A Construction Kit for Efficient Low Power Neural Network Accelerator Designs

Implementing embedded neural network processing at the edge requires efficient hardware acceleration that couples high computational performance with low power consumption. Driven by the rapid evolution of network architectures and their algorithmic features, accelerator designs are constantly updated and improved. To evaluate and compare hardware design choices, designers can refer to a myriad of accelerator implementations in the literature. Surveys provide an overview of these works but are often limited to system-level and benchmark-specific performance metrics, making it difficult to quantitatively compare the individual effect of each utilized optimization technique. This complicates the evaluation of optimizations for new accelerator designs, slowing-down the research progress. This work provides a survey of neural network accelerator optimization approaches that have been used in recent works and reports their individual effects on edge processing performance. It presents the list of optimizations and their quantitative effects as a construction kit, allowing to assess the design choices for each building block separately. Reported optimizations range from up to 10'000x memory savings to 33x energy reductions, providing chip designers an overview of design choices for implementing efficient low power neural network accelerators

Cross-Layer Resiliency Modeling and Optimization: A Device to Circuit Approach

The never ending demand for higher performance and lower power consumption pushes the VLSI industry to further scale the technology down. However, further downscaling of technology at nano-scale leads to major challenges. Reduced reliability is one of them, arising from multiple sources e.g. runtime variations, process variation, and transient errors. The objective of this thesis is to tackle unreliability with a cross layer approach from device up to circuit level

Soft-Error Resilience Framework For Reliable and Energy-Efficient CMOS Logic and Spintronic Memory Architectures

The revolution in chip manufacturing processes spanning five decades has proliferated high performance and energy-efficient nano-electronic devices across all aspects of daily life. In recent years, CMOS technology scaling has realized billions of transistors within large-scale VLSI chips to elevate performance. However, these advancements have also continually augmented the impact of Single-Event Transient (SET) and Single-Event Upset (SEU) occurrences which precipitate a range of Soft-Error (SE) dependability issues. Consequently, soft-error mitigation techniques have become essential to improve systems\u27 reliability. Herein, first, we proposed optimized soft-error resilience designs to improve robustness of sub-micron computing systems. The proposed approaches were developed to deliver energy-efficiency and tolerate double/multiple errors simultaneously while incurring acceptable speed performance degradation compared to the prior work. Secondly, the impact of Process Variation (PV) at the Near-Threshold Voltage (NTV) region on redundancy-based SE-mitigation approaches for High-Performance Computing (HPC) systems was investigated to highlight the approach that can realize favorable attributes, such as reduced critical datapath delay variation and low speed degradation. Finally, recently, spin-based devices have been widely used to design Non-Volatile (NV) elements such as NV latches and flip-flops, which can be leveraged in normally-off computing architectures for Internet-of-Things (IoT) and energy-harvesting-powered applications. Thus, in the last portion of this dissertation, we design and evaluate for soft-error resilience NV-latching circuits that can achieve intriguing features, such as low energy consumption, high computing performance, and superior soft errors tolerance, i.e., concurrently able to tolerate Multiple Node Upset (MNU), to potentially become a mainstream solution for the aerospace and avionic nanoelectronics. Together, these objectives cooperate to increase energy-efficiency and soft errors mitigation resiliency of larger-scale emerging NV latching circuits within iso-energy constraints. In summary, addressing these reliability concerns is paramount to successful deployment of future reliable and energy-efficient CMOS logic and spintronic memory architectures with deeply-scaled devices operating at low-voltages

Towards Energy-Efficient and Reliable Computing: From Highly-Scaled CMOS Devices to Resistive Memories

