Testability and redundancy techniques for improved yield and reliability of CMOS VLSI circuits

The research presented in this thesis is concerned with the design of fault-tolerant integrated circuits as a contribution to the design of fault-tolerant systems. The economical manufacture of very large area ICs will necessitate the incorporation of fault-tolerance features which are routinely employed in current high density dynamic random access memories. Furthermore, the growing use of ICs in safety-critical applications and/or hostile environments in addition to the prospect of single-chip systems will mandate the use of fault-tolerance for improved reliability. A fault-tolerant IC must be able to detect and correct all possible faults that may affect its operation. The ability of a chip to detect its own faults is not only necessary for fault-tolerance, but it is also regarded as the ultimate solution to the problem of testing. Off-line periodic testing is selected for this research because it achieves better coverage of physical faults and it requires less extra hardware than on-line error detection techniques. Tests for CMOS stuck-open faults are shown to detect all other faults. Simple test sequence generation procedures for the detection of all faults are derived. The test sequences generated by these procedures produce a trivial output, thereby, greatly simplifying the task of test response analysis. A further advantage of the proposed test generation procedures is that they do not require the enumeration of faults. The implementation of built-in self-test is considered and it is shown that the hardware overhead is comparable to that associated with pseudo-random and pseudo-exhaustive techniques while achieving a much higher fault coverage through-the use of the proposed test generation procedures. The consideration of the problem of testing the test circuitry led to the conclusion that complete test coverage may be achieved if separate chips cooperate in testing each other's untested parts. An alternative approach towards complete test coverage would be to design the test circuitry so that it is as distributed as possible and so that it is tested as it performs its function. Fault correction relies on the provision of spare units and a means of reconfiguring the circuit so that the faulty units are discarded. This raises the question of what is the optimum size of a unit? A mathematical model, linking yield and reliability is therefore developed to answer such a question and also to study the effects of such parameters as the amount of redundancy, the size of the additional circuitry required for testing and reconfiguration, and the effect of periodic testing on reliability. The stringent requirement on the size of the reconfiguration logic is illustrated by the application of the model to a typical example. Another important result concerns the effect of periodic testing on reliability. It is shown that periodic off-line testing can achieve approximately the same level of reliability as on-line testing, even when the time between tests is many hundreds of hours

Fault and Defect Tolerant Computer Architectures: Reliable Computing With Unreliable Devices

This research addresses design of a reliable computer from unreliable device technologies. A system architecture is developed for a fault and defect tolerant (FDT) computer. Trade-offs between different techniques are studied and yield and hardware cost models are developed. Fault and defect tolerant designs are created for the processor and the cache memory. Simulation results for the content-addressable memory (CAM)-based cache show 90% yield with device failure probabilities of 3 x 10(-6), three orders of magnitude better than non fault tolerant caches of the same size. The entire processor achieves 70% yield with device failure probabilities exceeding 10(-6). The required hardware redundancy is approximately 15 times that of a non-fault tolerant design. While larger than current FT designs, this architecture allows the use of devices much more likely to fail than silicon CMOS. As part of model development, an improved model is derived for NAND Multiplexing. The model is the first accurate model for small and medium amounts of redundancy. Previous models are extended to account for dependence between the inputs and produce more accurate results

