Ultra Low Power Digital Circuit Design for Wireless Sensor Network Applications

Ny forskning innenfor feltet trådløse sensornettverk åpner for nye og innovative produkter og løsninger. Biomedisinske anvendelser er blant områdene med størst potensial og det investeres i dag betydelige beløp for å bruke denne teknologien for å gjøre medisinsk diagnostikk mer effektiv samtidig som man åpner for fjerndiagnostikk basert på trådløse sensornoder integrert i et ”helsenett”. Målet er å forbedre tjenestekvalitet og redusere kostnader samtidig som brukerne skal oppleve forbedret livskvalitet som følge av økt trygghet og mulighet for å tilbringe mest mulig tid i eget hjem og unngå unødvendige sykehusbesøk og innleggelser. For å gjøre dette til en realitet er man avhengige av sensorelektronikk som bruker minst mulig energi slik at man oppnår tilstrekkelig batterilevetid selv med veldig små batterier. I sin avhandling ” Ultra Low power Digital Circuit Design for Wireless Sensor Network Applications” har PhD-kandidat Farshad Moradi fokusert på nye løsninger innenfor konstruksjon av energigjerrig digital kretselektronikk. Avhandlingen presenterer nye løsninger både innenfor aritmetiske og kombinatoriske kretser, samtidig som den studerer nye statiske minneelementer (SRAM) og alternative minnearkitekturer. Den ser også på utfordringene som oppstår når silisiumteknologien nedskaleres i takt med mikroprosessorutviklingen og foreslår løsninger som bidrar til å gjøre kretsløsninger mer robuste og skalerbare i forhold til denne utviklingen. De viktigste konklusjonene av arbeidet er at man ved å introdusere nye konstruksjonsteknikker både er i stand til å redusere energiforbruket samtidig som robusthet og teknologiskalerbarhet øker. Forskningen har vært utført i samarbeid med Purdue University og vært finansiert av Norges Forskningsråd gjennom FRINATprosjektet ”Micropower Sensor Interface in Nanometer CMOS Technology”

Bascules à impulsion robustes en technologie 28nm FDSOI pour circuits numériques basse consommation à très large gamme de tension d'alimentation

The explosion market of the mobile application and the paradigm of the Internet of Things lead to a huge demand for energy-efficient systems. To overcome the limit of Moore's law due to bulk technology, a new transistor technology has appeared recently in industrial process: the fully-depleted silicon on insulator, or FDSOI.In modern ASIC designs, a large portion of the total power consumption is due to the leaves of the clock tree: the flip-flops. Therefore, the appropriate flip-flop architecture is a major choice to reach the speed and energy constraints of mobile and ultra-low power applications. After a thorough overview of the literature, the explicit pulse-triggered flip-flop topology is pointed out as a very interesting flip-flop architecture for high-speed and low-power systems. However, it is today only used in high-performances circuits mainly because of its poor robustness at ultra-low voltage.In this work, explicit pulse-triggered flip-flops architecture design is developed and studied in order to improve their robustness and their energy-efficiency. A large comparison of resettable and scannable latch architecture is performed in the energy-delay domain by modifying the sizing of the transistors, both at nominal and ultra-low voltage. Then, it is shown that the back biasing technique allowed by the FDSOI technology provides better energy and delay performances than the sizing methodology. As the pulse generator is the main cause of functional failure, we proposed a new architecture which provides both a good robustness at ultra-low voltage and an energy efficiency. A selected topology of explicit pulse-triggered flip-flop was implemented in a 16x32b register file which exhibits better speed, energy consumption and area performances than a version with master-slave flip-flops, mainly thanks to the sharing of the pulse generator over several latches.Avec l'explosion du marché des applications portables et le paradigme de l'Internet des objets, la demande pour les circuits à très haute efficacité énergétique ne cesse de croître. Afin de repousser les limites de la loi de Moore, une nouvelle technologie est apparue très récemment dans les procédés industriels afin de remplacer la technologie en substrat massif ; elle est nommée fully-depleted silicon on insulator ou FDSOI. Dans les circuits numériques synchrones modernes, une grande portion de la consommation totale du circuit provient de l'arbre d'horloge, et en particulier son extrémité : les bascules. Dès lors, l'architecture adéquate de bascules est un choix crucial pour atteindre les contraintes de vitesse et d'énergie des applications basse-consommation. Après un large aperçu de l'état de l'art, les bascules à impulsion explicite sont reconnues les plus prometteuses pour les systèmes demandant une haute performance et une basse consommation. Cependant, cette architecture est pour l'instant fortement utilisée dans les circuits à haute performance et pratiquement absente des circuits à basse tension d'alimentation, principalement à cause de sa faible robustesse face aux variations.Dans ce travail, la conception d'architecture de bascule à impulsion explicite est étudiée dans le but d'améliorer la robustesse et l'efficacité énergétique. Un large panel d'architectures de bascule, avec les fonctions reset et scan, a été comparé dans le domaine énergie-délais, à haute et basse tension d'alimentation, grâce à une méthodologie de dimensionnement des transistors. Il a été montré que la technique dite de « back bias », l'un des principaux avantages de la technologie FDSOI, permettait des meilleures performances en énergie et délais que la méthodologie de dimensionnement. Ensuite, comme le générateur d'impulsion est la principale raison de dysfonctionnement, nous avons proposé une nouvelle architecture qui permet un très bon compromis entre robustesse à faible tension et consommation énergétique. Une topologie de bascule à impulsion explicite a été choisie pour être implémentée dans un banc de registres et, comparé aux bascules maître-esclave, elle présente une plus grande vitesse, une plus faible consommation énergétique et une plus petite surface

