利用時鐘裕度技術實現系統邊界穩定性與早期故障預測

計算機領域的超頻技術已存在多年，其目的就是有意識地讓系統超越工作極限，實現最大性能，但這通常會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除了影響系統穩定性之外一文不值，但實際它也有一些潛在的好處：可以為我們確定實際系統總時序預算(TTB)裕度以及估算產品現場使用壽命提供有益信息。超頻技術正在發展為一種稱為“時鐘裕度”的新技術，該技術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鐘源來實現時鐘裕度技術，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所謂加速模式(turbo mode)按鍵。我喜歡按下加速模式按鍵，并觀察顯示數字的變化。可這些數字到底意味著什么呢？按下這個按鍵，首先是自我感覺良好，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值2500美元。我也很清楚，要是覺得加速模式下性能不穩定，那么總可以返回正常模式，以確保整個系統的穩定性。坦率地說，實際上我從未在正常模式下工作過，相信其他人也一樣。當然，加速模式是一柄雙刃劍，人們一直批評它會造成系統崩潰，而且還會擔心一旦風扇失靈，就會把CPU燒壞報廢掉。

實際上，過去的加速模式就是我們今天所說的超頻技術。其實基本概念并沒變，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。想到超頻技術時，總是自然而然地想到PC。除了超頻技術帶來的問題之外，能不能通過超頻技術(即以超頻為工具)找到系統的弱點呢？能不能通過一種結構化的“試驗設計”，讓邏輯中最薄弱的一環自動暴露出來呢？能不能通過超頻技術來準確判斷系統穩定與不穩定的確切臨界點呢？我們的分析還會不會提供一些隱性的有價值信息，有助于推測系統老化影響帶來的早期故障問題？如果認為超頻的好處是讓系統達到穩定工作的極限，那么降頻又會怎么樣呢？通常認為超頻主要就是修改設置時間，而降頻就是修改保存時間。要討論超頻或降頻，就需要給系統“標稱”響應定義一個參考基準。系統設計人員應當根據系統組件數據表提供的有關制造規范建立一個標稱響應的標準。

總時序預算

首先介紹一些涵蓋關于超頻概念的新術語。總時序預算(TTB)與超頻系統的穩定性條件密切相關。總時序預算是指系統能夠實現的性能。根據這個定義，我們可以明確理性條件下系統的邊界時序性能限定。總時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的體驗效果。我們往往要通過實踐分析來獲得總時序預算參數，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”的時鐘速度(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。在分析系統總時序預算的時候，會發現標稱數值與總時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影響總時序預算，為了獲得一致性的結果，必須考慮這些影響因素。

始終裕度

時鐘裕度(clock margining)也是一個有趣的術語。其含義包含的不僅僅是超頻的概念。時鐘裕度的概念是指我們通過全面的回歸測試、根據總時序預算數據來探索并得出系統的穩定性參數。通過時鐘裕度，讓小部分軟件超頻運行，能全面了解系統的工作性能極限。可在產品壽命周期中隔一定時期就進行一次時鐘裕度檢測，了解實際性能與標稱性能的差別，從而了解產品性能變化的趨勢。這種趨勢有助于估計系統什么時候會達到壽命終點。系統制造后不久，會進行一次參照時鐘裕度性能差檢測，這通常可建立起一個極限性能基準。隨著產品的老化，在實際的測試中首次極限性能與標稱的差距最大，以后每次檢測都會發現差距在縮小。

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。

在溫度與電壓等外部因素已知、記錄且匹配的情況下進行未來回歸檢測，確保符合時鐘裕度技術的準確性。圖1顯示了超頻工作情況下的時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，在降頻工作情況下，性能差的變動不會太大且基本保持穩定。這里將降頻工作情況下的時鐘裕度差值設為正值。

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

圖 2：采用時鐘裕度技術的簡單的鎖相環進程。

本文小結

測試時鐘裕度性能差的過程，也就是了解總時序預算極限的過程，對了解如何發掘系統的全部潛力很有用。時鐘裕度技術有助于找到系統最薄弱的環節，還能不斷調節并創建一個匹配的系統，以防止系統超過總時序預算極限發生災難性后果。總時序預算可以幫助我們明確時鐘裕度性能差，估算出產品投入使用后的使用壽命。為了實現上述功能，時鐘裕度技術的核心就是可編程的鎖相環。通過參考PLL環路編程進程的有關討論，驗證了使用硬件計時器與非易失性存儲設備有助于簡化管理工作，明確總時序預算極限。