Solid State Circuits Technologies

The evolution of solid-state circuit technology has a long history within a relatively short period of time. This technology has lead to the modern information society that connects us and tools, a large market, and many types of products and applications. The solid-state circuit technology continuously evolves via breakthroughs and improvements every year. This book is devoted to review and present novel approaches for some of the main issues involved in this exciting and vigorous technology. The book is composed of 22 chapters, written by authors coming from 30 different institutions located in 12 different countries throughout the Americas, Asia and Europe. Thus, reflecting the wide international contribution to the book. The broad range of subjects presented in the book offers a general overview of the main issues in modern solid-state circuit technology. Furthermore, the book offers an in depth analysis on specific subjects for specialists. We believe the book is of great scientific and educational value for many readers. I am profoundly indebted to the support provided by all of those involved in the work. First and foremost I would like to acknowledge and thank the authors who worked hard and generously agreed to share their results and knowledge. Second I would like to express my gratitude to the Intech team that invited me to edit the book and give me their full support and a fruitful experience while working together to combine this book

Circuit Design

Circuit Design = Science + Art! Designers need a skilled "gut feeling" about circuits and related analytical techniques, plus creativity, to solve all problems and to adhere to the specifications, the written and the unwritten ones. You must anticipate a large number of influences, like temperature effects, supply voltages changes, offset voltages, layout parasitics, and numerous kinds of technology variations to end up with a circuit that works. This is challenging for analog, custom-digital, mixed-signal or RF circuits, and often researching new design methods in relevant journals, conference proceedings and design tools unfortunately gives the impression that just a "wild bunch" of "advanced techniques" exist. On the other hand, state-of-the-art tools nowadays indeed offer a good cockpit to steer the design flow, which include clever statistical methods and optimization techniques.Actually, this almost presents a second breakthrough, like the introduction of circuit simulators 40 years ago! Users can now conveniently analyse all the problems (discover, quantify, verify), and even exploit them, for example for optimization purposes. Most designers are caught up on everyday problems, so we fit that "wild bunch" into a systematic approach for variation-aware design, a designer's field guide and more. That is where this book can help! Circuit Design: Anticipate, Analyze, Exploit Variations starts with best-practise manual methods and links them tightly to up-to-date automation algorithms. We provide many tractable examples and explain key techniques you have to know. We then enable you to select and setup suitable methods for each design task - knowing their prerequisites, advantages and, as too often overlooked, their limitations as well. The good thing with computers is that you yourself can often verify amazing things with little effort, and you can use software not only to your direct advantage in solving a specific problem, but also for becoming a better skilled, more experienced engineer. Unfortunately, EDA design environments are not good at all to learn about advanced numerics. So with this book we also provide two apps for learning about statistic and optimization directly with circuit-related examples, and in real-time so without the long simulation times. This helps to develop a healthy statistical gut feeling for circuit design. The book is written for engineers, students in engineering and CAD / methodology experts. Readers should have some background in standard design techniques like entering a design in a schematic capture and simulating it, and also know about major technology aspects

Circuit Design

Circuit Design = Science + Art! Designers need a skilled "gut feeling" about circuits and related analytical techniques, plus creativity, to solve all problems and to adhere to the specifications, the written and the unwritten ones. You must anticipate a large number of influences, like temperature effects, supply voltages changes, offset voltages, layout parasitics, and numerous kinds of technology variations to end up with a circuit that works. This is challenging for analog, custom-digital, mixed-signal or RF circuits, and often researching new design methods in relevant journals, conference proceedings and design tools unfortunately gives the impression that just a "wild bunch" of "advanced techniques" exist. On the other hand, state-of-the-art tools nowadays indeed offer a good cockpit to steer the design flow, which include clever statistical methods and optimization techniques.Actually, this almost presents a second breakthrough, like the introduction of circuit simulators 40 years ago! Users can now conveniently analyse all the problems (discover, quantify, verify), and even exploit them, for example for optimization purposes. Most designers are caught up on everyday problems, so we fit that "wild bunch" into a systematic approach for variation-aware design, a designer's field guide and more. That is where this book can help! Circuit Design: Anticipate, Analyze, Exploit Variations starts with best-practise manual methods and links them tightly to up-to-date automation algorithms. We provide many tractable examples and explain key techniques you have to know. We then enable you to select and setup suitable methods for each design task - knowing their prerequisites, advantages and, as too often overlooked, their limitations as well. The good thing with computers is that you yourself can often verify amazing things with little effort, and you can use software not only to your direct advantage in solving a specific problem, but also for becoming a better skilled, more experienced engineer. Unfortunately, EDA design environments are not good at all to learn about advanced numerics. So with this book we also provide two apps for learning about statistic and optimization directly with circuit-related examples, and in real-time so without the long simulation times. This helps to develop a healthy statistical gut feeling for circuit design. The book is written for engineers, students in engineering and CAD / methodology experts. Readers should have some background in standard design techniques like entering a design in a schematic capture and simulating it, and also know about major technology aspects