Energy and Area Efficient Machine Learning Architectures using Spin-Based Neurons

Recently, spintronic devices with low energy barrier nanomagnets such as spin orbit torque-Magnetic Tunnel Junctions (SOT-MTJs) and embedded magnetoresistive random access memory (MRAM) devices are being leveraged as a natural building block to provide probabilistic sigmoidal activation functions for RBMs. In this dissertation research, we use the Probabilistic Inference Network Simulator (PIN-Sim) to realize a circuit-level implementation of deep belief networks (DBNs) using memristive crossbars as weighted connections and embedded MRAM-based neurons as activation functions. Herein, a probabilistic interpolation recoder (PIR) circuit is developed for DBNs with probabilistic spin logic (p-bit)-based neurons to interpolate the probabilistic output of the neurons in the last hidden layer which are representing different output classes. Moreover, the impact of reducing the Magnetic Tunnel Junction\u27s (MTJ\u27s) energy barrier is assessed and optimized for the resulting stochasticity present in the learning system. In p-bit based DBNs, different defects such as variation of the nanomagnet thickness can undermine functionality by decreasing the fluctuation speed of the p-bit realized using a nanomagnet. A method is developed and refined to control the fluctuation frequency of the output of a p-bit device by employing a feedback mechanism. The feedback can alleviate this process variation sensitivity of p-bit based DBNs. This compact and low complexity method which is presented by introducing the self-compensating circuit can alleviate the influences of process variation in fabrication and practical implementation. Furthermore, this research presents an innovative image recognition technique for MNIST dataset on the basis of p-bit-based DBNs and TSK rule-based fuzzy systems. The proposed DBN-fuzzy system is introduced to benefit from low energy and area consumption of p-bit-based DBNs and high accuracy of TSK rule-based fuzzy systems. This system initially recognizes the top results through the p-bit-based DBN and then, the fuzzy system is employed to attain the top-1 recognition results from the obtained top outputs. Simulation results exhibit that a DBN-Fuzzy neural network not only has lower energy and area consumption than bigger DBN topologies while also achieving higher accuracy

