Производители компьютерных чипов традиционно придерживались единственного простого стандарта для своей продукции: совершенство. Но инженер из Университета Южной Калифорнии, посвятивший свою карьеру разработке способов самостоятельного тестирования микросхем, обнаружил, что несовершенное иногда бывает достаточно хорошим - возможно, достаточно хорошим, чтобы сэкономить миллиарды долларов.
«Чипы с любыми недостатками всегда выбрасывались», - сказал Мелвин А. Брейер, профессор факультета электротехники инженерной школы Витерби Университета Южной Калифорнии.«И это значительно увеличивает стоимость хороших».
Когда производители начинают производить сложные чипы, очень большой процент бракованных изделий, объясняет Брейер. Он добавил, что этот процент снижается по мере совершенствования производственных технологий, но «к тому времени, когда технология будет полностью освоена, чип начнет устаревать».
Некоторые разработчики чипов пытаются сократить потери, встраивая в схемы резервирование, чтобы в случае отказа одной схемы ее место могли заменить другие схемы. Даже с этими мерами (и они имеют свою стоимость) большое количество чипов превращается в чрезвычайно дорогие промышленные отходы.
Традиционно потери - часто половина или более выпуска продукции - списываются как издержки бизнеса. Но все ли неисправные микросхемы бесполезны? Семь лет назад Брейер и его коллега по школе Витерби С. К. Гупта начали исследовать идею допустимых ошибок, вызванных неисправными чипами.
Для некоторых приложений - безопасности, бухгалтерского учета и научных исследований - ошибки недопустимы, говорит Брейер. Но для многих других, включая графику, существует удивительная свобода действий для «толерантности к ошибкам».
«Если у вас есть приложение, где конечным пользователем является человек, а не другой компьютер, небольшие изменения в выводе незаметны», - говорит исследователь, приводя в качестве примера изображения, созданные чипом с несколькими дефектами., в котором один или два пикселя были не на месте.
Критическим фактором, по словам Брейера, была возможность экономично протестировать и точно предсказать, будет ли неисправный чип обеспечивать приемлемую производительность без необходимости его подключения к приложению. Брейер и Гупта разработали простые встроенные тестовые структуры для микросхем, которые могут автоматически определять атрибуты их ошибочной работы, такие как частота ошибок и значимость..
Бройер специализируется на таких проблемах: он является автором нескольких книг на эту тему (в том числе «Диагностика и надежный дизайн цифровых систем» и «Тестирование цифровых систем и тестируемый дизайн»); и входит в состав редколлегии журнала Electronic Testing.
В статье 2004 года в журнале IEEE Design and Test Magazine Брейер, Гупта и старший инженер корпорации Intel Т. М. Мак смог создать основу для анализа ошибок и прогнозирования удобства использования. Один такой анализ показал, что 60% чипов с одним дефектом, тем не менее, смогут декодировать видеофайлы MPEG и воспроизводить их без заметных пользователю ошибок.
Благодаря этой и другим работам Национальный научный фонд недавно выделил 1,1 миллиона долларов Брейеру, Гупте и двум другим исследователям школы Витерби, Антонио Ортеге и Киту Чаггу, на исследование и развитие устойчивости к ошибкам. Брейер и Гупта также получили финансирование для этой работы от Корпорации исследования полупроводников, а Брейер получил дополнительное финансирование от Фонда Окавы..
Ортега и его студенты в Институте обработки сигналов и изображений Школы Университета Южной Калифорнии в Витерби уже создали симуляции изображений, создаваемых неисправными чипами, реализующими операции кодирования JPEG и MPEG, и результаты подтверждают, что значительная часть дефектных чипов является результатом в слегка ухудшенном исполнении, неузнаваемом зрителем. Эта группа также занимается поиском дополнительных приложений для несовершенного оборудования.
Чагг и его студенты из Института коммуникационных наук USC Viterbi School продемонстрировали, что чипы турбодекодирования, которые внедряются в системы беспроводной связи следующего поколения, очень устойчивы к дефектам схемы. На самом деле такие чипы могут иметь значительное количество дефектов в схемотехнике памяти с незначительным ухудшением производительности или вообще без него.
Промышленность тоже начинает настораживать, говорит Брейер. «Когда я впервые начал с ними разговаривать, - вспоминает он, - они были очень негативны. «Мы не хотим, чтобы наше имя каким-либо образом ассоциировалось с дефектным продуктом», - был их ответ». Но их отношение, похоже, меняется, Брейер говорит, что за последние 12 месяцев его приглашали выступить с «основными» докладами на трех конференциях по теме устойчивости к ошибкам.
«Если эти идеи приживутся, мы увидим серьезный сдвиг парадигмы в том, как чипы разрабатываются, тестируются и продаются. И эти идеи позволят промышленности продолжать масштабировать технологии по закону Мура, снижая при этом стоимость чипов для конечного пользователя», - отмечает Брейер. Он добавляет, что «учитывая, что чистый доход от продажи чипов в 2004 году составил более 210 миллиардов долларов, ежегодный экономический эффект от этих идей может легко составить миллиарды долларов».
Мак, соавтор Брейера по статье 2004 года, признает, что поначалу он был настроен скептически, поскольку скептицизм вырос из более раннего опыта с чипами, совмещающими две функции. «Мы подумали, что если один из элементов чипа не работает, мы можем использовать другой».
Но Мак сказал, что это создало проблемы с логистикой, потому что поставки полугодных чипов были настолько непредсказуемы. В конце концов он отправил много чипов без дефектов покупателям, которые платили меньшую цену за несовершенные чипы. Однако, по его словам, тенденции в производстве микросхем приводят к тому, что все более и более плотные архитектуры производят все больше и больше дефектов, становится все труднее поставлять микросхемы (или даже получипы), соответствующие стандарту совершенства.
Мак сказал, что подход Брейера обещает, что логистические проблемы, с которыми приходилось сталкиваться ранее, могут быть найдены элегантными и работоспособными. «Мне не терпится увидеть, что он придумает», - сказал Мак.
В качестве еще одного признака интереса к этим идеям один производитель чипов передал школе USC Viterbi School партию из 1000 дефектных чипов для анализа и тестирования алгоритмов прогнозирования удобства использования.
«У нас пока нет людей, которые копаются в мусорных баках производителей чипов в поисках годного к употреблению кремния, но мы только начали работать», - говорит Брейер.