Design and Optimization for Resilient Energy Efficient Computing

Heutzutage sind moderne elektronische Systeme ein integraler Bestandteil unseres Alltags. Dies wurde unter anderem durch das exponentielle Wachstum der Integrationsdichte von integrierten Schaltkreisen ermöglicht zusammen mit einer Verbesserung der Energieeffizienz, welche in den letzten 50 Jahren stattfand, auch bekannt als Moore‘s Gesetz. In diesem Zusammenhang ist die Nachfrage von energieeffizienten digitalen Schaltkreisen enorm angestiegen, besonders in Anwendungsfeldern wie dem Internet of Things (IoT). Da der Leistungsverbrauch von Schaltkreisen stark mit der Versorgungsspannung verknüpft ist, wurden effiziente Verfahren entwickelt, welche die Versorgungsspannung in den nahen Schwellenspannung-Bereich skalieren, zusammengefasst unter dem Begriff Near-Threshold-Computing (NTC). Mithilfe dieser Verfahren kann eine Erhöhung der Energieeffizienz von Schaltungen um eine ganze Größenordnung ermöglicht werden. Neben der verbesserten Energiebilanz ergeben sich jedoch zahlreiche Herausforderungen was den Schaltungsentwurf angeht. Zum Beispiel führt das Reduzieren der Versorgungsspannung in den nahen Schwellenspannungsbereich zu einer verzehnfachten Erhöhung der Sensibilität der Schaltkreise gegenüber Prozessvariation, Spannungsfluktuationen und Temperaturveränderungen. Die Einflüsse dieser Variationen reduzieren die Zuverlässigkeit von NTC Schaltkreisen und sind ihr größtes Hindernis bezüglich einer umfassenden Nutzung. Traditionelle Ansätze und Methoden aus dem nominalen Spannungsbereich zur Kompensation von Variabilität können nicht effizient angewandt werden, da die starken Performance-Variationen und Sensitivitäten im nahen Schwellenspannungsbereich dessen Kapazitäten übersteigen. Aus diesem Grund sind neue Entwurfsparadigmen und Entwurfsautomatisierungskonzepte für die Anwendung von NTC erforderlich. Das Ziel dieser Arbeit ist die zuvor erwähnten Probleme durch die Bereitstellung von ganzheitlichen Methoden zum Design von NTC Schaltkreisen sowie dessen Entwurfsautomatisierung anzugehen, welche insbesondere auf der Schaltungs- sowie Logik-Ebene angewandt werden. Dabei werden tiefgehende Analysen der Zuverlässigkeit von NTC Systemen miteinbezogen und Optimierungsmethoden werden vorgeschlagen welche die Zuverlässigkeit, Performance und Energieeffizienz verbessern. Die Beiträge dieser Arbeit sind wie folgt: Schaltungssynthese und Timing Closure unter Einbezug von Variationen: Das Einhalten von Anforderungen an das zeitliche Verhalten und Zuverlässigkeit von NTC ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Die Auswirkungen von Variabilität kommen bei starken Performance-Schwankungen, welche zu teuren zeitlichen Sicherheitsmargen führen, oder sich in Hold-Time Verstößen ausdrücken, verursacht durch funktionale Störungen, zum Vorschein. Die konventionellen Ansätze beschränken sich dabei alleine auf die Erhöhung von zeitlichen Sicherheitsmargen. Dies ist jedoch sehr ineffizient für NTC, wegen dem starken Ausmaß an Variationen und den erhöhten Leckströmen. In dieser Arbeit wird ein Konzept zur Synthese und Timing Closure von Schaltkreisen unter Variationen vorgestellt, welches sowohl die Sensitivität gegenüber Variationen reduziert als auch die Energieeffizienz, Performance und Zuverlässigkeit verbessert und zugleich den Mehraufwand von Timing Closures [1, 2] verringert. Simulationsergebnisse belegen, dass unser vorgeschlagener Ansatz die Verzögerungszeit um 87% reduziert und die Performance und Energieeffizienz um 25% beziehungsweise 7.4% verbessert, zu Kosten eines erhöhten Flächenbedarfs von 4.8%. Schichtübergreifende Zuverlässigkeits-, Energieeffizienz- und Performance-Optimierung von Datenpfaden: Schichtübergreifende Analyse von Prozessor-Datenpfaden, welche den ganzen Weg spannen vom Kompilierer zum Schaltungsentwurf, kann potenzielle Optimierungsansätze aufzeigen. Ein Datenpfad ist eine Kombination von mehreren funktionalen Einheiten, welche diverse Instruktionen verarbeiten können. Unsere Analyse zeigt, dass die Ausführungszeiten von Instruktionen bei niedrigen Versorgungsspannungen stark variieren, weshalb eine Klassifikation in schnelle und langsame Instruktionen vorgenommen werden kann. Des Weiteren können funktionale Instruktionen als häufig und selten genutzte Instruktionen kategorisiert werden. Diese Arbeit stellt eine Multi-Zyklen-Instruktionen-Methode