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

Design Automation and Application for Emerging Reconfigurable Nanotechnologies

In the last few decades, two major phenomena have revolutionized the electronic industry – the ever-increasing dependence on electronic circuits and the Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) downscaling. These two phenomena have been complementing each other in a way that while electronics, in general, have demanded more computations per functional unit, CMOS downscaling has aptly supported such needs. However, while the computational demand is still rising exponentially, CMOS downscaling is reaching its physical limits. Hence, the need to explore viable emerging nanotechnologies is more imperative than ever. This thesis focuses on streamlining the existing design automation techniques for a class of emerging reconfigurable nanotechnologies. Transistors based on this technology exhibit duality in conduction, i.e. they can be configured dynamically either as a p-type or an n-type device on the application of an external bias. Owing to this dynamic reconfiguration, these transistors are also referred to as Reconfigurable Field-Effect Transistors (RFETs). Exploring and developing new technologies just like CMOS, require tackling two main challenges – first, design automation flow has to be modified to enable tailor- made circuit designs. Second, possible application opportunities should be explored where such technologies can outsmart the existing CMOS technologies. This thesis targets the above two objectives for emerging reconfigurable nanotechnologies by proposing approaches for enabling an Electronic Design Automation (EDA) flow for circuits based on RFETs and exploring hardware security as an application that exploits the transistor-level dynamic reconfiguration offered by this technology. This thesis explains the bottom-up approach adopted to propose a logic synthesis flow by identifying new logic gates and circuit design paradigms that can particularly exploit the dynamic reconfiguration offered by these novel nanotechnologies. This led to the subsequent need of finding natural Boolean logic abstraction for emerging reconfigurable nanotechnologies as it is shown that the existing abstraction of negative unate logic for CMOS technologies is sub-optimal for RFETs-based circuits. In this direction, it has been shown that duality in Boolean logic is a natural abstraction for this technology and can truly represent the duality in conduction offered by individual transistors. Finding this abstraction paved the way for defining suitable primitives and proposing various algorithms for logic synthesis and technology mapping. The following step is to explore compatible physical synthesis flow for emerging reconfigurable nanotechnologies. Using silicon nanowire-based RFETs, .lef and .lib files have been provided which can provide an end-to-end flow to generate .GDSII file for circuits exclusively based on RFETs. Additionally, new approaches have been explored to improve placement and routing for circuits based on reconfigurable nanotechnologies. It has been demonstrated how these approaches led to superior results as compared to the native flow meant for CMOS. Lastly, the unique property of transistor-level reconfiguration offered by RFETs is utilized to implement efficient Intellectual Property (IP) protection schemes against adversarial attacks. The ability to control the conduction of individual transistors can be argued as one of the impactful features of this technology and suitably fits into the paradigm of security measures. Prior security schemes based on CMOS technology often come with large overheads in terms of area, power, and delay. In contrast, RFETs-based hardware security measures such as logic locking, split manufacturing, etc. proposed in this thesis, demonstrate affordable security solutions with low overheads. Overall, this thesis lays a strong foundation for the two main objectives – design automation, and hardware security as an application, to push emerging reconfigurable nanotechnologies for commercial integration. Additionally, contributions done in this thesis are made available under open-source licenses so as to foster new research directions and collaborations.:Abstract List of Figures List of Tables 1 Introduction 1.1 What are emerging reconfigurable nanotechnologies? 1.2 Why does this technology look so promising? 