給芯片當(dāng)“健康顧問”
CPU芯片是現(xiàn)代信息技術(shù)的引擎，是數(shù)據(jù)處理的核心。我們生活中用到的電腦、智能手機、電視機、電冰箱、汽車……其中都有芯片的身影，它的質(zhì)量直接關(guān)系到千家萬戶的日常生活。
如今，芯片使用量正在呈指數(shù)級增長,對其質(zhì)量的要求也越來越高。驗證、測試和容錯技術(shù)則是芯片質(zhì)量保障的三道技術(shù)關(guān)卡。
中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所，計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室常務(wù)副主任李曉維研究員帶領(lǐng)團隊自2000年起，在科技部、國家自然科學(xué)基金委和北京市科委相關(guān)項目的資助下，緊密結(jié)合國產(chǎn)高性能CPU芯片的研制，實現(xiàn)了測試驗證和片上容錯設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)的突破。系列研究成果曾獲國家技術(shù)發(fā)明獎和國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎，最新研究成果已在多款高性能CPU的設(shè)計驗證、測試與容錯設(shè)計中轉(zhuǎn)化應(yīng)用，并獲得了2017年度北京市科學(xué)技術(shù)獎二等獎。
芯片也有“生病煩惱”
芯片雖然沒有生命，但也和其它生命體一樣面臨可靠性問題，通俗可以理解為芯片的“健康”問題。
修復(fù)軟件的故障（通常稱之為Bug）可以通過修改源代碼來實現(xiàn)，但是芯片的故障就不那么容易修復(fù)了。
例如在芯片設(shè)計的過程中可能會由于考慮不周，導(dǎo)致制造出的芯片發(fā)生功能故障。制造的過程中也會遭受芯片缺陷，導(dǎo)致邏輯正確的芯片仍然不能成為合格的產(chǎn)品，即便在服役期也會由于一些物理機理的作用產(chǎn)生老化等問題。
就像我們通過體檢可以查驗出身體可能會出現(xiàn)的健康問題一樣，對于芯片來說，“體檢”也是十分有必要的。
“簡單地說，設(shè)計過程中的問題需要通過驗證的方法來解決，制造過程中遭受的一些隨機雜質(zhì)等因素造成的缺陷可以通過芯片測試來篩除，而服役期的可靠性則必須通過設(shè)置一定的容錯機制來保障了?！崩顣跃S說。
這在很多特殊的應(yīng)用領(lǐng)域具有非常重要的意義，也對芯片設(shè)計正確性的驗證和制造缺陷的檢測提出了迫切的需求。例如飛行在深空的航天裝備中的芯片如果出了問題很難更換，所以對可靠性的要求尤其嚴(yán)苛。
給芯片做“產(chǎn)檢”
要想讓CPU芯片一出生就“健康茁壯”，在芯片的IC設(shè)計階段，就要通過設(shè)計驗證來檢驗設(shè)計方案是否符合規(guī)范，發(fā)現(xiàn)不同設(shè)計階段引入的設(shè)計Bug。
“芯片作為人類工業(yè)史上最復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)之一，設(shè)計驗證是其設(shè)計流程中的瓶頸，復(fù)雜芯片設(shè)計驗證所投入的人員和時間都已超過設(shè)計本身。”李曉維說。
測試和驗證是非常重要的環(huán)節(jié)。如果測試和驗證的環(huán)節(jié)有問題，將會導(dǎo)致有問題的處理器芯片組裝到系統(tǒng)里，將可能造成巨大的經(jīng)濟損失。
例如，1994年Intel奔騰芯片的浮點除法錯誤，使Intel公司損失近5億美元，就是因為芯片在投產(chǎn)前未能保證設(shè)計的正確性，事后又未能測試出該問題。
據(jù)介紹，測試驗證使用的最主要的方法是模擬。該方法主要的難點在于輸入的數(shù)量巨大，想要完全地測試驗證處理器，需要的時間非常長。為了加速測試驗證的過程，需要把輸入進(jìn)行分類，僅挑選每一類中的代表對處理器進(jìn)行測試驗證。
但處理器的設(shè)計非常復(fù)雜，輸入的組合和分類情況同樣是極其復(fù)雜的。于是，項目研發(fā)團隊對測試驗證的方法進(jìn)行探索，提出了一系列形式化和半形式化的方法解決了這一難題。
