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Articoli di approfondimento - Eliminare le strozzature della verifica dei guasti nella produzione di chip

Un team di ricercatori finanziati dall'UE ha sviluppato una tecnologia innovativa per eliminare uno dei maggiori ostacoli nello sviluppo di chip per computer sempre più avanzati: il processo costoso e lungo della prova e verifica dei guasti. L'approccio olistico per rilevare e risolvere gli errori nei chip, o "circuiti integrati" (CI), promette di accelerare la produzione di chip, di risparmiare denaro e ridurre drasticamente il costo delle apparecchiature e dei dispositivi elettronici.
Articoli di approfondimento - Eliminare le strozzature della verifica dei guasti nella produzione di chip
"Fino a qualche decennio fa i chip di silicio erano notevolmente meno complessi rispetto ad oggi. Da allora, sono stati prodotti miliardi di transistor. Tali chip sono difficili da progettare, ma ancora più difficili da collaudare e verificare. Il collaudo e la verifica sono chiaramente diventati il collo di bottiglia del processo di sviluppo", spiega il dottor Jaan Raik, professore di verifica dei sistemi digitali presso il Dipartimento di ingegneria informatica del Politecnico di Tallinn, in Estonia.

Un progetto PROSYD, finanziato dall'UE, ha effettuato un'ampia ricerca sui processi di produzione dei chip e ha trovato che il 40 % dell'intero ciclo di progettazione CI è dedicato a individuare e correggere gli errori causati da un'erronea progettazione.

Negli ultimi anni sono emersi numerosi approcci di prova e verifica, i quali, mentre sono in grado di individuare la presenza di anomalie, di solito non riescono a rilevare la causa principale di un errore.

"Per il progettista non è soltanto utile sapere che il chip non funziona, occorre anche individuare il guasto e, in ultima analisi, correggerlo. A questi ultimi compiti è stata rivolta relativamente poca attenzione", spiega il dott. Raik.

Fino ad ora. Nel corso di tre anni un consorzio di università e aziende di tecnologia ha collaborato nel progetto DIAMOND ("Diagnosis, error-modelling and correction for reliable systems design") per sviluppare modelli e tecnologie innovative per testare, individuare, verificare e, soprattutto, correggere gli errori dei CI. Il loro approccio, sostenuto dalla Commissione europea con quasi 2,9 milioni di euro di finanziamenti, segna un importante passo in avanti per l'industria dei semiconduttori, offrendo potenzialmente enormi riduzioni di tempo e costi se attuate ampiamente.

Un approccio olistico con triplici benefici

Secondo il progetto, la progettazione moderna di un microprocessore costa circa 60 milioni di euro, ma se il rilevamento degli errori e il processo di correzione potrebbero essere accelerati mediante l'automazione, questi costi potrebbero essere ridotti di 15 milioni di euro. Il dott. Raik, che ha coordinato DIAMOND, spiega che il contributo del progetto per risolvere la sfida di rilevazione e correzione degli errori CI è triplice.

"In primo luogo, è stato sviluppato un modello olistico per diversi tipi di errori, sulla base del quale, gli stessi motori di localizzazione possono essere utilizzati per progettare errori, errori soft e difetti. In secondo luogo, sono stati sviluppati metodi più efficienti di localizzazione e correzione automatizzata. È stata dedicata particolare attenzione agli approcci a livello di sistema per i quali il precedente lavoro di ricerca era stato inadeguato. In terzo luogo, sono stati sviluppati approcci di debug in-situ post-silicio, i quali prolungano la durata dei chip di silicio localizzandone e isolandone le regioni difettose", afferma il dott. Raik.

Il team ha creato un sistema open source per la localizzazione e correzione degli errori a livello di progettazione di sistema chiamato Forensic ("Formal repair environment for simple C"), sviluppato congiuntamente dal Politecnico di Graz, l'Università di Brema e il Politecnico di Tallinn, con una seconda versione rilasciata lo scorso dicembre.

Per rilevare e correggere gli errori a livello di registro-trasferimento, i ricercatori di DIAMOND hanno utilizzato un sistema di elaborazione di progettazione chiamato zamiaCAD, una piattaforma open-source altamente scalabile che può facilmente gestire grandi sistemi commerciali, come ad esempio quelli utilizzati da uno dei partner industriali del progetto, la IBM. Oltre a quella piattaforma, il team ha implementato nuovi metodi di localizzazione degli errori in grado di rilevare errori di progettazione in progetti di tali grandi dimensioni.

