6T-SRAM 1Mb Design with Test Structures and Post Silicon Validation

abstract: Static random-access memories (SRAM) are integral part of design systems as caches and data memories that and occupy one-third of design space. The work presents an embedded low power SRAM on a triple well process that allows body-biasing control. In addition to the normal mode operation, the design is embedded with Physical Unclonable Function (PUF) [Suh07] and Sense Amplifier Test (SA Test) mode. With PUF mode structures, the fabrication and environmental mismatches in bit cells are used to generate unique identification bits. These bits are fixed and known as preferred state of an SRAM bit cell. The direct access test structure is a measurement unit for offset voltage analysis of sense amplifiers. These designs are manufactured using a foundry bulk CMOS 55 nm low-power (LP) process. The details about SRAM bit-cell and peripheral circuit design is discussed in detail, for certain cases the circuit simulation analysis is performed with random variations embedded in SPICE models. Further, post-silicon testing results are discussed for normal operation of SRAMs and the special test modes. The silicon and circuit simulation results for various tests are presented.Dissertation/ThesisMasters Thesis Electrical Engineering 201

Circuits and Systems Advances in Near Threshold Computing

Modern society is witnessing a sea change in ubiquitous computing, in which people have embraced computing systems as an indispensable part of day-to-day existence. Computation, storage, and communication abilities of smartphones, for example, have undergone monumental changes over the past decade. However, global emphasis on creating and sustaining green environments is leading to a rapid and ongoing proliferation of edge computing systems and applications. As a broad spectrum of healthcare, home, and transport applications shift to the edge of the network, near-threshold computing (NTC) is emerging as one of the promising low-power computing platforms. An NTC device sets its supply voltage close to its threshold voltage, dramatically reducing the energy consumption. Despite showing substantial promise in terms of energy efficiency, NTC is yet to see widescale commercial adoption. This is because circuits and systems operating with NTC suffer from several problems, including increased sensitivity to process variation, reliability problems, performance degradation, and security vulnerabilities, to name a few. To realize its potential, we need designs, techniques, and solutions to overcome these challenges associated with NTC circuits and systems. The readers of this book will be able to familiarize themselves with recent advances in electronics systems, focusing on near-threshold computing

Techniques for Aging, Soft Errors and Temperature to Increase the Reliability of Embedded On-Chip Systems

This thesis investigates the challenge of providing an abstracted, yet sufficiently accurate reliability estimation for embedded on-chip systems. In addition, it also proposes new techniques to increase the reliability of register files within processors against aging effects and soft errors. It also introduces a novel thermal measurement setup that perspicuously captures the infrared images of modern multi-core processors

ULTRA ENERGY-EFFICIENT SUB-/NEAR-THRESHOLD COMPUTING: PLATFORM AND METHODOLOGY

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Very-Large-Scale-Integration Circuit Techniques in Internet-of-Things Applications

Heading towards the era of Internet-of-things (IoT) means both opportunity and challenge for the circuit-design community. In a system where billions of devices are equipped with the ability to sense, compute, communicate with each other and perform tasks in a coordinated manner, security and power management are among the most critical challenges. Physically unclonable function (PUF) emerges as an important security primitive in hardware-security applications; it provides an object-specific physical identifier hidden within the intrinsic device variations, which is hard to expose and reproduce by adversaries. Yet, designing a compact PUF robust to noise, temperature and voltage remains a challenge. This thesis presents a novel PUF design approach based on a pair of ultra-compact analog circuits whose output is proportional to absolute temperature. The proposed approach is demonstrated through two works: (1) an ultra-compact and robust PUF based on voltage-compensated proportional-to-absolute-temperature voltage generators that occupies 8.3× less area than the previous work with the similar robustness and twice the robustness of the previously most compact PUF design and (2) a technique to transform a 6T-SRAM array into a robust analog PUF with minimal overhead. In this work, similar circuit topology is used to transform a preexisting on-chip SRAM into a PUF, which further reduces the area in (1) with no robustness penalty. In this thesis, we also explore techniques for power management circuit design. Energy harvesting is an essential functionality in an IoT sensor node, where battery replacement is cost-prohibitive or impractical. Yet, existing energy-harvesting power management units (EH PMU) suffer from efficiency loss in the two-step voltage conversion: harvester-to-battery and battery-to-load. We propose an EH PMU architecture with hybrid energy storage, where a capacitor is introduced in addition to the battery to serve as an intermediate energy buffer to minimize the battery involvement in the system energy flow. Test-case measurements show as much as a 2.2× improvement in the end-to-end energy efficiency. In contrast, with the drastically reduced power consumption of IoT nodes that operates in the sub-threshold regime, adaptive dynamic voltage scaling (DVS) for supply-voltage margin removal, fully on-chip integration and high power conversion efficiency (PCE) are required in PMU designs. We present a PMU–load co-design based on a fully integrated switched-capacitor DC-DC converter (SC-DC) and hybrid error/replica-based regulation for a fully digital PMU control. The PMU is integrated with a neural spike processor (NSP) that achieves a record-low power consumption of 0.61 µW for 96 channels. A tunable replica circuit is added to assist the error regulation and prevent loss of regulation. With automatic energy-robustness co-optimization, the PMU can set the SC-DC’s optimal conversion ratio and switching frequency. The PMU achieves a PCE of 77.7% (72.2%) at VIN = 0.6 V (1 V) and at the NSP’s margin-free operating point

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

Contributions on using embedded memory circuits as physically unclonable functions considering reliability issues

