Cross-Layer Resiliency Modeling and Optimization: A Device to Circuit Approach

The never ending demand for higher performance and lower power consumption pushes the VLSI industry to further scale the technology down. However, further downscaling of technology at nano-scale leads to major challenges. Reduced reliability is one of them, arising from multiple sources e.g. runtime variations, process variation, and transient errors. The objective of this thesis is to tackle unreliability with a cross layer approach from device up to circuit level

Design Techniques for Energy-Quality Scalable Digital Systems

Energy efficiency is one of the key design goals in modern computing. Increasingly complex tasks are being executed in mobile devices and Internet of Things end-nodes, which are expected to operate for long time intervals, in the orders of months or years, with the limited energy budgets provided by small form-factor batteries. Fortunately, many of such tasks are error resilient, meaning that they can toler- ate some relaxation in the accuracy, precision or reliability of internal operations, without a significant impact on the overall output quality. The error resilience of an application may derive from a number of factors. The processing of analog sensor inputs measuring quantities from the physical world may not always require maximum precision, as the amount of information that can be extracted is limited by the presence of external noise. Outputs destined for human consumption may also contain small or occasional errors, thanks to the limited capabilities of our vision and hearing systems. Finally, some computational patterns commonly found in domains such as statistics, machine learning and operational research, naturally tend to reduce or eliminate errors. Energy-Quality (EQ) scalable digital systems systematically trade off the quality of computations with energy efficiency, by relaxing the precision, the accuracy, or the reliability of internal software and hardware components in exchange for energy reductions. This design paradigm is believed to offer one of the most promising solutions to the impelling need for low-energy computing. Despite these high expectations, the current state-of-the-art in EQ scalable design suffers from important shortcomings. First, the great majority of techniques proposed in literature focus only on processing hardware and software components. Nonetheless, for many real devices, processing contributes only to a small portion of the total energy consumption, which is dominated by other components (e.g. I/O, memory or data transfers). Second, in order to fulfill its promises and become diffused in commercial devices, EQ scalable design needs to achieve industrial level maturity. This involves moving from purely academic research based on high-level models and theoretical assumptions to engineered flows compatible with existing industry standards. Third, the time-varying nature of error tolerance, both among different applications and within a single task, should become more central in the proposed design methods. This involves designing “dynamic” systems in which the precision or reliability of operations (and consequently their energy consumption) can be dynamically tuned at runtime, rather than “static” solutions, in which the output quality is fixed at design-time. This thesis introduces several new EQ scalable design techniques for digital systems that take the previous observations into account. Besides processing, the proposed methods apply the principles of EQ scalable design also to interconnects and peripherals, which are often relevant contributors to the total energy in sensor nodes and mobile systems respectively. Regardless of the target component, the presented techniques pay special attention to the accurate evaluation of benefits and overheads deriving from EQ scalability, using industrial-level models, and on the integration with existing standard tools and protocols. Moreover, all the works presented in this thesis allow the dynamic reconfiguration of output quality and energy consumption. More specifically, the contribution of this thesis is divided in three parts. In a first body of work, the design of EQ scalable modules for processing hardware data paths is considered. Three design flows are presented, targeting different technologies and exploiting different ways to achieve EQ scalability, i.e. timing-induced errors and precision reduction. These works are inspired by previous approaches from the literature, namely Reduced-Precision Redundancy and Dynamic Accuracy Scaling, which are re-thought to make them compatible with standard Electronic Design Automation (EDA) tools and flows, providing solutions to overcome their main limitations. The second part of the thesis investigates the application of EQ scalable design to serial interconnects, which are the de facto standard for data exchanges between processing hardware and sensors. In this context, two novel bus encodings are proposed, called Approximate Differential Encoding and Serial-T0, that exploit the statistical characteristics of data produced by sensors to reduce the energy consumption on the bus at the cost of controlled data approximations. The two techniques achieve different results for data of different origins, but share the common features of allowing runtime reconfiguration of the allowed error and being compatible with standard serial bus protocols. Finally, the last part of the manuscript is devoted to the application of EQ scalable design principles to displays, which are often among the most energy- hungry components in mobile systems. The two proposals in this context leverage the emissive nature of Organic Light-Emitting Diode (OLED) displays to save energy by altering the displayed image, thus inducing an output quality reduction that depends on the amount of such alteration. The first technique implements an image-adaptive form of brightness scaling, whose outputs are optimized in terms of balance between power consumption and similarity with the input. The second approach achieves concurrent power reduction and image enhancement, by means of an adaptive polynomial transformation. Both solutions focus on minimizing the overheads associated with a real-time implementation of the transformations in software or hardware, so that these do not offset the savings in the display. For each of these three topics, results show that the aforementioned goal of building EQ scalable systems compatible with existing best practices and mature for being integrated in commercial devices can be effectively achieved. Moreover, they also show that very simple and similar principles can be applied to design EQ scalable versions of different system components (processing, peripherals and I/O), and to equip these components with knobs for the runtime reconfiguration of the energy versus quality tradeoff