Reliable Low-Power High Performance Spintronic Memories

Moores Gesetz folgend, ist es der Chipindustrie in den letzten fünf Jahrzehnten gelungen, ein explosionsartiges Wachstum zu erreichen. Dies hatte ebenso einen exponentiellen Anstieg der Nachfrage von Speicherkomponenten zur Folge, was wiederum zu speicherlastigen Chips in den heutigen Computersystemen führt. Allerdings stellen traditionelle on-Chip Speichertech- nologien wie Static Random Access Memories (SRAMs), Dynamic Random Access Memories (DRAMs) und Flip-Flops eine Herausforderung in Bezug auf Skalierbarkeit, Verlustleistung und Zuverlässigkeit dar. Eben jene Herausforderungen und die überwältigende Nachfrage nach höherer Performanz und Integrationsdichte des on-Chip Speichers motivieren Forscher, nach neuen nichtflüchtigen Speichertechnologien zu suchen. Aufkommende spintronische Spe- ichertechnologien wie Spin Orbit Torque (SOT) und Spin Transfer Torque (STT) erhielten in den letzten Jahren eine hohe Aufmerksamkeit, da sie eine Reihe an Vorteilen bieten. Dazu gehören Nichtflüchtigkeit, Skalierbarkeit, hohe Beständigkeit, CMOS Kompatibilität und Unan- fälligkeit gegenüber Soft-Errors. In der Spintronik repräsentiert der Spin eines Elektrons dessen Information. Das Datum wird durch die Höhe des Widerstandes gespeichert, welche sich durch das Anlegen eines polarisierten Stroms an das Speichermedium verändern lässt. Das Prob- lem der statischen Leistung gehen die Speichergeräte sowohl durch deren verlustleistungsfreie Eigenschaft, als auch durch ihr Standard- Aus/Sofort-Ein Verhalten an. Nichtsdestotrotz sind noch andere Probleme, wie die hohe Zugriffslatenz und die Energieaufnahme zu lösen, bevor sie eine verbreitete Anwendung finden können. Um diesen Problemen gerecht zu werden, sind neue Computerparadigmen, -architekturen und -entwurfsphilosophien notwendig. Die hohe Zugriffslatenz der Spintroniktechnologie ist auf eine vergleichsweise lange Schalt- dauer zurückzuführen, welche die von konventionellem SRAM übersteigt. Des Weiteren ist auf Grund des stochastischen Schaltvorgangs der Speicherzelle und des Einflusses der Prozessvari- ation ein nicht zu vernachlässigender Zeitraum dafür erforderlich. In diesem Zeitraum wird ein konstanter Schreibstrom durch die Bitzelle geleitet, um den Schaltvorgang zu gewährleisten. Dieser Vorgang verursacht eine hohe Energieaufnahme. Für die Leseoperation wird gleicher- maßen ein beachtliches Zeitfenster benötigt, ebenfalls bedingt durch den Einfluss der Prozess- variation. Dem gegenüber stehen diverse Zuverlässigkeitsprobleme. Dazu gehören unter An- derem die Leseintereferenz und andere Degenerationspobleme, wie das des Time Dependent Di- electric Breakdowns (TDDB). Diese Zuverlässigkeitsprobleme sind wiederum auf die benötigten längeren Schaltzeiten zurückzuführen, welche in der Folge auch einen über längere Zeit an- liegenden Lese- bzw. Schreibstrom implizieren. Es ist daher notwendig, sowohl die Energie, als auch die Latenz zur Steigerung der Zuverlässigkeit zu reduzieren, um daraus einen potenziellen Kandidaten für ein on-Chip Speichersystem zu machen. In dieser Dissertation werden wir Entwurfsstrategien vorstellen, welche das Ziel verfolgen, die Herausforderungen des Cache-, Register- und Flip-Flop-Entwurfs anzugehen. Dies erre- ichen wir unter Zuhilfenahme eines Cross-Layer Ansatzes. Für Caches entwickelten wir ver- schiedene Ansätze auf Schaltkreisebene, welche sowohl auf der Speicherarchitekturebene, als auch auf der Systemebene in Bezug auf Energieaufnahme, Performanzsteigerung und Zuver- lässigkeitverbesserung evaluiert werden. Wir entwickeln eine Selbstabschalttechnik, sowohl für die Lese-, als auch die Schreiboperation von Caches. Diese ist in der Lage, den Abschluss der entsprechenden Operation dynamisch zu ermitteln. Nachdem der Abschluss erkannt wurde, wird die Lese- bzw. Schreiboperation sofort gestoppt, um Energie zu sparen. Zusätzlich limitiert die Selbstabschalttechnik die Dauer des Stromflusses durch die Speicherzelle, was wiederum das Auftreten von TDDB und Leseinterferenz bei Schreib- bzw. Leseoperationen re- duziert. Zur Verbesserung der Schreiblatenz heben wir den Schreibstrom an der Bitzelle an, um den magnetischen Schaltprozess zu beschleunigen. Um registerbankspezifische Anforderungen zu berücksichtigen, haben wir zusätzlich eine Multiport-Speicherarchitektur entworfen, welche eine einzigartige Eigenschaft der SOT-Zelle ausnutzt, um simultan Lese- und Schreiboperatio- nen auszuführen. Es ist daher möglich Lese/Schreib- Konfilkte auf Bitzellen-Ebene zu lösen, was sich wiederum in einer sehr viel einfacheren Multiport- Registerbankarchitektur nieder- schlägt. Zusätzlich zu den Speicheransätzen haben wir ebenfalls zwei Flip-Flop-Architekturen vorgestellt. Die erste ist eine nichtflüchtige non-Shadow Flip-Flop-Architektur, welche die Speicherzelle als aktive Komponente nutzt. Dies ermöglicht das sofortige An- und Ausschalten der Versorgungss- pannung und ist daher besonders gut für aggressives Powergating geeignet. Alles in Allem zeigt der vorgestellte Flip-Flop-Entwurf eine ähnliche Timing-Charakteristik wie die konventioneller CMOS Flip-Flops auf. Jedoch erlaubt er zur selben Zeit eine signifikante Reduktion der statis- chen Leistungsaufnahme im Vergleich zu nichtflüchtigen Shadow- Flip-Flops. Die zweite ist eine fehlertolerante Flip-Flop-Architektur, welche sich unanfällig gegenüber diversen Defekten und Fehlern verhält. Die Leistungsfähigkeit aller vorgestellten Techniken wird durch ausführliche Simulationen auf Schaltkreisebene verdeutlicht, welche weiter durch detaillierte Evaluationen auf Systemebene untermauert werden. Im Allgemeinen konnten wir verschiedene Techniken en- twickeln, die erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Performanz, Energie und Zuverlässigkeit von spintronischen on-Chip Speichern, wie Caches, Register und Flip-Flops erreichen

