利用時鐘裕度技術早期故障預測

系統老化

系統老化這是一個老生常談的問題了，也是一個有趣的問題。世界上沒有完美的產品，硅芯片制造也一樣。硅芯片的封裝會對產品使用壽命產生很大影響，因為封裝技術密封性不好，硅芯片會暴露于外界環境。從硅芯片的角度來說，熱載流子注入的自然效應與電子移動的細微效果會對系統產生影響。熱量會加速硅芯片的老化。老化作為一種靈敏度參數來說，則體現在總時序預算數據上。通過超頻與降頻對比，發現超頻對系統產生的壓力最大，這也是性能差分析的基本方法。

時鐘裕度的實施

上面談論了這么多關于時鐘裕度技術的話題，那么怎樣才能實施時鐘裕度技術呢？首先，我們要知道，最先進的系統通常包括眾多時鐘源。在多數情況下，時鐘間存在相互依賴的關系，但有時也會存在獨立的時鐘。現在，常見的時鐘源通常采用鎖相環技術，確保噪聲最小化，這使得新一代鎖相環技術產生的時鐘源具有較小的抖動，同時在相位噪聲性能方面優于固定的時鐘源。鎖相環通常作為帶可編程分壓器的時鐘合成器，可支持多種時鐘輸出的合成，而且相互依賴的不同時鐘之間可建立不同的“分頻比”。分頻比是PC時鐘領域的過時術語，但對任何相互依賴的時鐘問題來說仍然適用。

為了成功實現時鐘裕度功能，其必須內置頻率調節的功能。變頻功能在實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技術的性能，不僅要了解工作期間可以實現的目標頻率，還要了解不同反饋編程條件下的相位噪聲與抖動性能。基于時域的抖動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)，否則系統的穩定性分析就會出錯。如果發生了不連續的抖動情況，也不會出現太大麻煩，可以通過多個特定的輸出頻率開槽或所需的分頻比來解決。此外，應當確保開槽不要在頻率變化期間進行，除非鎖相環的設置在CPU對任何形式的開槽和短脈沖不敏感的間隔中進行。

確保總時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逐步逼近的辦法接近總時序預算目標，而每一步的變化量可能有差別。如果頻率變化較大，那么通常會導致總時序預算差別結果較小。總時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，直至獲得滿意的一致性閾值為止。有許多沒有文件記載的“小竅門”可以完成此項工作。建立系統總時序預算的關鍵就是一致性與可重復性。

正如前面簡單談到的那樣，執行時鐘裕度工作所發現的最重要信息就是在產品投入使用后估算出實際的產品使用壽命終結時間。本文分析的目的就是要通過時鐘裕度來計算產品的標稱性能與總時序預算之間的差異，以備后續之需。在幾周、幾個月乃至幾年的時間里，投入實際使用的產品運行相同的回歸進程，重復計算性能差異。我認為，能夠體現產品使用壽命結束的情況就是在性能差為零或為負值。這并不是說系統出現故障，而只是說沒有性能差了，說明產品已經到了使用壽命的終點。無論采用何種產品支持方式，如果性能差為零，則說明產品的使用壽命已經結束了，這一信息對那些需要全天候持續工作的系統來說是至關重要的。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間。通過簡單的線性分析或非線性曲線分析，可以估計得出產品使用壽命結束的時間。

圖 1：系統使用壽命估算分析圖。