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

Scalable Energy-efficient Microarchitectures with Computational Error Tolerance

Dennard scaling of conventional semiconductor technology has reached its limit resulting in issues pertaining to leakage current and threshold voltage. Energy-savings found at the transistor level by simply lowering supply voltage are no longer available for these devices (e.g., MOSFETs) and has reached the Landauer-Shannon limit. Recent proposals of minivolt switch technologies aim to extend the technology scaling roadmap by maintaining a high on/off ratio of drain current with a much lower supply voltage. However, high intermittent error probabilities in millivolt switches constraints their Vdd reduction for traditional architectures. Thus, there is an urgent need for scalable and energy-efficient micro-architectures with computational error-tolerance. This thesis systematically leverages the error detection and correction properties of the Redundant Residue Number System (RRNS) by varying the number of non-redundant (n) and redundant (r) components (residues), and selects and discusses trade-offs about configuration points from a two-dimensional (n, r)-RRNS design plane that meet certain capabilities of error detection and/or correction. Being able to efficiently handle resilience in this (n, r)-RRNS plane significantly improves reliability, allowing further Vdd reduction and energy savings. First, the necessary implementation details of RRNS cores are discussed. Second, scalable RRNS micro-architectures that simultaneously support both error-correction and checkpointing with restart capabilities for uncorrectable errors are proposed. Third, novel RRNS-based adaptive checkpointing&restart mechanisms are designed that automatically guarantee reliability while minimizing the energy-delay product (EDP). Finally, the RRNS design space is explored to find the optimal (n, r) configuration points. For similar reliability when compared to a conventional binary core (running at high Vdd) without computational error tolerance, the proposed RRNS scalable micro-architecture reduces EDP by 53% on average for memory-intensive workloads and by 67% on average for non-memory-intensive workloads. This thesis's second topic is to alleviate fault rate and power consumption issues of exascale computing. Faults in High-Performance Computing (HPC) have become an urgent challenge with estimated Mean Time Between Failures (MTBF) of exascale system projected as only several minutes with contemporary methodologies. Unfortunately, existing error-tolerance technologies in the context of HPC systems have serious deficiencies such as insufficient error-tolerance coverage, high power consumption, and difficult integration with existing workloads. Considering Department of Energy (DOE) guidelines that limit exascale power consumption to 20 MW, this thesis highlights the issue of energy usage and proposes a thread-level fault tolerance mechanism compatible with current state-of-the art exascale programming models while simultaneously meeting the requirements of full system error protection. Additionally, an efficient micro-architecture and corresponding mechanisms that can support thread level RRNS are discussed. Experimental results show that this strategy reduces energy consumption by 62.25% and the Energy-Delay-Product by 58.67% on average when compared with state-of-the-art black box resilience techniques.Ph.D

Energy Academic Group Compilation of Abstracts 2012-2016

This report highlights the breadth of energy-related student research at NPS and reinforces the importance of energy as an integral aspect of today's Naval enterprise. The abstracts provided are from theses and a capstone project report completed by December 2012-March 2016 graduates.http://archive.org/details/energyacademicgr109454991

