Ultra-low Power FinFET SRAM Cell with improved stability suitable for low power applications

In this paper, a new 11T SRAM cell using FinFET technology has been proposed, the basic component of the cell is the 6T SRAM cell with 4 NMOS access transistors to improve the stability and also makes it a dual port memory cell. The proposed cell uses a header scheme in which one extra PMOS transistor is used which is biased at different voltages to improve the read and write stability thus, helps in reducing the leakage power and active power. The cell shows improvement in RSNM (Read Static Noise Margin) with LP8T by 2.39x at sub-threshold voltage 2.68x with D6T SRAM cell, 5.5x with TG8T. The WSNM (Write Static Noise Margin) and HM (Hold Margin) of the SRAM cell at 0.9V is 306mV and 384mV. At sub-threshold operation also it shows improvement. The Leakage power reduced by 0.125x with LP8T, 0.022x with D6T SRAM cell, TG8T and SE8T. Also, impact of process variation on cell stability is discussed

Cache memory design in the FinFET era

The major problem in the future technology scaling is the variations in process parameters that are interpreted as imperfections in the development process. Moreover, devices are more sensitive to the environmental changes of temperature and supply volt- age as well as to ageing. All these influences are manifested in the integrated circuits as increased power consumption, reduced maximal operating frequency and increased number of failures. These effects have been partially overcome with the introduction of the FinFET technology which have solved the problem of variability caused by Random Dopant Fluctuations. However, in the next ten years channel length is projected to shrink to 10nm where the variability source generated by Line Edge Roughness will dominate, and its effects on the threshold voltage variations will become critical. The embedded memories with their cells as the basic building unit are the most prone to these effects due to their the smallest dimensions. Because of that, memories should be designed with particular care in order to make possible further technology scaling. This thesis explores upcoming 10nm FinFETs and the existing issues in the cache memory design with this technology. More- over, it tries to present some original and novel techniques on the different level of design abstraction for mitigating the effects of process and environmental variability. At first original method for simulating variability of Tri-Gate Fin- FETs is presented using conventional HSPICE simulation environment and BSIM-CMG model cards. When that is accomplished, thorough characterisation of traditional SRAM cell circuits (6T and 8T) is performed. Possibility of using Independent Gate FinFETs for increasing cell stability has been explored, also. Gain Cells appeared in the recent past as an attractive alternative for in the cache memory design. This thesis partially explores this idea by presenting and performing detailed circuit analysis of the dynamic 3T gain cell for 10nm FinFETs. At the top of this work, thesis shows one micro-architecture optimisation of high-speed cache when it is implemented by 3T gain cells. We show how the cache coherency states can be used in order to reduce refresh energy of the memory as well as reduce memory ageing.El principal problema de l'escalat la tecnologia són les variacions en els paràmetres de disseny (imperfeccions) durant procés de fabricació. D'altra banda, els dispositius també són més sensibles als canvis ambientals de temperatura, la tensió d'alimentació, així com l'envelliment. Totes aquestes influències es manifesten en els circuits integrats com l'augment de consum d'energia, la reducció de la freqüència d'operació màxima i l'augment del nombre de xips descartats. Aquests efectes s'han superat parcialment amb la introducció de la tecnologia FinFET que ha resolt el problema de la variabilitat causada per les fluctuacions de dopants aleatòries. No obstant això, en els propers deu anys, l'ample del canal es preveu que es reduirà a 10nm, on la font de la variabilitat generada per les rugositats de les línies de material dominarà, i els seu efecte en les variacions de voltatge llindar augmentarà. Les memòries encastades amb les seves cel·les com la unitat bàsica de construcció són les més propenses a sofrir aquests efectes a causa de les seves dimensions més petites. A causa d'això, cal dissenyar les memòries amb una especial cura per tal de fer possible l'escalat de la tecnologia. Aquesta tesi explora la tecnologia de FinFETs de 10nm i els problemes existents en el disseny de memòries amb aquesta tecnologia. A més a més, presentem noves tècniques originals sobre diferents nivells d'abstracció del disseny per a la mitigació dels efectes les variacions tan de procés com ambientals. En primer lloc, presentem un mètode original per a la simulació de la variabilitat de Tri-Gate FinFETs usant entorn de simulació HSPICE convencional i models de tecnologia BSIMCMG. Després, es realitza la caracterització completa dels circuits de cel·les SRAM tradicionals (6T i 8T) conjuntament amb l'ús de Gate-independent FinFETs per augmentar l'estabilitat de la cèl·lula

