Sensor de performance para células de memória CMOS

Vivemos hoje em dia tempos em que quase tudo tem um pequeno componente eletrónico e por sua vez esse componente precisa de uma memória para guardar as suas instruções. Dentro dos vários tipos de memórias, as Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) são as que mais utilização têm nos circuitos integrados e, com o avançar da tecnologia a ficar cada vez com uma escala mais reduzida, faz com que os problemas de performance e fiabilidade sejam uma constante. Efeitos como o BTI (Bias Thermal Instability), TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown), HCI (Hot Carrier Injection), EM (Electromigration), ao longo do tempo vão deteriorando os parâmetros físicos dos transístores de efeito de campo (MOSFET), mudando as suas propriedades elétricas. Associado ao efeito de BTI podemos ter o efeito PBTI (Positive BTI), que afeta mais os transístores NMOS, e o efeito NBTI (Negative BTI), que afeta mais os transístores PMOS. Se para nanotecnologias até 32 nanómetros o efeito NBTI é dominante, para tecnologias mais baixas os 2 efeitos são igualmente importantes. Porém, existem ainda outras variações no desempenho que podem colocar em causa o bom funcionamento dos circuitos, como as variações de processo (P), tensão (V) e temperatura (T), ou considerando todas estas variações, e de uma forma genérica, PVTA (Process, Voltage, Temperature and Aging). Tendo como base as células de memória de acesso aleatório (RAM, Random Access Memory), em particular as memórias estáticas (SRAM, Static Random Access Memory) e dinâmicas (DRAM, Dynamic Random Access Memory) que possuem tempos de leitura e escrita precisos, estas ficam bastante expostas ao envelhecimento dos seus componentes e, consecutivamente, acontece um decréscimo na sua performance, resultando em transições mais lentas, que por sua vez fará com que existam leituras e escritas mais lentas e poderão ocorrer erros nessas leituras e escritas . Para além destes fenómenos, temos também o facto de a margem de sinal ruido (SNM - Static Noise Margin) diminuir, fazendo com que a fiabilidade da memória seja colocada em causa. O envelhecimento das memórias CMOS traduz-se, portanto, na ocorrência de erros nas memórias ao longo do tempo, o que é indesejável, especialmente em sistemas críticos onde a ocorrência de um erro ou uma falha na memória pode significar por em risco sistemas de elevada importância e fundamentais (por exemplo, em sistemas de segurança, um erro pode desencadear um conjunto de ações não desejadas). Anteriormente já foram apresentadas algumas soluções para esta monitorização dos erros de uma memória, disponíveis na literatura, como é o caso do sensor de envelhecimento embebido no circuito OCAS (On-Chip Aging Sensor), que permite detetar envelhecimento numa SRAM provocado pelo envelhecimento por NBTI. Contudo este sensor demonstra algumas limitações, pois apenas se aplica a um conjunto de células SRAM conectadas a uma bit line, não sendo aplicado individualmente a outras células de memória como uma DRAM e não contemplando o efeito PBTI. Outra solução apresentada anteriormente é o Sensor de Envelhecimento para Células de Memória CMOS que demonstra alguma evolução em relação ao sensor OCAS. Contudo, ainda tem limitações, como é o caso de estar bastante dependente do sincronismo com a memória e não permitir qualquer tipo de calibração do sistema ao longo do seu funcionamento. O trabalho apresentado nesta dissertação resolve muitos dos problemas existentes nos trabalhos anteriores. Isto é, apresenta-se um sensor de performance para memórias capaz de reconhecer quando é que a memória pode estar na eminência de falhar, devido a fatores que afetam o desempenho da memória nas operações de escrita e leitura. Ou seja, sinaliza de forma preditiva as falhas. Este sensor está dividido em três grandes partes, como a seguir se descreve. O Transistion Detector é uma delas, que funciona como um “conversor” das transições na bit line da memória para o sensor, criando pulsos de duração proporcional à duração da transição na bit line, sendo que uma transição rápida resulta em pulsos curtos e uma transição lenta resulta em pulsos longos. Esta parte do circuito apresenta 2 tipos de configurações para o caso de ser aplicado numa SRAM, sendo que uma das configurações é para as memórias SRAM inicializadas a VDD, e a segunda configuração para memórias SRAM inicializadas a VDD/2. É também apresentada uma terceira configuração para o caso de o detetor ser aplicado numa DRAM. O funcionamento do detetor de transições está baseado num conjunto de inversores desequilibrados (ou seja, com capacidades de condução diferentes entre o transístor N e P no inversor), criando assim inversores do tipo N (com o transístor N mais condutivo que o P) e inversores do tipo P (com o transístor P mais condutivo