Heterogeneous Reconfigurable Fabrics for In-circuit Training and Evaluation of Neuromorphic Architectures

A heterogeneous device technology reconfigurable logic fabric is proposed which leverages the cooperating advantages of distinct magnetic random access memory (MRAM)-based look-up tables (LUTs) to realize sequential logic circuits, along with conventional SRAM-based LUTs to realize combinational logic paths. The resulting Hybrid Spin/Charge FPGA (HSC-FPGA) using magnetic tunnel junction (MTJ) devices within this topology demonstrates commensurate reductions in area and power consumption over fabrics having LUTs constructed with either individual technology alone. Herein, a hierarchical top-down design approach is used to develop the HSCFPGA starting from the configurable logic block (CLB) and slice structures down to LUT circuits and the corresponding device fabrication paradigms. This facilitates a novel architectural approach to reduce leakage energy, minimize communication occurrence and energy cost by eliminating unnecessary data transfer, and support auto-tuning for resilience. Furthermore, HSC-FPGA enables new advantages of technology co-design which trades off alternative mappings between emerging devices and transistors at runtime by allowing dynamic remapping to adaptively leverage the intrinsic computing features of each device technology. HSC-FPGA offers a platform for fine-grained Logic-In-Memory architectures and runtime adaptive hardware. An orthogonal dimension of fabric heterogeneity is also non-determinism enabled by either low-voltage CMOS or probabilistic emerging devices. It can be realized using probabilistic devices within a reconfigurable network to blend deterministic and probabilistic computational models. Herein, consider the probabilistic spin logic p-bit device as a fabric element comprising a crossbar-structured weighted array. The Programmability of the resistive network interconnecting p-bit devices can be achieved by modifying the resistive states of the array\u27s weighted connections. Thus, the programmable weighted array forms a CLB-scale macro co-processing element with bitstream programmability. This allows field programmability for a wide range of classification problems and recognition tasks to allow fluid mappings of probabilistic and deterministic computing approaches. In particular, a Deep Belief Network (DBN) is implemented in the field using recurrent layers of co-processing elements to form an n x m1 x m2 x ::: x mi weighted array as a configurable hardware circuit with an n-input layer followed by i ≥ 1 hidden layers. As neuromorphic architectures using post-CMOS devices increase in capability and network size, the utility and benefits of reconfigurable fabrics of neuromorphic modules can be anticipated to continue to accelerate

