(位于最大和最小指標之間)，是構成整體系統的設備選擇的內在特性。在分析系統總時(shí)序預算的時(shí)候，會(huì )發(fā)現標稱(chēng)數值與總時(shí)序預算數值之間存在一定的性能差或者頻率差。系統電壓與溫度都會(huì )影響總時(shí)序預算，為了獲得一致性的結果，必須考慮這些影響因素。

始終裕度

時(shí)鐘裕度(clock margining)也是一個(gè)有趣的術(shù)語(yǔ)。其含義包含的不僅僅是超頻的概念。時(shí)鐘裕度的概念是指我們通過(guò)全面的回歸測試、根據總時(shí)序預算數據來(lái)探索并得出系統的穩定性參數。通過(guò)時(shí)鐘裕度，讓小部分軟件超頻運行，能全面了解系統的工作性能極限?？稍诋a(chǎn)品壽命周期中隔一定時(shí)期就進(jìn)行一次時(shí)鐘裕度檢測，了解實(shí)際性能與標稱(chēng)性能的差別，從而了解產(chǎn)品性能變化的趨勢。這種趨勢有助于估計系統什么時(shí)候會(huì )達到壽命終點(diǎn)。系統制造后不久，會(huì )進(jìn)行一次參照時(shí)鐘裕度性能差檢測，這通?？山⑵鹨粋€(gè)極限性能基準。隨著(zhù)產(chǎn)品的老化，在實(shí)際的測試中首次極限性能與標稱(chēng)的差距最大，以后每次檢測都會(huì )發(fā)現差距在縮小。

系統老化

系統老化這是一個(gè)老生常談的問(wèn)題了，也是一個(gè)有趣的問(wèn)題。世界上沒(méi)有完美的產(chǎn)品，硅芯片制造也一樣。硅芯片的封裝會(huì )對產(chǎn)品使用壽命產(chǎn)生很大影響，因為封裝技術(shù)密封性不好，硅芯片會(huì )暴露于外界環(huán)境。從硅芯片的角度來(lái)說(shuō)，熱載流子注入的自然效應與電子移動(dòng)的細微效果會(huì )對系統產(chǎn)生影響。熱量會(huì )加速硅芯片的老化。老化作為一種靈敏度參數來(lái)說(shuō)，則體現在總時(shí)序預算數據上。通過(guò)超頻與降頻對比，發(fā)現超頻對系統產(chǎn)生的壓力最大，這也是性能差分析的基本方法。

時(shí)鐘裕度的實(shí)施

上面談?wù)摿诉@么多關(guān)于時(shí)鐘裕度技術(shù)的話(huà)題，那么怎樣才能實(shí)施時(shí)鐘裕度技術(shù)呢？首先，我們要知道，最先進(jìn)的系統通常包括眾多時(shí)鐘源。在多數情況下，時(shí)鐘間存在相互依賴(lài)的關(guān)系，但有時(shí)也會(huì )存在獨立的時(shí)鐘?，F在，常見(jiàn)的時(shí)鐘源通常采用鎖相環(huán)技術(shù)，確保噪聲最小化，這使得新一代鎖相環(huán)技術(shù)產(chǎn)生的時(shí)鐘源具有較小的抖動(dòng)，同時(shí)在相位噪聲性能方面優(yōu)于固定的時(shí)鐘源。鎖相環(huán)通常作為帶可編程分壓器的時(shí)鐘合成器，可支持多種時(shí)鐘輸出的合成，而且相互依賴(lài)的不同時(shí)鐘之間可建立不同的“分頻比”。分頻比是PC時(shí)鐘領(lǐng)域的過(guò)時(shí)術(shù)語(yǔ)，但對任何相互依賴(lài)的時(shí)鐘問(wèn)題來(lái)說(shuō)仍然適用。

為了成功實(shí)現時(shí)鐘裕度功能，其必須內置頻率調節的功能。變頻功能在實(shí)際上可能比最初設想的要更困難，因為我們必須全面了解鎖相環(huán)技術(shù)的性能，不僅要了解工作期間可以實(shí)現的目標頻率，還要了解不同反饋編程條件下的相位噪聲與抖動(dòng)性能?；跁r(shí)域的抖動(dòng)是我們需要了解的重要內容，這樣才能確保不同頻率之間的一致性(不能突然斷開(kāi))，否則系統的穩定性分析就會(huì )出錯。如果發(fā)生了不連續的抖動(dòng)情況，也不會(huì )出現太大麻煩，可以通過(guò)多個(gè)特定的輸出頻率開(kāi)槽或所需的分頻比來(lái)解決。此外，應當確保開(kāi)槽不要在頻率變化期間進(jìn)行，除非鎖相環(huán)的設置在CPU對任何形式的開(kāi)槽和短脈沖不敏感的間隔中進(jìn)行。