vor, welche die Energieeffizienz und Belastbarkeit von funktionalen Einheiten erhöhen kann [3]. Zusätzlich stellen wir einen Partitionsalgorithmus vor, welcher ein fein-granulares Power-gating von selten genutzten Einheiten ermöglicht [4] durch Partition von einzelnen funktionalen Einheiten in mehrere kleinere Einheiten. Die vorgeschlagenen Methoden verbessern das zeitliche Schaltungsverhalten signifikant, und begrenzen zugleich die Leckströme beträchtlich, durch Einsatz einer Kombination von Schaltungs-Redesign- und Code-Replacement-Techniken. Simulationsresultate zeigen, dass die entwickelten Methoden die Performance und Energieeffizienz von arithmetisch-logischen Einheiten (ALU) um 19% beziehungsweise 43% verbessern. Des Weiteren kann der Zuwachs in Performance der optimierten Schaltungen in eine Verbesserung der Zuverlässigkeit umgewandelt werden [5, 6]. Post-Fabrication und Laufzeit-Tuning: Prozess- und Laufzeitvariationen haben einen starken Einfluss auf den Minimum Energy Point (MEP) von NTC-Schaltungen, welcher mit der energieeffizientesten Versorgungsspannung assoziiert ist. Es ist ein besonderes Anliegen, die NTC-Schaltung nach der Herstellung (post-fabrication) so zu kalibrieren, dass sich die Schaltung im MEP-Zustand befindet, um die beste Energieeffizient zu erreichen. In dieser Arbeit, werden Post-Fabrication und Laufzeit-Tuning vorgeschlagen, welche die Schaltung basierend auf Geschwindigkeits- und Leistungsverbrauch-Messungen nach der Herstellung auf den MEP kalibrieren. Die vorgestellten Techniken ermitteln den MEP per Chip-Basis um den Einfluss von Prozessvariationen mit einzubeziehen und dynamisch die Versorgungsspannung und Frequenz zu adaptieren um zeitabhängige Variationen wie Workload und Temperatur zu adressieren. Zu diesem Zweck wird in die Firmware eines Chips ein Regression-Modell integriert, welches den MEP basierend auf Workload- und Temperatur-Messungen zur Laufzeit extrahiert. Das Regressions-Modell ist für jeden Chip einzigartig und basiert lediglich auf Post-Fabrication-Messungen. Simulationsergebnisse zeigen das der entwickelte Ansatz eine sehr hohe prognostische Treffsicherheit und Energieeffizienz hat, ähnlich zu hardware-implementierten Methoden, jedoch ohne hardware-seitigen Mehraufwand [7, 8]. Selektierte Flip-Flop Optimierung: Ultra-Low-Voltage Schaltungen müssen im nominalen Versorgungsspannungs-Mode arbeiten um zeitliche Anforderungen von laufenden Anwendungen zu erfüllen. In diesem Fall ist die Schaltung von starken Alterungsprozessen betroffen, welche die Transistoren durch Erhöhung der Schwellenspannungen degradieren. Unsere tiefgehenden Analysen haben gezeigt das gewisse Flip-Flop-Architekturen von diesen Alterungserscheinungen beeinflusst werden indem fälschlicherweise konstante Werte ( \u270\u27 oder \u271\u27) für eine lange Zeit gespeichert sind. Im Vergleich zu anderen Komponenten sind Flip-Flops sensitiver zu Alterungsprozessen und versagen unter anderem dabei einen neuen Wert innerhalb des vorgegebenen zeitlichen Rahmens zu übernehmen. Außerdem kann auch ein geringfügiger Spannungsabfall zu diesen zeitlichen Verstößen führen, falls die betreffenden gealterten Flip-Flops zum kritischen Pfad zuzuordnen sind. In dieser Arbeit wird eine selektiver Flip-Flop-Optimierungsmethode vorgestellt, welche die Schaltungen bezüglich Robustheit gegen statische Alterung und Spannungsabfall optimieren. Dabei werden zuerst optimierte robuste Flip-Flops generiert und diese dann anschließend in die Standard-Zellen-Bibliotheken integriert. Flip-Flops, die in der Schaltung zum kritischen Pfad gehören und Alterung sowie Spannungsabfall erfahren, werden durch die optimierten robusten Versionen ersetzt, um das Zeitverhalten und die Zuverlässigkeit der Schaltung zu verbessern [9, 10]. Simulationsergebnisse zeigen, dass die erwartete Lebenszeit eines Prozessors um 37% verbessert werden kann, während Leckströme um nur 0.1% erhöht werden. Während NTC das Potenzial hat große Energieeffizienz zu ermöglichen, ist der Einsatz in neue Anwendungsfeldern wie IoT wegen den zuvor erwähnten Problemen bezüglich der hohen Sensitivität gegenüber Variationen und deshalb mangelnder Zuverlässigkeit, noch nicht durchsetzbar. In dieser Dissertation und in noch nicht publizierten Werken [11–17], stellen wir Lösungen zu diesen Problemen vor, die eine Integration von NTC in heutige Systeme ermöglichen