Degradation Models and Optimizations for CMOS Circuits

Die Gewährleistung der Zuverlässigkeit von CMOS-Schaltungen ist derzeit eines der größten Herausforderungen beim Chip- und Schaltungsentwurf. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung erhöht jede neue Generation der Halbleitertechnologie die elektrischen Felder innerhalb der Transistoren. Dieses stärkere elektrische Feld stimuliert die Degradationsphänomene (Alterung der Transistoren, Selbsterhitzung, Rauschen, usw.), was zu einer immer stärkeren Degradation (Verschlechterung) der Transistoren führt. Daher erleiden die Transistoren in jeder neuen Technologiegeneration immer stärkere Verschlechterungen ihrer elektrischen Parameter. Um die Funktionalität und Zuverlässigkeit der Schaltung zu wahren, wird es daher unerlässlich, die Auswirkungen der geschwächten Transistoren auf die Schaltung präzise zu bestimmen. Die beiden wichtigsten Auswirkungen der Verschlechterungen sind ein verlangsamtes Schalten, sowie eine erhöhte Leistungsaufnahme der Schaltung. Bleiben diese Auswirkungen unberücksichtigt, kann die verlangsamte Schaltgeschwindigkeit zu Timing-Verletzungen führen (d.h. die Schaltung kann die Berechnung nicht rechtzeitig vor Beginn der nächsten Operation abschließen) und die Funktionalität der Schaltung beeinträchtigen (fehlerhafte Ausgabe, verfälschte Daten, usw.). Um diesen Verschlechterungen der Transistorparameter im Laufe der Zeit Rechnung zu tragen, werden Sicherheitstoleranzen eingeführt. So wird beispielsweise die Taktperiode der Schaltung künstlich verlängert, um ein langsameres Schaltverhalten zu tolerieren und somit Fehler zu vermeiden. Dies geht jedoch auf Kosten der Performanz, da eine längere Taktperiode eine niedrigere Taktfrequenz bedeutet. Die Ermittlung der richtigen Sicherheitstoleranz ist entscheidend. Wird die Sicherheitstoleranz zu klein bestimmt, führt dies in der Schaltung zu Fehlern, eine zu große Toleranz führt zu unnötigen Performanzseinbußen. Derzeit verlässt sich die Industrie bei der Zuverlässigkeitsbestimmung auf den schlimmstmöglichen Fall (maximal gealterter Schaltkreis, maximale Betriebstemperatur bei minimaler Spannung, ungünstigste Fertigung, etc.). Diese Annahme des schlimmsten Falls garantiert, dass der Chip (oder integrierte Schaltung) unter allen auftretenden Betriebsbedingungen funktionsfähig bleibt. Darüber hinaus ermöglicht die Betrachtung des schlimmsten Falles viele Vereinfachungen. Zum Beispiel muss die eigentliche Betriebstemperatur nicht bestimmt werden, sondern es kann einfach die schlimmstmögliche (sehr hohe) Betriebstemperatur angenommen werden. Leider lässt sich diese etablierte Praxis der Berücksichtigung des schlimmsten Falls (experimentell oder simulationsbasiert) nicht mehr aufrechterhalten. Diese Berücksichtigung bedingt solch harsche Betriebsbedingungen (maximale Temperatur, etc.) und Anforderungen (z.B. 25 Jahre Betrieb), dass die Transistoren unter den immer stärkeren elektrischen Felder enorme Verschlechterungen erleiden. Denn durch die Kombination an hoher Temperatur, Spannung und den steigenden elektrischen Feldern bei jeder Generation, nehmen die Degradationphänomene stetig zu. Das bedeutet, dass die unter dem schlimmsten Fall bestimmte Sicherheitstoleranz enorm pessimistisch ist und somit deutlich zu hoch ausfällt. Dieses Maß an Pessimismus führt zu erheblichen Performanzseinbußen, die unnötig und demnach vermeidbar sind. Während beispielsweise militärische Schaltungen 25 Jahre lang unter harschen Bedingungen arbeiten müssen, wird Unterhaltungselektronik bei niedrigeren Temperaturen betrieben und muss ihre Funktionalität nur für die Dauer der zweijährigen Garantie aufrechterhalten. Für letzteres können die Sicherheitstoleranzen also deutlich kleiner ausfallen, um die Performanz deutlich zu erhöhen, die zuvor im Namen der Zuverlässigkeit aufgegeben wurde. Diese Arbeit zielt darauf ab, maßgeschneiderte Sicherheitstoleranzen für die einzelnen Anwendungsszenarien einer Schaltung bereitzustellen. Für fordernde Umgebungen wie Weltraumanwendungen (wo eine Reparatur unmöglich ist) ist weiterhin der schlimmstmögliche Fall relevant. In den meisten