面向芯片級自修復的胚胎電子電路設計與實現

王群

摘 要：該文以胚胎電子電路的相關理論為前提，探討了自修復數字電路的設計方法和實現方式，同時對其邏輯塊、配置寄存器和自修復輔助電路進行粗略的研究。

關鍵詞：芯片級自修復技術 胚胎電子電路 設計

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（b）-0042-01

1 胚胎電子電路的基本原理及結構模塊

1.1 胚胎電子電路的基本原理

追根溯源，自修復機制和胚胎電子電路的結構最初都是來源于人們對多細胞生物體活動的相關研究，可以說它是生物電子學的一個重要組成部分。它所采用的是二維陣列的結構，細胞是其組成陣列的基本單元，陣列結構中多余的細胞能夠模擬新細胞，從而把配置信息模擬成生物體的遺傳物質，而這每個細胞的內部結構又是相同的，主要包括功能電路和自修復輔助電路兩大部分。

事實上，多細胞生物體是由多個分化的細胞組成的生物體，其分化的細胞各有不同，都具有獨特的、專門的功能，屬于較為復雜的系統，在這個系統發生局部問題時，生物體往往能夠實現自愈，也就是具有自修復能力。所以，我們可以利用功能復制來取代那些損壞或死去的細胞，而且是通過細胞級實施自主修復。

1.2 胚胎電子電路的結構模塊

（1）功能電路模塊，胚胎電子電路中的功能電路主要由邏輯塊、換向塊以及配置寄存器三部分組成。那么，這三個部分負責的內容是什么呢？首先，邏輯塊負責完成和實現數字電路的邏輯功能；其次，換向塊是用來改變和調整信息傳播的方向的，它還能有效地實現細胞單元間邏輯塊的互聯，從而形成一種十分復雜的數字電路；最后，配置存儲器則能夠較好地存儲每個細胞的配置信息，其輸出連接邏輯塊和換向塊，這樣邏輯塊便具有可編程能力，能夠隨時改變細胞和相鄰細胞的連接關系。

（2）自修復輔助電路，胚胎電子電路中的自修復輔助電路可以形象地比喻為細胞中一元自主修復的“指揮中心”，它的設計需要和功能電路、自修復機理直接相互協調。在細胞邏輯出現故障的時候開啟自修復機制，同時產生相應的狀態控制信息對其他模塊加以控制，讓其他正常細胞繼續執行任務，這樣使得整個系統得以恢復正常運行。

2 面向芯片級自修復的胚胎電子電路設計與實現

2.1 邏輯塊的設計與實現

當前，我們常見的邏輯塊結構有兩種，即基于多路選擇器和查找表。前者具有失效率低和結構簡單的優勢，然而每個細胞的功能性較弱。我們知道，大量細胞的邏輯塊互相連接就可以實現復雜的系統功能，但是它的布線并不簡單，不能適用于大規模電路的實現。近些年，在以太網供電工程的細胞設計中長期采用基于四輸入一輸出的顯示查找表結構，實現了任意的數字邏輯，然而對于較大規模電路設計時仍有諸多不足，主要表現為資源的大量浪費。鑒于此，下面筆者對邏輯塊的結構進行了改進，有效節省了大量資源，也極大地增強了細胞設計的靈活性。

對于改進后的邏輯塊內部電路結構，此處的邏輯塊由四個兩輸入顯示查找表和D觸發器組合而成。顯示查找表主要負責實現組合邏輯的功能，其個個輸入端連接著多路選擇器，可作為選擇開關，同時也能夠對控制信號進行約束和控制，從而實現了相鄰細胞邏輯塊之間的連接。而D觸發器以顯示查找表的輸出為輸入，可以有效實現時序電路。

根據研究結果顯示，如果要確定一個細胞邏輯塊實現的邏輯功能，我們至少需要18位控制配置位。結合顯示查找表的內容寫入方式，筆者給出了兩種邏輯塊結構：一是直接把邏輯功能的真值表寫入其中；另一種是可重寫入的邏輯塊結構。

2.2 換向塊的設計與實現

換向塊的結構主要由八個八選一多路選擇器組成，它能夠全方位地改變信號傳播方向，它在上下左右四個方向上分別有兩根輸入線以及輸出線，并且各個方向的輸出根據配置位決定對八路輸入中任何一路進行輸出，同時和相鄰細胞的換向塊對應多路器輸入相接。

2.3 配置存儲器的設計與實現

不難發現，細胞的邏輯塊和換向塊配置位往往能夠決定配置存儲器的單元內容。根據它們的結構形式，筆者給出了所有配置位的順序，如下圖所示（其中數字表示比特位的順序，下方注釋是相應的配置信息）。

2.4 自修復輔助電路的設計與實現

值得注意的是，上述模塊要想完全實現自修復的功能，還不得不加入自修復輔助電路設計。當然，在不同的自修復機制情況下，它的電路設計也會有所不同。現階段，很多電路設計都是基于列移除機制的，它考慮的是列移除的缺點，主要有兩種方案可供參考：（1）為了增強細胞結構的通用性，可以考慮采用基于查找表型的配置存儲器的自修復輔助電路設計方式；（2）可以考慮基于移位寄存器型的設計方式，總體來說，兩種方案都是可行的，需結合實際情況進行取舍。

3 結語

該作者認為，未來若胚胎電子陣列能夠做成一種可自修復通用芯片，那么希望能在該芯片的處理復雜邏輯功能和電路優化設計等方面努力，要進一步發展胚胎電子陣列應用系統的多目標設計技術，并且真正實現智能布線，最終實現大規模電路的自動布局布線。

參考文獻

[1] 張媛.面向芯片級自修復的胚胎電子電路設計與實現[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[2] 胡澤文，肖明清.基于胚胎電子電路的自修復數字電路研究[J].計算機測量與控制，2012（8）：2300-2302，2306.