1.3 Electronics Design Automation 1.4 The game of see-saw: key challenges vs benefits for emerging reconfigurable nanotechnologies 1.4.1 Abstracting ambipolarity in logic gate designs 1.4.2 Enabling electronic design automation for RFETs 1.4.3 Enhanced functionality: a suitable fit for hardware security applications 1.5 Research questions 1.6 Entire RFET-centric EDA Flow 1.7 Key Contributions and Thesis Organization 2 Preliminaries 2.1 Reconfigurable Nanotechnology 2.1.1 1D devices 2.1.2 2D devices 2.1.3 Factors favoring circuit-flexibility 2.2 Feasibility aspects of RFET technology 2.3 Logic Synthesis Preliminaries 2.3.1 Circuit Model 2.3.2 Boolean Algebra 2.3.3 Monotone Function and the property of Unateness 2.3.4 Logic Representations 3 Exploring Circuit Design Topologies for RFETs 3.1 Contributions 3.2 Organization 3.3 Related Works 3.4 Exploring design topologies for combinational circuits: functionality-enhanced logic gates 3.4.1 List of Combinational Functionality-Enhanced Logic Gates based on RFETs 3.4.2 Estimation of gate delay using the logical effort theory 3.5 Invariable design of Inverters 3.6 Sequential Circuits 3.6.1 Dual edge-triggered TSPC-based D-flip flop 3.6.2 Exploiting RFET’s ambipolarity for metastability 3.7 Evaluations 3.7.1 Evaluation of combinational logic gates 3.7.2 Novel design of 1-bit ALU 3.7.3 Comparison of the sequential circuit with an equivalent CMOS-based design 3.8 Concluding remarks 4 Standard Cells and Technology Mapping 4.1 Contributions 4.2 Organization 4.3 Related Work 4.4 Standard cells based on RFETs 4.4.1 Interchangeable Pull-Up and Pull-Down Networks 4.4.2 Reconfigurable Truth-Table 4.5 Distilling standard cells 4.6 HOF-based Technology Mapping Flow for RFETs-based circuits 4.6.1 Area adjustments through inverter sharings 4.6.2 Technology Mapping Flow 4.6.3 Realizing Parameters For The Generic Library 4.6.4 Defining RFETs-based Genlib for HOF-based mapping 4.7 Experiments 4.7.1 Experiment 1: Distilling standard-cells from a benchmark suite 4.7.2 Experiment 2A: HOF-based mapping . 4.7.3 Experiment 2B: Using the distilled standard-cells during mapping 4.8 Concluding Remarks 5 Logic Synthesis with XOR-Majority Graphs 5.1 Contributions 5.2 Organization 5.3 Motivation 5.4 Background and Preliminaries 5.4.1 Terminologies 5.4.2 Self-duality in NPN classes 5.4.3 Majority logic synthesis 5.4.4 Earlier work on XMG 5.4.5 Classification of Boolean functions 5.5 Preserving Self-Duality 5.5.1 During logic synthesis 5.5.2 During versatile technology mapping 5.6 Advanced Logic synthesis techniques 5.6.1 XMG resubstitution 5.6.2 Exact XMG rewriting 5.7 Logic representation-agnostic Mapping 5.7.1 Versatile Mapper 5.7.2 Support of supergates 5.8 Creating Self-dual Benchmarks 5.9 Experiments 5.9.1 XMG-based Flow 5.9.2 Experimental Setup 5.9.3 Synthetic self-dual benchmarks 5.9.4 Cryptographic benchmark suite 5.10 Concluding remarks and future research directions 6 Physical synthesis flow and liberty generation 6.1 Contributions 6.2 Organization 6.3 Background and Related Work 6.3.1 Related Works 6.3.2 Motivation 6.4 Silicon Nanowire Reconfigurable Transistors 6.5 Layouts for Logic Gates 6.5.1 Layouts for Static Functional Logic Gates 6.5.2 Layout for Reconfigurable Logic Gate 6.6 Table Model for Silicon Nanowire RFETs 6.7 Exploring Approaches for Physical Synthesis 6.7.1 Using the Standard Place & Route Flow 6.7.2 Open-source Flow 6.7.3 Concept of Driver Cells 6.7.4 Native Approach 6.7.5 Island-based Approach 6.7.6 Utilization Factor 6.7.7 Placement of the Island on the Chip 6.8 Experiments 6.8.1 Preliminary comparison with CMOS technology 6.8.2 Evaluating different physical synthesis approaches 6.9 Results and discussions 6.9.1 Parameters Which Affect The Area 6.9.2 Use of Germanium Nanowires Channels 6.10 Concluding Remarks 7 Polymporphic Primitives for Hardware Security 7.1 Contributions 7.2 Organization 7.3 The Shift To Explore Emerging Technologies For Security 7.4 Background 7.4.1 IP protection schemes 7.4.2 Preliminaries 7.5 Security Promises 7.5.1 RFETs for logic locking (transistor-level locking) 7.5.2 RFETs for split manufacturing 7.6 Security Vulnerabilities 7.6.1 Realization of short-circuit and open-circuit scenarios in an RFET-based inverter 7.6.2 Circuit evaluation on sub-circuits 7.6.3 Reliability concerns: A consequence of short-circuit scenario 7.6.4 Implication of the proposed security vulnerability 7.7 Analytical Evaluation 7.7.1 Investigating the security promises 7.7.2 Investigating the security vulnerabilities 7.8 Concluding remarks and future research directions 8 Conclusion 8.1 Concluding Remarks 8.2 Directions for Future Work Appendices A Distilling standard-cells B RFETs-based Genlib C Layout Extraction File (.lef) for Silicon Nanowire-based RFET D Liberty (.lib) file for Silicon Nanowire-based RFET