Anwendungen, herrschen weniger harsche Betriebssbedingungen (z.B. sorgen Kühlsysteme für niedrigere Temperaturen). Hier können Sicherheitstoleranzen maßgeschneidert und anwendungsspezifisch bestimmt werden, sodass Verschlechterungen exakt toleriert werden können und somit die Zuverlässigkeit zu minimalen Kosten (Performanz, etc.) gewahrt wird. Leider sind die derzeitigen Standardentwurfswerkzeuge für diese anwendungsspezifische Bestimmung der Sicherheitstoleranz nicht gut gerüstet. Diese Arbeit zielt darauf ab, Standardentwurfswerkzeuge in die Lage zu versetzen, diesen Bedarf an Zuverlässigkeitsbestimmungen für beliebige Schaltungen unter beliebigen Betriebsbedingungen zu erfüllen. Zu diesem Zweck stellen wir unsere Forschungsbeiträge als vier Schritte auf dem Weg zu anwendungsspezifischen Sicherheitstoleranzen vor: Schritt 1 verbessert die Modellierung der Degradationsphänomene (Transistor-Alterung, -Selbsterhitzung, -Rauschen, etc.). Das Ziel von Schritt 1 ist es, ein umfassendes, einheitliches Modell für die Degradationsphänomene zu erstellen. Durch die Verwendung von materialwissenschaftlichen Defektmodellierungen werden die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse der Degradationsphänomena modelliert, um ihre Wechselwirkungen zu berücksichtigen (z.B. Phänomen A kann Phänomen B beschleunigen) und ein einheitliches Modell für die simultane Modellierung verschiedener Phänomene zu erzeugen. Weiterhin werden die jüngst entdeckten Phänomene ebenfalls modelliert und berücksichtigt. In Summe, erlaubt dies eine genaue Degradationsmodellierung von Transistoren unter gleichzeitiger Berücksichtigung aller essenziellen Phänomene. Schritt 2 beschleunigt diese Degradationsmodelle von mehreren Minuten pro Transistor (Modelle der Physiker zielen auf Genauigkeit statt Performanz) auf wenige Millisekunden pro Transistor. Die Forschungsbeiträge dieser Dissertation beschleunigen die Modelle um ein Vielfaches, indem sie zuerst die Berechnungen so weit wie möglich vereinfachen (z.B. sind nur die Spitzenwerte der Degradation erforderlich und nicht alle Werte über einem zeitlichen Verlauf) und anschließend die Parallelität heutiger Computerhardware nutzen. Beide Ansätze erhöhen die Auswertungsgeschwindigkeit, ohne die Genauigkeit der Berechnung zu beeinflussen. In Schritt 3 werden diese beschleunigte Degradationsmodelle in die Standardwerkzeuge integriert. Die Standardwerkzeuge berücksichtigen derzeit nur die bestmöglichen, typischen und schlechtestmöglichen Standardzellen (digital) oder Transistoren (analog). Diese drei Typen von Zellen/Transistoren werden von der Foundry (Halbleiterhersteller) aufwendig experimentell bestimmt. Da nur diese drei Typen bestimmt werden, nehmen die Werkzeuge keine Zuverlässigkeitsbestimmung für eine spezifische Anwendung (Temperatur, Spannung, Aktivität) vor. Simulationen mit Degradationsmodellen ermöglichen eine Bestimmung für spezifische Anwendungen, jedoch muss diese Fähigkeit erst integriert werden. Diese Integration ist eines der Beiträge dieser Dissertation. Schritt 4 beschleunigt die Standardwerkzeuge. Digitale Schaltungsentwürfe, die nicht auf Standardzellen basieren, sowie komplexe analoge Schaltungen können derzeit nicht mit analogen Schaltungssimulatoren ausgewertet werden. Ihre Performanz reicht für solch umfangreiche Simulationen nicht aus. Diese Dissertation stellt Techniken vor, um diese Werkzeuge zu beschleunigen und somit diese umfangreichen Schaltungen simulieren zu können. Diese Forschungsbeiträge, die sich jeweils über mehrere Veröffentlichungen erstrecken, ermöglichen es Standardwerkzeugen, die Sicherheitstoleranz für kundenspezifische Anwendungsszenarien zu bestimmen. Für eine gegebene Schaltungslebensdauer, Temperatur, Spannung und Aktivität (Schaltverhalten durch Software-Applikationen) können die Auswirkungen der Transistordegradation ausgewertet werden und somit die erforderliche (weder unter- noch überschätzte) Sicherheitstoleranz bestimmt werden. Diese anwendungsspezifische Sicherheitstoleranz, garantiert die Zuverlässigkeit und Funktionalität der Schaltung für genau diese Anwendung bei minimalen Performanzeinbußen