Reliability-aware memory design using advanced reconfiguration mechanisms

Fast and Complex Data Memory systems has become a necessity in modern computational units in today's integrated circuits. These memory systems are integrated in form of large embedded memory for data manipulation and storage. This goal has been achieved by the aggressive scaling of transistor dimensions to few nanometer (nm) sizes, though; such a progress comes with a drawback, making it critical to obtain high yields of the chips. Process variability, due to manufacturing imperfections, along with temporal aging, mainly induced by higher electric fields and temperature, are two of the more significant threats that can no longer be ignored in nano-scale embedded memory circuits, and can have high impact on their robustness. Static Random Access Memory (SRAM) is one of the most used embedded memories; generally implemented with the smallest device dimensions and therefore its robustness can be highly important in nanometer domain design paradigm. Their reliable operation needs to be considered and achieved both in cell and also in architectural SRAM array design. Recently, and with the approach to near/below 10nm design generations, novel non-FET devices such as Memristors are attracting high attention as a possible candidate to replace the conventional memory technologies. In spite of their favorable characteristics such as being low power and highly scalable, they also suffer with reliability challenges, such as process variability and endurance degradation, which needs to be mitigated at device and architectural level. This thesis work tackles such problem of reliability concerns in memories by utilizing advanced reconfiguration techniques. In both SRAM arrays and Memristive crossbar memories novel reconfiguration strategies are considered and analyzed, which can extend the memory lifetime. These techniques include monitoring circuits to check the reliability status of the memory units, and architectural implementations in order to reconfigure the memory system to a more reliable configuration before a fail happens.Actualmente, el diseño de sistemas de memoria en circuitos integrados busca continuamente que sean más rápidos y complejos, lo cual se ha vuelto de gran necesidad para las unidades de computación modernas. Estos sistemas de memoria están integrados en forma de memoria embebida para una mejor manipulación de los datos y de su almacenamiento. Dicho objetivo ha sido conseguido gracias al agresivo escalado de las dimensiones del transistor, el cual está llegando a las dimensiones nanométricas. Ahora bien, tal progreso ha conllevado el inconveniente de una menor fiabilidad, dado que ha sido altamente difícil obtener elevados rendimientos de los chips. La variabilidad de proceso - debido a las imperfecciones de fabricación - junto con la degradación de los dispositivos - principalmente inducido por el elevado campo eléctrico y altas temperaturas - son dos de las más relevantes amenazas que no pueden ni deben ser ignoradas por más tiempo en los circuitos embebidos de memoria, echo que puede tener un elevado impacto en su robusteza final. Static Random Access Memory (SRAM) es una de las celdas de memoria más utilizadas en la actualidad. Generalmente, estas celdas son implementadas con las menores dimensiones de dispositivos, lo que conlleva que el estudio de su robusteza es de gran relevancia en el actual paradigma de diseño en el rango nanométrico. La fiabilidad de sus operaciones necesita ser considerada y conseguida tanto a nivel de celda de memoria como en el diseño de arquitecturas complejas basadas en celdas de memoria SRAM. Actualmente, con el diseño de sistemas basados en dispositivos de 10nm, dispositivos nuevos no-FET tales como los memristores están atrayendo una elevada atención como posibles candidatos para reemplazar las actuales tecnologías de memorias convencionales. A pesar de sus características favorables, tales como el bajo consumo como la alta escabilidad, ellos también padecen de relevantes retos de fiabilidad, como son la variabilidad de proceso y la degradación de la resistencia, la cual necesita ser mitigada tanto a nivel de dispositivo como a nivel arquitectural. Con todo esto, esta tesis doctoral afronta tales problemas de fiabilidad en memorias mediante la utilización de técnicas de reconfiguración avanzada. La consideración de nuevas estrategias de reconfiguración han resultado ser validas tanto para las memorias basadas en celdas SRAM como en `memristive crossbar¿, donde se ha observado una mejora significativa del tiempo de vida en ambos casos. Estas técnicas incluyen circuitos de monitorización para comprobar la fiabilidad de las unidades de memoria, y la implementación arquitectural con el objetivo de reconfigurar los sistemas de memoria hacia una configuración mucho más fiables antes de que el fallo suced

Near-Threshold Computing: Past, Present, and Future.

Transistor threshold voltages have stagnated in recent years, deviating from constant-voltage scaling theory and directly limiting supply voltage scaling. To overcome the resulting energy and power dissipation barriers, energy efficiency can be improved through aggressive voltage scaling, and there has been increased interest in operating at near-threshold computing (NTC) supply voltages. In this region sizable energy gains are achieved with moderate performance loss, some of which can be regained through parallelism. This thesis first provides a methodical definition of how near to threshold is "near threshold" and continues with an in-depth examination of NTC across past, present, and future CMOS technologies. By systematically defining near-threshold, the trends and tradeoffs are analyzed, lending insight in how best to design and optimize near-threshold systems. NTC works best for technologies that feature good circuit delay scalability, therefore technologies without strong short-channel effects. Early planar technologies (prior to 90nm or so) featured good circuit scalability (8x energy gains), but lacked area in which to add cores for parallelization. Recent planar nodes (32nm – 20nm) feature more area for cores but suffer from poor delay scalability, and so are not well-suited for NTC (4x energy gains). The switch to FinFET CMOS technology allows for a return to strong voltage scalability (8x gain), reversing trends seen in planar technologies, while dark silicon has created an opportunity to add cores for parallelization. Improved FinFET voltage scalability even allows for latency reduction of a single task, as long as the task is sufficiently parallelizable (< 10% serial code). Finally, we will look at a technique for fast voltage boosting, called Shortstop, in which a core's operating voltage is raised in 10s of cycles. Shortstop can be used to quickly respond to single-threaded performance demands of a near-threshold system by leveraging the innate parasitic inductance of a dedicated dirty supply rail, further improving energy efficiency. The technique is demonstrated in a wirebond implementation and is able to boost a core up to 1.8x faster than a header-based approach, while reducing supply droop by 2-7x. An improved flip-chip architecture is also proposed.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/113600/1/npfet_1.pd