確?？倳r(shí)序預算正確的技巧就是，應當了解哪些頻率范圍表現較好，這樣就能小心地通過(guò)逐步逼近的辦法接近總時(shí)序預算目標，而每一步的變化量可能有差別。如果頻率變化較大，那么通常會(huì )導致總時(shí)序預算差別結果較小?？倳r(shí)序預算邊界檢測要求最終肯定要突破系統的界限，然后重啟并略微后退一些，直至獲得滿(mǎn)意的一致性閾值為止。有許多沒(méi)有文件記載的“小竅門(mén)”可以完成此項工作。建立系統總時(shí)序預算的關(guān)鍵就是一致性與可重復性。

正如前面簡(jiǎn)單談到的那樣，執行時(shí)鐘裕度工作所發(fā)現的最重要信息就是在產(chǎn)品投入使用后估算出實(shí)際的產(chǎn)品使用壽命終結時(shí)間。本文分析的目的就是要通過(guò)時(shí)鐘裕度來(lái)計算產(chǎn)品的標稱(chēng)性能與總時(shí)序預算之間的差異，以備后續之需。在幾周、幾個(gè)月乃至幾年的時(shí)間里，投入實(shí)際使用的產(chǎn)品運行相同的回歸進(jìn)程，重復計算性能差異。我認為，能夠體現產(chǎn)品使用壽命結束的情況就是在性能差為零或為負值。這并不是說(shuō)系統出現故障，而只是說(shuō)沒(méi)有性能差了，說(shuō)明產(chǎn)品已經(jīng)到了使用壽命的終點(diǎn)。無(wú)論采用何種產(chǎn)品支持方式，如果性能差為零，則說(shuō)明產(chǎn)品的使用壽命已經(jīng)結束了，這一信息對那些需要全天候持續工作的系統來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。如圖1所示，根據歷史性能差信息預測出了性能差為零的時(shí)間。通過(guò)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性分析或非線(xiàn)性曲線(xiàn)分析，可以估計得出產(chǎn)品使用壽命結束的時(shí)間。

圖 1：系統使用壽命估算分析圖。

在溫度與電壓等外部因素已知、記錄且匹配的情況下進(jìn)行未來(lái)回歸檢測，確保符合時(shí)鐘裕度技術(shù)的準確性。圖1顯示了超頻工作情況下的時(shí)鐘裕度性能差為正值的變化圖，此原理也適用于降頻工作的情況。不過(guò)，在降頻工作情況下，性能差的變動(dòng)不會(huì )太大且基本保持穩定。這里將降頻工作情況下的時(shí)鐘裕度差值設為正值。

在時(shí)鐘裕度技術(shù)的實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)不斷調整來(lái)修正鎖相環(huán)時(shí)鐘源或其他時(shí)鐘源。圖2顯示了一個(gè)采用時(shí)鐘裕度技術(shù)的簡(jiǎn)單的鎖相環(huán)進(jìn)程的一級方案。管理系統的最佳方法之一，就是采用看門(mén)狗計時(shí)器，成功完成回歸檢測后，軟件就會(huì )重新設置計時(shí)器，而系統故障則會(huì )導致看門(mén)狗計時(shí)器超時(shí)。反復進(jìn)行上述工作，重復檢測回歸計算，存儲鎖相環(huán)頻率內容，進(jìn)程不斷重復進(jìn)行直到出現故障。如前所述，不斷趨近總時(shí)序預算極限的過(guò)程中，可以了解鎖相環(huán)參數與系統步進(jìn)變化大小的靈敏度，越接近總時(shí)序預算標準極限，步進(jìn)改變就越小。這樣，就要多次循環(huán)上述工作，直到取到最后一次成功檢測參數為止，超過(guò)這個(gè)回歸檢測界限，系統就會(huì )出故障。因此最后一個(gè)已知的成功回歸檢測結果就是總時(shí)序預算的極限。

圖 2：采用時(shí)鐘裕度技術(shù)的簡(jiǎn)單的鎖相環(huán)進(jìn)程。

本文小結

測試時(shí)鐘裕度性能差的過(guò)程，也就是了解總時(shí)序預算極限的過(guò)程，對了解如何發(fā)掘系統的全部潛力很有用。時(shí)鐘裕度技術(shù)有助于找到系統最薄弱的環(huán)節，還能不斷調節并創(chuàng )建一個(gè)匹配的系統，以防止系統超過(guò)總時(shí)序預算極限發(fā)生災難性后果?？倳r(shí)序預算可以幫助我們明確時(shí)鐘裕度性能差，估算出產(chǎn)品投入使用后的使用壽命。為了實(shí)現上述功能，時(shí)鐘裕度技術(shù)的核心就是可編程的鎖相環(huán)。通過(guò)參考PLL環(huán)路編程進(jìn)程的有關(guān)討論，驗證了使用硬件計時(shí)器與非易失性存儲設備有助于簡(jiǎn)化管理工作，明確總時(shí)序預算極限。