que o N) que respondem de forma diferente às transições de 1 para 0 e vice-versa. Estas diferenças serão cruciais para a criação do pulso final que entrará no Pulse Detetor. Este segundo bloco do sensor é responsável por carregar um condensador com uma tensão proporcional ao tempo que a bit line levou a transitar. É nesta parte que se apresenta uma caraterística nova e importante, quando comparado com as soluções já existentes, que é a capacidade do sensor poder ser calibrado. Para isso, é utilizado um conjunto de transístores para carregar o condensador durante o impulso gerado no detetor de transições, que permitem aumentar ou diminuir a resistência de carga do condensador, ficando este com mais ou menos tensão (a tensão proporcional ao tempo da transição da bit line) a ser usada na Comparação seguinte. O terceiro grande bloco deste sensor é resumidamente um bloco comparador, que compara a tensão guardada no condensador com uma tensão de referência disponível no sensor e definida durante o projeto. Este comparador tem a função de identificar qual destas 2 tensões é a mais alta (a do condensador, que é proporcional ao tempo de transição da bit line, ou a tensão de referência) e fazer com a mesma seja “disparada” para VDD, sendo que a tensão mais baixa será colocada a VSS. Desta forma é sinalizado se a transição que está a ser avaliada deve ser considerada um erro ou não. Para controlar todo o processo, o sensor tem na sua base de funcionamento um controlador (uma máquina de estados finita composta por 3 estados). O primeiro estado do controlador é o estado de Reset, que faz com que todos os pontos do circuito estejam com as tenções necessárias ao início de funcionamento do mesmo. O segundo estado é o Sample, que fica a aguardar uma transição na bit line para ser validada pelo sensor e fazer com que o mesmo avance para o terceiro estado, que é o de Compare, onde ativa o comparador do sensor e coloca no exterior o resultado dessa comparação. Assim, se for detetado uma transição demasiado lenta na bit line, que é um sinal de erro, o mesmo será sinalizado para o exterior activando o sinal de saída. Caso o sensor não detete nenhum erro nas transições, o sinal de saída não é activado. O sensor tem a capacidade de funcionar em modo on-line, ou seja, não é preciso desligar o circuito de memória do seu funcionamento normal para poder ser testado. Para além disso, pode ainda ser utilizado internamente na memória, como sensor local (monitorizando as células reais de memória), ou externamente, como sensor global, caso seja colocado a monitorizar uma célula de memória fictícia.Within the several types of memories, the Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) are the most used in the integrated circuits and, as technology advances and becomes increasingly smaller in scale, it makes performance and reliability a constant problem. Effects such as BTI (Bias Thermal Instability), the positive (PBTI - Positive BTI) and the negative (NBTI - Negative BTI), TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown), HCI (Hot Carrier Injection), EM (Electromigration), etc., are aging effects that contribute to a cumulatively degradation of the transistors. Moreover, other parametric variations may also jeopardize the proper functioning of circuits and contribute to reduce circuits’ performance, such as process variations (P), power-supply voltage variations (V) and temperature variations (T), or considering all these variations, and in a generic way, PVTA (Process, Voltage, Temperature and Aging). The Sensor proposed in this paper aims to signalize these problems so that the user knows when the memory operation may be compromised. The sensor is made up of three important parts, the Transition Detector, the Pulse Detector and the Comparator, creating a sensor that converts bit line transition created in a memory operation (read or write) into a pulse and a voltage, that can be compared with a reference voltage available in the sensor. If the reference voltage is higher than the voltage proportional to the bit line transition time, the sensor output is not activated; but if the bit line transition time is high enough to generate a voltage higher than the reference voltage in the sensor, the sensor output signalizes a predictive error, denoting that the memory performance is in a critical state that may lead to an error if corrective measures are not taken. One important feature in this sensor topology is that it can be calibrated during operation, by controlling sensor’s sensibility to the bit line transition. Another important feature is that it can be applied locally, to monitor the online operation of the memory, or globally, by monitoring a dummy memory in pre-defined conditions. Moreover, it can be applied to SRAM or DRAM, being the first online sensor available for DRAM memories

