Custom hardware optimizations for reliable and high performance computer architectures

Son yıllarda, Yapay Zeka (AI) ve Nesnelerin İnterneti (IoT) gibi büyük bir yenilik dalgasına tanık olduk. Bu akımda, yazılım araçları sürekli artan işlem gücü talep ediyor ve bu artık geleneksel işlemciler tarafından karşılanamıyor. Bu ihtiyaca yanıt olarak, Grafik İşleme Üniteler (GPU'lar), Alanda Programlanabilir Kapı Diziler (FPGA'lar) ve Yapay Zeka (AI) hızlandırıcılar dahil olmak üzere çok çeşitli donanımlar her gün piyasaya sürülüyor. Öte yandan, donanım platformları daha yüksek performans talebi nedeniyle daha fazla güce aç hale gelirken, eşzamanlı olarak transistör boyutunun küçülmesi ve voltajın azaltılması, devrelerde her zaman güvenilirlik endişelerini arttırmıştır. Bu, özellikle bir hatanın felaketle sonuçlanabileceği ulaşım ve havacılık endüstrileri gibi hataya duyarlı uygulamalar için geçerlidir. Güvenilirlik konularının, sert çevre koşulları gibi başka nedenleri de olabilir. Modern elektronik devrelerin bu iki sorunu, yani aynı anda daha yüksek performans ve güvenilirlik ihtiyacı, uygun çözümler gerektirir. FPGA'lar gibi yeniden yapılandırılabilir devrelere dayalı tasarım veya genel amaçlı işlemciler gibi Piyasadan Hazır Temin Edilebilen (COTS) bileşenlere dayalı tasarım uygun bir yaklaşım olabilir, çünkü bu platformlar çok çeşitli uygulamalarda kullanılabilir. Bu bağlamda, bu tezde üç çözüm önerilmiştir. Bu çözümler, 1) yedekli işlemciler kullanarak sistem düzeyinde güvenlik ve güvenilirliği, 2) birden çok hızlandırıcı kullanarak mimari düzeyinde performansı ve 3) yedekli transistörlerin kullanımıyla devre düzeyinde güvenilirliği hedefler. Özel olarak, ilk çalışmada, Piyasadan Hazır Temin Edilebilen (COTS) işlemcileri kullanarak güvenlik açısından kritik bilgisayarların tasarımında bazı yaygın paramet\-relerin katkısı tartışılmıştır. Yedekli mimariler Markov zinciri kullanılarak mo\-dellenmiştir ve sistem güvenliğinin parametrelere duyarlılığı analiz edilmiştir. En önemlisi, bu tür sistemlerde Yaygın Neden Arızalarının (CCF'ler) önemli varlığı araştırılmıştır. İkinci çalışmada, Yüksek Seviyeli Sentez (HLS) tabanlı, FPGA hız\-landırmalı, yüksek verimli / iş verimli, sentezlenebilir şablon tabanlı grafik işleme ünitesinin tasarımı ve uygulaması sunulmuştur. Bu ünite yazılım programcıları için bile FPGA ile kolay programlayabilme için basitleştirilmiştir. Sunulan yapı, yinelemeli grafik algoritmalarını uygulamak için özel olarak Intel'in son teknoloji ürünü Xeon + FPGA platformunda denenmiştir. Yüksek verimli boru hattının yanı sıra, iş verimli mod, yeni bir etkin liste tasarımıyla toplam grafik işleme süresini önemli ölçüde azaltır. Üçüncü çalışmada, güvenilirlik ve bellek boyutu arasında tercih yapmak için devre düzeyinde yeni bir teknik olan Ortak SRAM hücresi tanıtılmıştır. Bu fikir, ön-bellek, kayıt dosyası, FPGA BRAM veya FPGA arama tablosu (LUT) ve hatta mandallar ve Flip-Floplar gibi herhangi bir SRAM yapısı için de uygulanabilir. Hataya eğilimli koşullarda, yapı, dört hücrenin bir büyük ve sağlam bellek biti oluşturmak üzere devre seviyesinde birleştirileceği şekilde yapılandırılabilir. Üçlü Modüler Yedeklilik (TMR) gibi yaygın donanım yedekliliği tekniklerinin aksine, belirgin bir seçim ünitesi yoktur. Çözüm, temel olarak, güvenilir modun otomatik düzeltme ve tek hatalara karşı tam bağışıklık sağlayabildiği geçici hatalara odaklanır.