Design for Reliability and Low Power in Emerging Technologies

Die fortlaufende Verkleinerung von Transistor-Strukturgrößen ist einer der wichtigsten Antreiber für das Wachstum in der Halbleitertechnologiebranche. Seit Jahrzehnten erhöhen sich sowohl Integrationsdichte als auch Komplexität von Schaltkreisen und zeigen damit einen fortlaufenden Trend, der sich über alle modernen Fertigungsgrößen erstreckt. Bislang ging das Verkleinern von Transistoren mit einer Verringerung der Versorgungsspannung einher, was zu einer Reduktion der Leistungsaufnahme führte und damit eine gleichbleibenden Leistungsdichte sicherstellte. Doch mit dem Beginn von Strukturgrößen im Nanometerbreich verlangsamte sich die fortlaufende Skalierung. Viele Schwierigkeiten, sowie das Erreichen von physikalischen Grenzen in der Fertigung und Nicht-Idealitäten beim Skalieren der Versorgungsspannung, führten zu einer Zunahme der Leistungsdichte und, damit einhergehend, zu erschwerten Problemen bei der Sicherstellung der Zuverlässigkeit. Dazu zählen, unter anderem, Alterungseffekte in Transistoren sowie übermäßige Hitzeentwicklung, nicht zuletzt durch stärkeres Auftreten von Selbsterhitzungseffekten innerhalb der Transistoren. Damit solche Probleme die Zuverlässigkeit eines Schaltkreises nicht gefährden, werden die internen Signallaufzeiten üblicherweise sehr pessimistisch kalkuliert. Durch den so entstandenen zeitlichen Sicherheitsabstand wird die korrekte Funktionalität des Schaltkreises sichergestellt, allerdings auf Kosten der Performance. Alternativ kann die Zuverlässigkeit des Schaltkreises auch durch andere Techniken erhöht werden, wie zum Beispiel durch Null-Temperatur-Koeffizienten oder Approximate Computing. Wenngleich diese Techniken einen Großteil des üblichen zeitlichen Sicherheitsabstandes einsparen können, bergen sie dennoch weitere Konsequenzen und Kompromisse. Bleibende Herausforderungen bei der Skalierung von CMOS Technologien führen außerdem zu einem verstärkten Fokus auf vielversprechende Zukunftstechnologien. Ein Beispiel dafür ist der Negative Capacitance Field-Effect Transistor (NCFET), der eine beachtenswerte Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen FinFET Transistoren aufweist und diese in Zukunft ersetzen könnte. Des Weiteren setzen Entwickler von Schaltkreisen vermehrt auf komplexe, parallele Strukturen statt auf höhere Taktfrequenzen. Diese komplexen Modelle benötigen moderne Power-Management Techniken in allen Aspekten des Designs. Mit dem Auftreten von neuartigen Transistortechnologien (wie zum Beispiel NCFET) müssen diese Power-Management Techniken neu bewertet werden, da sich Abhängigkeiten und Verhältnismäßigkeiten ändern. Diese Arbeit präsentiert neue Herangehensweisen, sowohl zur Analyse als auch zur Modellierung der Zuverlässigkeit von Schaltkreisen, um zuvor genannte Herausforderungen auf mehreren Designebenen anzugehen. Diese Herangehensweisen unterteilen sich in konventionelle Techniken ((a), (b), (c) und (d)) und unkonventionelle Techniken ((e) und (f)), wie folgt: $\textbf{(a)}$ Analyse von Leistungszunahmen in Zusammenhang mit der Maximierung von Leistungseffizienz beim Betrieb nahe der Transistor Schwellspannung, insbesondere am optimalen Leistungspunkt. Das genaue Ermitteln eines solchen optimalen Leistungspunkts ist eine besondere Herausforderung bei Multicore Designs, da dieser sich mit den jeweiligen Optimierungszielsetzungen und der Arbeitsbelastung verschiebt. $\textbf{(b)}$ Aufzeigen versteckter Interdependenzen zwischen Alterungseffekten bei Transistoren und Schwankungen in der Versorgungsspannung durch „IR-drops“. Eine neuartige Technik wird vorgestellt, die sowohl Über- als auch Unterschätzungen bei der Ermittlung des zeitlichen Sicherheitsabstands vermeidet und folglich den kleinsten, dennoch ausreichenden Sicherheitsabstand ermittelt. $\textbf{(c)}$ Eindämmung von Alterungseffekten bei Transistoren durch „Graceful Approximation“, eine Technik zur Erhöhung der Taktfrequenz bei Bedarf. Der durch Alterungseffekte bedingte zeitlich Sicherheitsabstand wird durch Approximate Computing Techniken ersetzt. Des Weiteren wird Quantisierung verwendet um ausreichend Genauigkeit bei den Berechnungen zu gewährleisten. $\textbf{(d)}$ Eindämmung von temperaturabhängigen Verschlechterungen der Signallaufzeit durch den Betrieb nahe des Null-Temperatur Koeffizienten (N-ZTC). Der Betrieb bei N-ZTC minimiert temperaturbedingte Abweichungen der Performance und der Leistungsaufnahme. Qualitative und quantitative Vergleiche gegenüber dem traditionellen zeitlichen Sicherheitsabstand werden präsentiert. $\textbf{(e)}$ Modellierung von Power-Management Techniken für NCFET-basierte Prozessoren. Die NCFET Technologie hat einzigartige Eigenschaften, durch die herkömmliche Verfahren zur Spannungs- und Frequenzskalierungen zur Laufzeit (DVS/DVFS) suboptimale Ergebnisse erzielen. Dies erfordert NCFET-spezifische Power-Management Techniken, die in dieser Arbeit vorgestellt werden. $\textbf{(f)}$ Vorstellung eines neuartigen heterogenen Multicore Designs in NCFET Technologie. Das Design beinhaltet identische Kerne; Heterogenität entsteht durch die Anwendung der individuellen, optimalen Konfiguration der Kerne. Amdahls Gesetz wird erweitert, um neue system- und anwendungsspezifische Parameter abzudecken und die Vorzüge des neuen Designs aufzuzeigen. Die Auswertungen der vorgestellten Techniken werden mithilfe von Implementierungen und Simulationen auf Schaltkreisebene (gate-level) durchgeführt. Des Weiteren werden Simulatoren auf Systemebene (system-level) verwendet, um Multicore Designs zu implementieren und zu simulieren. Zur Validierung und Bewertung der Effektivität gegenüber dem Stand der Technik werden analytische, gate-level und system-level Simulationen herangezogen, die sowohl synthetische als auch reale Anwendungen betrachten