Sensor de envelhecimento para células de memória CMOS

Dissertação de Mestrado, Engenharia e Tecnologia, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2016As memórias Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) ocupam uma percentagem de área significativa nos circuitos integrados e, com o desenvolvimento de tecnologias de fabrico a uma escala cada vez mais reduzida, surgem problemas de performance e de fiabilidade. Efeitos como o BTI (Bias Thermal Instability), TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown), HCI (Hot Carrier Injection), EM (Electromigration), degradam os parâmetros físicos dos transístores de efeito de campo (MOSFET), alterando as suas propriedades elétricas ao longo do tempo. O efeito BTI pode ser subdividido em NBTI (Negative BTI) e PBTI (Positive BTI). O efeito NBTI é dominante no processo de degradação e envelhecimento dos transístores CMOS, afetando os transístores PMOS, enquanto o efeito PBTI assume especial relevância na degradação dos transístores NMOS. A degradação provocada por estes efeitos, manifesta-se nos transístores através do incremento do módulo da tensão de limiar de condução |ℎ| ao longo do tempo. A degradação dos transístores é designada por envelhecimento, sendo estes efeitos cumulativos e possuindo um grande impacto na performance do circuito, em particular se ocorrerem outras variações paramétricas. Outras variações paramétricas adicionais que podem ocorrer são as variações de processo (P), tensão (V) e temperatura (T), ou considerando todas estas variações, e de uma forma genérica, PVTA (Process, Voltage, Temperature and Aging). As células de memória de acesso aleatório (RAM, Random Access Memory), em particular as memórias estáticas (SRAM, Static Random Access Memory) e dinâmicas (DRAM, Dynamic Random Access Memory), possuem tempos de leitura e escrita precisos. Quando ao longo do tempo ocorre o envelhecimento das células de memória, devido à degradação das propriedades dos transístores MOSFET, ocorre também uma degradação da performance das células de memória. A degradação de performance é, portanto, resultado das transições lentas que ocorrem, devido ao envelhecimento dos transístores MOSFET que comutam mais tarde, comparativamente a transístores novos. A degradação de performance nas memórias devido às transições lentas pode traduzir-se em leituras e escritas mais lentas, bem como em alterações na capacidade de armazenamento da memória. Esta propriedade pode ser expressa através da margem de sinal ruído (SNM). O SNM é reduzido com o envelhecimento dos transístores MOSFET e, quando o valor do SNM é baixo, a célula perde a sua capacidade de armazenamento, tornando-se mais vulnerável a fontes de ruído. O SNM é, portanto, um valor que permite efetuar a aferição (benchmarking) e comparar as características da memória perante o envelhecimento ou outras variações paramétricas que possam ocorrer. O envelhecimento das memórias CMOS traduz-se portanto na ocorrência de erros nas memórias ao longo do tempo, o que é indesejável especialmente em sistemas críticos. O trabalho apresentado nesta dissertação tem como objetivo o desenvolvimento de um sensor de envelhecimento e performance para memórias CMOS, detetando e sinalizando para o exterior o envelhecimento em células de memória SRAM devido à constante monitorização da sua performance. O sensor de envelhecimento e performance é ligado na bit line da célula de memória e monitoriza ativamente as operações de leitura e escrita decorrentes da operação da memória. O sensor de envelhecimento é composto por dois blocos: um detetor de transições e um detetor de pulsos. O detetor de transições é constituído por oito inversores e uma porta lógica XOR realizada com portas de passagem. Os inversores possuem diferentes relações nos tamanhos dos transístores P/N, permitindo tempos de comutação em diferentes valores de tensão. Assim, quando os inversores com tensões de comutações diferentes são estimulados pelo mesmo sinal de entrada e são ligados a uma porta XOR, permitem gerar na saída um impulso sempre que existe uma comutação na bit line. O impulso terá, portanto, uma duração proporcional ao tempo de comutação do sinal de entrada, que neste caso particular são as operações de leitura e escrita da memória. Quando o envelhecimento ocorre e as transições se tornam mais lentas, os pulsos possuem uma duração superior face aos pulsos gerados numa SRAM nova. Os pulsos gerados seguem para um elemento de atraso (delay element) que provoca um