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

Cross layer reliability estimation for digital systems

Forthcoming manufacturing technologies hold the promise to increase multifuctional computing systems performance and functionality thanks to a remarkable growth of the device integration density. Despite the benefits introduced by this technology improvements, reliability is becoming a key challenge for the semiconductor industry. With transistor size reaching the atomic dimensions, vulnerability to unavoidable fluctuations in the manufacturing process and environmental stress rise dramatically. Failing to meet a reliability requirement may add excessive re-design cost to recover and may have severe consequences on the success of a product. %Worst-case design with large margins to guarantee reliable operation has been employed for long time. However, it is reaching a limit that makes it economically unsustainable due to its performance, area, and power cost. One of the open challenges for future technologies is building ``dependable'' systems on top of unreliable components, which will degrade and even fail during normal lifetime of the chip. Conventional design techniques are highly inefficient. They expend significant amount of energy to tolerate the device unpredictability by adding safety margins to a circuit's operating voltage, clock frequency or charge stored per bit. Unfortunately, the additional cost introduced to compensate unreliability are rapidly becoming unacceptable in today's environment where power consumption is often the limiting factor for integrated circuit performance, and energy efficiency is a top concern. Attention should be payed to tailor techniques to improve the reliability of a system on the basis of its requirements, ending up with cost-effective solutions favoring the success of the product on the market. Cross-layer reliability is one of the most promising approaches to achieve this goal. Cross-layer reliability techniques take into account the interactions between the layers composing a complex system (i.e., technology, hardware and software layers) to implement efficient cross-layer fault mitigation mechanisms. Fault tolerance mechanism are carefully implemented at different layers starting from the technology up to the software layer to carefully optimize the system by exploiting the inner capability of each layer to mask lower level faults. For this purpose, cross-layer reliability design techniques need to be complemented with cross-layer reliability evaluation tools, able to precisely assess the reliability level of a selected design early in the design cycle. Accurate and early reliability estimates would enable the exploration of the system design space and the optimization of multiple constraints such as performance, power consumption, cost and reliability. This Ph.D. thesis is devoted to the development of new methodologies and tools to evaluate and optimize the reliability of complex digital systems during the early design stages. More specifically, techniques addressing hardware accelerators (i.e., FPGAs and GPUs), microprocessors and full systems are discussed. All developed methodologies are presented in conjunction with their application to real-world use cases belonging to different computational domains

プレーナーガタオヨビフィンフェットガタエスラムニオケルチジョウホウシャセンキインシングルイベントアップセットニカンスルジッケンテキケンキュウ

T. Kato et al., "Muon-Induced Single-Event Upsets in 20-nm SRAMs: Comparative Characterization With Neutrons and Alpha Particles," in IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 68, no. 7, pp. 1436-1444, July 2021, doi: 10.1109/TNS.2021.3082559

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

Leveraging the Intrinsic Switching Behaviors of Spintronic Devices for Digital and Neuromorphic Circuits

With semiconductor technology scaling approaching atomic limits, novel approaches utilizing new memory and computation elements are sought in order to realize increased density, enhanced functionality, and new computational paradigms. Spintronic devices offer intriguing avenues to improve digital circuits by leveraging non-volatility to reduce static power dissipation and vertical integration for increased density. Novel hybrid spintronic-CMOS digital circuits are developed herein that illustrate enhanced functionality at reduced static power consumption and area cost. The developed spin-CMOS D Flip-Flop offers improved power-gating strategies by achieving instant store/restore capabilities while using 10 fewer transistors than typical CMOS-only implementations. The spin-CMOS Muller C-Element developed herein improves asynchronous pipelines by reducing the area overhead while adding enhanced functionality such as instant data store/restore and delay-element-free bundled data asynchronous pipelines. Spintronic devices also provide improved scaling for neuromorphic circuits by enabling compact and low power neuron and non-volatile synapse implementations while enabling new neuromorphic paradigms leveraging the stochastic behavior of spintronic devices to realize stochastic spiking neurons, which are more akin to biological neurons and commensurate with theories from computational neuroscience and probabilistic learning rules. Spintronic-based Probabilistic Activation Function circuits are utilized herein to provide a compact and low-power neuron for Binarized Neural Networks. Two implementations of stochastic spiking neurons with alternative speed, power, and area benefits are realized. Finally, a comprehensive neuromorphic architecture comprising stochastic spiking neurons, low-precision synapses with Probabilistic Hebbian Plasticity, and a novel non-volatile homeostasis mechanism is realized for subthreshold ultra-low-power unsupervised learning with robustness to process variations. Along with several case studies, implications for future spintronic digital and neuromorphic circuits are presented

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