AI/ML Algorithms and Applications in VLSI Design and Technology

An evident challenge ahead for the integrated circuit (IC) industry in the nanometer regime is the investigation and development of methods that can reduce the design complexity ensuing from growing process variations and curtail the turnaround time of chip manufacturing. Conventional methodologies employed for such tasks are largely manual; thus, time-consuming and resource-intensive. In contrast, the unique learning strategies of artificial intelligence (AI) provide numerous exciting automated approaches for handling complex and data-intensive tasks in very-large-scale integration (VLSI) design and testing. Employing AI and machine learning (ML) algorithms in VLSI design and manufacturing reduces the time and effort for understanding and processing the data within and across different abstraction levels via automated learning algorithms. It, in turn, improves the IC yield and reduces the manufacturing turnaround time. This paper thoroughly reviews the AI/ML automated approaches introduced in the past towards VLSI design and manufacturing. Moreover, we discuss the scope of AI/ML applications in the future at various abstraction levels to revolutionize the field of VLSI design, aiming for high-speed, highly intelligent, and efficient implementations

Integrated Circuits/Microchips

With the world marching inexorably towards the fourth industrial revolution (IR 4.0), one is now embracing lives with artificial intelligence (AI), the Internet of Things (IoTs), virtual reality (VR) and 5G technology. Wherever we are, whatever we are doing, there are electronic devices that we rely indispensably on. While some of these technologies, such as those fueled with smart, autonomous systems, are seemingly precocious; others have existed for quite a while. These devices range from simple home appliances, entertainment media to complex aeronautical instruments. Clearly, the daily lives of mankind today are interwoven seamlessly with electronics. Surprising as it may seem, the cornerstone that empowers these electronic devices is nothing more than a mere diminutive semiconductor cube block. More colloquially referred to as the Very-Large-Scale-Integration (VLSI) chip or an integrated circuit (IC) chip or simply a microchip, this semiconductor cube block, approximately the size of a grain of rice, is composed of millions to billions of transistors. The transistors are interconnected in such a way that allows electrical circuitries for certain applications to be realized. Some of these chips serve specific permanent applications and are known as Application Specific Integrated Circuits (ASICS); while, others are computing processors which could be programmed for diverse applications. The computer processor, together with its supporting hardware and user interfaces, is known as an embedded system.In this book, a variety of topics related to microchips are extensively illustrated. The topics encompass the physics of the microchip device, as well as its design methods and applications

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