atraso aos pulsos, invertendo-os de seguida, e garantindo que a duração dos pulsos é suficiente para que exista uma deteção. O impulso gerado é ligado ao bloco seguinte que compõe o sensor de envelhecimento e performance, sendo um circuito detetor de pulso. O detetor de pulso implementa um NOR CMOS, controlado por um sinal de relógio (clock) e pelos pulsos invertidos. Quando os dois sinais de input do NOR são ‘0’ o output resultante será ‘1’, criando desta forma uma janela de deteção. O sensor de envelhecimento será ajustado em cada implementação, de forma a que numa célula de memória nova os pulsos invertidos se encontrem alinhados temporalmente com os pulsos de relógio. Este ajuste é feito durante a fase de projeto, em função da frequência de operação requerida para a célula, quer pelo dimensionamento do delay element (ajustando o seu atraso), quer pela definição do período do sinal de relógio. À medida que o envelhecimento dos circuitos ocorre e as comutações nos transístores se tornam mais lentas, a duração dos pulsos aumenta e consequentemente entram na janela de deteção, originando uma sinalização na saída do sensor. Assim, caso ocorram operações de leitura e escrita instáveis, ou seja, que apresentem tempos de execução acima do expectável ou que os seus níveis lógicos estejam degradados, o sensor de envelhecimento e performance devolve para o exterior ‘1’, sinalizando um desempenho crítico para a operação realizada, caso contrário a saída será ‘0’, indicando que não é verificado nenhum erro no desempenho das operações de escrita e leitura. Os transístores do sensor de envelhecimento e performance são dimensionados de acordo com a implementação; por exemplo, os modelos dos transístores selecionados, tensões de alimentação, ou número de células de memória conectadas na bit line, influenciam o dimensionamento prévio do sensor, já que tanto a performance da memória como o desempenho do sensor dependem das condições de operação. Outras soluções previamente propostas e disponíveis na literatura, nomeadamente o sensor de envelhecimento embebido no circuito OCAS (On-Chip Aging Sensor), permitem detetar envelhecimento numa SRAM devido ao envelhecimento por NBTI. Porém esta solução OCAS apenas se aplica a um conjunto de células SRAM conectadas a uma bit line, não sendo aplicado individualmente a outras células de memória como uma DRAM e não contemplando o efeito PBTI. Uma outra solução já existente, o sensor Scout flip-flop utilizado para aplicações ASIC (Application Specific Integrated Circuit) em circuitos digitais síncronos, atua também como um sensor de performance local e responde de forma preditiva na monitorização de faltas por atraso, utilizando por base janelas de deteção. Esta solução não foi projetada para a monitorização de operações de leitura e escrita em memórias SRAM e DRAM. No entanto, pela sua forma de atuar, esta solução aproxima-se mais da solução proposta neste trabalho, uma vez que o seu funcionamento se baseia em sinalização de sinais atrasados. Nesta dissertação, o recurso a simulações SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) permite validar e testar o sensor de envelhecimento e performance. O caso de estudo utilizado para aplicar o sensor é uma memória CMOS, SRAM, composta por 6 transístores, juntamente com os seus circuitos periféricos, nomeadamente o amplificador sensor e o circuito de pré-carga e equalização, desenvolvidos em tecnologia CMOS de 65nm e 22nm, com recurso aos modelos de MOSFET ”Berkeley Predictive Technology Models (PTM)”. O sensor é devolvido e testado em 65nm e em 22nm com os modelos PTM, permitindo caracterizar o sensor de envelhecimento e performance desenvolvido, avaliando também de que forma o envelhecimento degrada as operações de leitura e escrita da SRAM, bem como a sua capacidade de armazenamento e robustez face ao ruído. Por fim, as simulações apresentadas provam que o sensor de envelhecimento e performance desenvolvido nesta tese de mestrado permite monitorizar com sucesso a performance e o envelhecimento de circuitos de memória SRAM, ultrapassando os desafios existentes nas anteriores soluções disponíveis para envelhecimento de memórias. Verificou-se que na presença de um envelhecimento que provoque uma degradação igual ou superior a 10%, o sensor de envelhecimento e performance deteta eficazmente a degradação na performance, sinalizando os erros. A sua utilização em memórias DRAM, embora possível, não foi testada nesta dissertação, ficando reservada para trabalho futuro