Inoltre, poiché i cosiddetti errori soft - come ad esempio quelli causati dagli effetti delle radiazioni - stanno diventando sempre più un problema nelle nuove tecnologie su scala nanometrica, la IBM e l'Università di Brema hanno sviluppato congiuntamente la simulazione efficiente e approcci di controllo delle vulnerabilità di tali guasti. Nel frattempo, la Ericsson, l'Università di Linköping e Testonica, la società estone di "automazione della progettazione elettronica" (electronic design automation, EDA) hanno progettato un sistema di gestione di guasti post-silicio per estendere la durata dei futuri chip.

"Le innovazioni principali del progetto DIAMOND sono la gestione olistica dei diversi tipi di guasti, nonché i nuovi motori per la localizzazione e la correzione di errori a livello di sistema, per l'analisi di errori soft e per la gestione dei guasti", riassume il dott. Raik.

Un aumento dell'efficienza quasi quadruplo

Si ottiene una maggiore efficienza dei processi utilizzati per trovare e correggere gli errori.

"A livello di sistema, Forensic è riuscito a correggere il 60 % dei progetti di riferimento, rispetto al 16 % con gli strumenti precedenti", fa notare il coordinatore del progetto. "A livello di registro-trasferimento abbiamo effettuato un caso di studio su un progetto di processore reale. Abbiamo collaborato con un team di progettazione di TU Ilmenau che gentilmente ci ha fornito i casi documentati di bug. I metodi DIAMOND sono stati in grado di individuare tutti i bug in un paio di minuti, contro le diverse ore necessarie per la localizzazione manuale".

Questi nuovi e più efficienti metodi di correzione di errori permettono un enorme risparmio. La IBM stima che potrebbero essere risparmiati 15 milioni di euro per progetto di chip se vengono raddoppiate la diagnosi dei guasti e l'efficienza delle correzioni. Per un consumatore, in definitiva, significa che i prodotti elettronici saranno più economici e più sicuri.

In seguito al successo di DIAMOND, tre delle organizzazioni partner del progetto si stanno preparando a lanciare BASTIONE, un progetto di follow-up per migliorare ulteriormente la loro tecnologia di rilevamento guasti, il quale ha anche ottenuto finanziamenti dalla Commissione europea.

La IBM ha depositato finora due brevetti su tecnologie sviluppate da DIAMOND e continua a sfruttare i risultati all'interno del progetto, tra cui l'applicazione con successo degli strumenti di prova e verifica in progetti di design. Anche Ericsson, un altro partner del progetto, sta sfruttando i risultati internamente e sta applicando la nuova tecnologia di gestione dei guasti nello sviluppo di prodotti.

Le società di automazione della progettazione elettronica TransEDA e Testonica - essa stessa una spin-off del gruppo di ricerca presso il Politecnico di Tallinn - hanno incluso gli strumenti di diagnosi degli errori nella loro gamma di prodotti. Testonica ha depositato un brevetto per le tecnologie sviluppate in DIAMOND.

Nel frattempo, alcuni dei risultati sono stati presentati al produttore di chip Intel e varie PMI hanno espresso il loro interesse.

"L'interesse esterno è stato molto forte", osserva il dott. Raik. "C'è una chiara tendenza verso modelli multi-core, dovuta principalmente alla necessità di tenere sotto controllo la dissipazione di potenza dei chip futuri. Pertanto, ritengo che prova, affidabilità e progettazione diventeranno più intrecciate all'interno dei sistemi multi-core. Infatti, la regolarità e modularità intrinseche delle architetture multi-core offrono nuove opportunità per il collaudo, la verifica e la progettazione".

Forte di questi risultati, il lavoro del progetto potrebbe accorciare i tempi di progettazione, produzione e commercializzazione dei nuovi chip, accelerando l'innovazione dei dispositivi elettronici e portando a una riduzione dei prezzi delle apparecchiature elettroniche.

DIAMOND ha ricevuto finanziamenti per la ricerca attraverso il Settimo programma quadro (7° PQ) dell'Unione europea.

Collegamento al progetto su CORDIS:

- 7° PQ su CORDIS
- Scheda informativa del progetto DIAMOND su CORDIS

Collegamento al sito web del progetto:

- Sito web del progetto "Diagnosis, error modelling and correction for reliable systems design"

Collegamento a video correlati:

- Video del progetto DIAMOND

Altri collegamenti:

- Sito web dell'Agenda digitale della Commissione europea

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