Dependable Embedded Systems

This Open Access book introduces readers to many new techniques for enhancing and optimizing reliability in embedded systems, which have emerged particularly within the last five years. This book introduces the most prominent reliability concerns from today’s points of view and roughly recapitulates the progress in the community so far. Unlike other books that focus on a single abstraction level such circuit level or system level alone, the focus of this book is to deal with the different reliability challenges across different levels starting from the physical level all the way to the system level (cross-layer approaches). The book aims at demonstrating how new hardware/software co-design solution can be proposed to ef-fectively mitigate reliability degradation such as transistor aging, processor variation, temperature effects, soft errors, etc. Provides readers with latest insights into novel, cross-layer methods and models with respect to dependability of embedded systems; Describes cross-layer approaches that can leverage reliability through techniques that are pro-actively designed with respect to techniques at other layers; Explains run-time adaptation and concepts/means of self-organization, in order to achieve error resiliency in complex, future many core systems

Cutting Edge Nanotechnology

The main purpose of this book is to describe important issues in various types of devices ranging from conventional transistors (opening chapters of the book) to molecular electronic devices whose fabrication and operation is discussed in the last few chapters of the book. As such, this book can serve as a guide for identifications of important areas of research in micro, nano and molecular electronics. We deeply acknowledge valuable contributions that each of the authors made in writing these excellent chapters

NASA Space Engineering Research Center Symposium on VLSI Design

The NASA Space Engineering Research Center (SERC) is proud to offer, at its second symposium on VLSI design, presentations by an outstanding set of individuals from national laboratories and the electronics industry. These featured speakers share insights into next generation advances that will serve as a basis for future VLSI design. Questions of reliability in the space environment along with new directions in CAD and design are addressed by the featured speakers

Understanding and Improving the Latency of DRAM-Based Memory Systems

Over the past two decades, the storage capacity and access bandwidth of main memory have improved tremendously, by 128x and 20x, respectively. These improvements are mainly due to the continuous technology scaling of DRAM (dynamic random-access memory), which has been used as the physical substrate for main memory. In stark contrast with capacity and bandwidth, DRAM latency has remained almost constant, reducing by only 1.3x in the same time frame. Therefore, long DRAM latency continues to be a critical performance bottleneck in modern systems. Increasing core counts, and the emergence of increasingly more data-intensive and latency-critical applications further stress the importance of providing low-latency memory access. In this dissertation, we identify three main problems that contribute significantly to long latency of DRAM accesses. To address these problems, we present a series of new techniques. Our new techniques significantly improve both system performance and energy efficiency. We also examine the critical relationship between supply voltage and latency in modern DRAM chips and develop new mechanisms that exploit this voltage-latency trade-off to improve energy efficiency. The key conclusion of this dissertation is that augmenting DRAM architecture with simple and low-cost features, and developing a better understanding of manufactured DRAM chips together lead to significant memory latency reduction as well as energy efficiency improvement. We hope and believe that the proposed architectural techniques and the detailed experimental data and observations on real commodity DRAM chips presented in this dissertation will enable development of other new mechanisms to improve the performance, energy efficiency, or reliability of future memory systems.Comment: PhD Dissertatio

Software for Exascale Computing - SPPEXA 2016-2019

This open access book summarizes the research done and results obtained in the second funding phase of the Priority Program 1648 "Software for Exascale Computing" (SPPEXA) of the German Research Foundation (DFG) presented at the SPPEXA Symposium in Dresden during October 21-23, 2019. In that respect, it both represents a continuation of Vol. 113 in Springer’s series Lecture Notes in Computational Science and Engineering, the corresponding report of SPPEXA’s first funding phase, and provides an overview of SPPEXA’s contributions towards exascale computing in today's sumpercomputer technology. The individual chapters address one or more of the research directions (1) computational algorithms, (2) system software, (3) application software, (4) data management and exploration, (5) programming, and (6) software tools. The book has an interdisciplinary appeal: scholars from computational sub-fields in computer science, mathematics, physics, or engineering will find it of particular interest