Exploiting Aging Benefits for the Design of Reliable Drowsy Cache Memories

In this paper, we show how beneficial effects of aging on static power consumption can be exploited to design reliable drowsy cache memories adopting dynamic voltage scaling(DVS) to reduce static power. First, we develop an analytical model allowing designers to evaluate the long-term threshold voltage degradation induced by bias temperature instability (BTI)in a drowsy cache memory. Through HSPICE simulations, we demonstrate that, as drowsy memories age, static power reduction techniques based on DVS become more effective because of reduction in sub-threshold current due to BTI aging. We develop a simulation framework to evaluate trade-offs between static power and reliability, and a methodology to properly select the “drowsy” data retention voltage. We then propose different architectures of a drowsy cache memory allowing designers to meet different power and reliability constraints. The performed HSPICE simulations show a soft error rate and static noise margin improvement up to 20.8% and 22.7%, respectively, compared to standard aging unaware drowsy technique. This is achieved with a limited static power increase during the very early lifetime, and with static energy saving of up to 37% in 10 years of operation, at no or very limited hardware overhead

Revamping Timing Error Resilience to Tackle Choke Points at NTC

The growing market of portable devices and smart wearables has contributed to innovation and development of systems with longer battery-life. While Near Threshold Computing (NTC) systems address the need for longer battery-life, they have certain limitations. NTC systems are prone to be significantly affected by variations in the fabrication process, commonly called process variation (PV). This dissertation explores an intriguing effect of PV, called choke points. Choke points are especially important due to their multifarious influence on the functional correctness of an NTC system. This work shows why novel research is required in this direction and proposes two techniques to resolve the problems created by choke points, while maintaining the reduced power needs

Monitor amb control strategies to reduce the impact of process variations in digital circuits

As CMOS technology scales down, Process, Voltage, Temperature and Ageing (PVTA) variations have an increasing impact on the performance and power consumption of electronic devices. These issues may hold back the continuous improvement of these devices in the near future. There are several ways to face the variability problem: to increase the operating margins of maximum clock frequency, the implementation of lithographic friendly layout styles, and the last one and the focus of this thesis, to adapt the circuit to its actual manufacturing and environment conditions by tuning some of the adjustable parameters once the circuit has been manufactured. The main challenge of this thesis is to develop a low-area variability compensation mechanism to automatically mitigate PVTA variations in run-time, i.e. while integrated circuit is running. This implies the development of a sensor to obtain the most accurate picture of variability, and the implementation of a control block to knob some of the electrical parameters of the circuit.A mesura que la tecnologia CMOS escala, les variacions de Procés, Voltatge, Temperatura i Envelliment (PVTA) tenen un impacte creixent en el rendiment i el consum de potència dels dispositius electrònics. Aquesta problemàtica podria arribar a frenar la millora contínua d'aquests dispositius en un futur proper. Hi ha diverses maneres d'afrontar el problema de la variabilitat: relaxar el marge de la freqüència màxima d'operació, implementar dissenys físics de xips més fàcils de litografiar, i per últim i com a tema principal d'aquesta tesi, adaptar el xip a les condicions de fabricació i d'entorn mitjançant la modificació d'algun dels seus paràmetres ajustables una vegada el circuit ja ha estat fabricat. El principal repte d'aquesta tesi és desenvolupar un mecanisme de compensació de variabilitat per tal de mitigar les variacions PVTA de manera automàtica en temps d'execució, és a dir, mentre el xip està funcionant. Això implica el desenvolupament d'un sensor capaç de mesurar la variabilitat de la manera més acurada possible, i la implementació d'un bloc de control que permeti l'ajust d'alguns dels paràmetres elèctrics dels circuits

Revamping Timing Error Resilience to Tackle Choke Points at NTC

The growing market of portable devices and smart wearables has contributed to innovation and development of systems with longer battery-life. While Near Threshold Computing (NTC) systems address the need for longer battery-life, they have certain limitations. NTC systems are prone to be significantly affected by variations in the fabrication process, commonly called process variation (PV). This dissertation explores an intriguing effect of PV, called choke points. Choke points are especially important due to their multifarious influence on the functional correctness of an NTC system. This work shows why novel research is required in this direction and proposes two techniques to resolve the problems created by choke points, while maintaining the reduced power needs