[eng] Moving towards Internet-of-Things (IoT) era, hardware security becomes a crucial research topic, because of the growing demand of electronic products that are remotely connected through networks. Novel hardware security primitives based on manufacturing process variability are proposed to enhance the security of the IoT systems. As a trusted root that provides physical randomness, a physically unclonable function is an essential base for hardware security. SRAM devices are becoming one of the most promising alternatives for the implementation of embedded physical unclonable functions as the start-up value of each bit-cell depends largely on the variability related with the manufacturing process. Not all bit-cells experience the same degree of variability, so it is possible that some cells randomly modify their logical starting value, while others will start-up always at the same value. However, physically unclonable function applications, such as identification and key generation, require more constant logical starting value to assure high reliability in PUF response. For this reason, some kind of post-processing is needed to correct the errors in the PUF response. Unfortunately, those cells that have more constant logic output are difficult to be detected in advance. This work characterizes by simulation the start-up value reproducibility proposing several metrics suitable for reliability estimation during design phases. The aim is to be able to predict by simulation the percentage of cells that will be suitable to be used as PUF generators. We evaluate the metrics results and analyze the start-up values reproducibility considering different external perturbation sources like several power supply ramp up times, previous internal values in the bit-cell, and different temperature scenarios. The characterization metrics can be exploited to estimate the number of suitable SRAM cells for use in PUF implementations that can be expected from a specific SRAM design.[cat] En l’era de la Internet de les coses (IoT), garantir la seguretat del hardware ha esdevingut un tema de recerca crucial, en especial a causa de la creixent demanda de productes electrònics que es connecten remotament a través de xarxes. Per millorar la seguretat dels sistemes IoT, s’han proposat noves solucions hardware basades en la variabilitat dels processos de fabricació. Les funcions físicament inclonables (PUF) constitueixen una font fiable d’aleatorietat física i són una base essencial per a la seguretat hardware. Les memòries SRAM s’estan convertint en una de les alternatives més prometedores per a la implementació de funcions físicament inclonables encastades. Això és així ja que el valor d’encesa de cada una de les cel·les que formen els bits de la memòria depèn en gran mesura de la variabilitat pròpia del procés de fabricació. No tots els bits tenen el mateix grau de variabilitat, així que algunes cel·les canvien el seu estat lògic d’encesa de forma aleatòria entre enceses, mentre que d’altres sempre assoleixen el mateix valor en totes les enceses. No obstant això, les funcions físicament inclonables, que s’utilitzen per generar claus d’identificació, requereixen un valor lògic d’encesa constant per tal d’assegurar una resposta fiable del PUF. Per aquest motiu, normalment es necessita algun tipus de postprocessament per corregir els possibles errors presents en la resposta del PUF. Malauradament, les cel·les que presenten una resposta més constant són difícils de detectar a priori. Aquest treball caracteritza per simulació la reproductibilitat del valor d’encesa de cel·les SRAM, i proposa diverses mètriques per estimar la fiabilitat de les cel·les durant les fases de disseny de la memòria. L'objectiu és ser capaç de predir per simulació el percentatge de cel·les que seran adequades per ser utilitzades com PUF. S’avaluen els resultats de diverses mètriques i s’analitza la reproductibilitat dels valors d’encesa de les cel·les considerant diverses fonts de pertorbacions externes, com diferents rampes de tensió per a l’encesa, els valors interns emmagatzemats prèviament en les cel·les, i diferents temperatures. Es proposa utilitzar aquestes mètriques per estimar el nombre de cel·les SRAM adients per ser implementades com a PUF en un disseny d‘SRAM específic.[spa] En la era de la Internet de las cosas (IoT), garantizar la seguridad del hardware se ha convertido en un tema de investigación crucial, en especial a causa de la creciente demanda de productos electrónicos que se conectan remotamente a través de redes. Para mejorar la seguridad de los sistemas IoT, se han propuesto nuevas soluciones hardware basadas en la variabilidad de los procesos de fabricación. Las funciones físicamente inclonables (PUF) constituyen una fuente fiable de aleatoriedad física y son una base esencial para la seguridad hardware. Las memorias SRAM se están convirtiendo en una de las alternativas más prometedoras para la implementación de funciones físicamente inclonables empotradas. Esto es así, puesto que el valor de encendido de cada una de las celdas que forman los bits de la memoria depende en gran medida de la variabilidad propia del proceso de fabricación. No todos los bits tienen el mismo grado de variabilidad. Así pues, algunas celdas cambian su estado lógico de encendido de forma aleatoria entre encendidos, mientras que otras siempre adquieren el mismo valor en todos los encendidos. Sin embargo, las funciones físicamente inclonables, que se utilizan para generar claves de identificación, requieren un valor lógico de encendido constante para asegurar una respuesta fiable del PUF. Por este motivo, normalmente se necesita algún tipo de posprocesado para corregir los posibles errores presentes en la respuesta del PUF. Desafortunadamente, las celdas que presentan una respuesta más constante son difíciles de detectar a priori. Este trabajo caracteriza por simulación la reproductibilidad del valor de encendido de celdas SRAM, y propone varias métricas para estimar la fiabilidad de las celdas durante las fases de diseño de la memoria. El objetivo es ser capaz de predecir por simulación el porcentaje de celdas que serán adecuadas para ser utilizadas como PUF. Se evalúan los resultados de varias métricas y se analiza la reproductibilidad de los valores de encendido de las celdas considerando varias fuentes de perturbaciones externas, como diferentes rampas de tensión para el encendido, los valores internos almacenados previamente en las celdas, y diferentes temperaturas. Se propone utilizar estas métricas para estimar el número de celdas SRAM adecuadas para ser implementadas como PUF en un diseño de SRAM específico