Optimizing the integration and energy efficiency of through silicon via-based 3D interconnects

The aggressive scaling of CMOS process technology has been driving the rapid growth of the semiconductor industry for more than three decades. In recent years, the performance gains enabled by CMOS scaling have been increasingly challenged by highlyparasitic on-chip interconnects as wire parasitics do not scale at the same pace. Emerging 3D integration technologies based on vertical through-silicon vias (TSVs) promise a solution to the interconnect performance bottleneck, along with reduced fabrication cost and heterogeneous integration. As TSVs are a relatively recent interconnect technology, innovative test structures are required to evaluate and optimise the process, as well as extract parameters for the generation of design rules and models. From the circuit designer’s perspective, critical TSV characteristics are its parasitic capacitance, and thermomechanical stress distribution. This work proposes new test structures for extracting these characteristics. The structures were fabricated on a 65nm 3D process and used for the evaluation of that technology. Furthermore, as TSVs are implemented in large, densely interconnected 3D-system-on-chips (SoCs), the TSV parasitic capacitance may become an important source of energy dissipation. Typical low-power techniques based on voltage scaling can be used, though this represents a technical challenge in modern technology nodes. In this work, a novel TSV interconnection scheme is proposed based on reversible computing, which shows frequencydependent energy dissipation. The scheme is analysed using theoretical modelling, while a demonstrator IC was designed based on the developed theory and fabricated on a 130nm 3D process.EThOS - Electronic Theses Online ServiceEngineering and Physical Science Research Council (EPSRC)GBUnited Kingdo

The 1991 3rd NASA Symposium on VLSI Design

Papers from the symposium are presented from the following sessions: (1) featured presentations 1; (2) very large scale integration (VLSI) circuit design; (3) VLSI architecture 1; (4) featured presentations 2; (5) neural networks; (6) VLSI architectures 2; (7) featured presentations 3; (8) verification 1; (9) analog design; (10) verification 2; (11) design innovations 1; (12) asynchronous design; and (13) design innovations 2