The continuous increase in transistor density based on Moore\u27s Law has led us to highly scaled Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) technologies. These transistor-based process technologies offer improved density as well as a reduction in nominal supply voltage. An analysis regarding different aspects of 45nm and 15nm technologies, such as power consumption and cell area to compare these two technologies is proposed on an IEEE 754 Single Precision Floating-Point Unit implementation. Based on the results, using the 15nm technology offers 4-times less energy and 3-fold smaller footprint. New challenges also arise, such as relative proportion of leakage power in standby mode that can be addressed by post-CMOS technologies. Spin-Transfer Torque Random Access Memory (STT-MRAM) has been explored as a post-CMOS technology for embedded and data storage applications seeking non-volatility, near-zero standby energy, and high density. Towards attaining these objectives for practical implementations, various techniques to mitigate the specific reliability challenges associated with STT-MRAM elements are surveyed, classified, and assessed herein. Cost and suitability metrics assessed include the area of nanomagmetic and CMOS components per bit, access time and complexity, Sense Margin (SM), and energy or power consumption costs versus resiliency benefits. In an attempt to further improve the Process Variation (PV) immunity of the Sense Amplifiers (SAs), a new SA has been introduced called Adaptive Sense Amplifier (ASA). ASA can benefit from low Bit Error Rate (BER) and low Energy Delay Product (EDP) by combining the properties of two of the commonly used SAs, Pre-Charge Sense Amplifier (PCSA) and Separated Pre-Charge Sense Amplifier (SPCSA). ASA can operate in either PCSA or SPCSA mode based on the requirements of the circuit such as energy efficiency or reliability. Then, ASA is utilized to propose a novel approach to actually leverage the PV in Non-Volatile Memory (NVM) arrays using Self-Organized Sub-bank (SOS) design. SOS engages the preferred SA alternative based on the intrinsic as-built behavior of the resistive sensing timing margin to reduce the latency and power consumption while maintaining acceptable access time

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

Novel High Performance Ultra Low Power Static Random Access Memories (SRAMs) Based on Next Generation Technologies

Title from PDF of title page viewed January 27, 2021Dissertation advisor: Masud H. ChowdhuryVitaIncludes bibliographical references (page 107-120)Thesis (Ph.D.)--School of Computing and Engineering. University of Missouri--Kansas City, 2019Next Big Thing Is Surely Small: Nanotechnology Can Bring Revolution. Nanotechnology leads the world towards many new applications in various fields of computing, communication, defense, entertainment, medical, renewable energy and environment. These nanotechnology applications require an energy-efficient memory system to compute and process. Among all the memories, Static Random Access Memories (SRAMs) are high performance memories and occupies more than 50% of any design area. Therefore, it is critical to design high performance and energy-efficient SRAM design. Ultra low power and high speed applications require a new generation memory capable of operating at low power as well as low execution time. In this thesis, a novel 8T SRAM design is proposed that offers significantly faster access time and lowers energy consumption along with better read stability and write ability. The proposed design can be used in the conventional SRAM as well as in computationally intensive applications like neural networks and machine learning classifiers [1]-[4]. Novel 8T SRAM design offers higher energy efficiency, reliability, robustness and performance compared to the standard 6T and other existing 8T and 9T designs. It offers the advantages of a 10T SRAM without the additional area, delay and power overheads of the 10T SRAM. The proposed 8T SRAM would be able to overcome many other limitations of the conventional 6T and other 7T, 8T and 9T designs. The design employs single bitline for the write operation, therefore the number of write drivers are reduced. The defining feature of the proposed 8T SRAM is its hybrid design, which is the combination of two techniques: (i) the utilization of single-ended bitline and (ii) the utilization of virtual ground. The single-ended bitline technique ensures separate read and write operations, which eventually reduces the delay and power consumption during the read and write operations. It's independent read and write paths allow the use of the minimum sized access transistors and aid in a disturb-free read operation. The virtual ground weakens the positive feedback in the SRAM cell and improves its write ability. The virtual ground technique is also used to reduce leakages. The proposed design does not require precharging the bitlines for the read operation, which reduces the area and power overheads of the memory system by eliminating the precharging circuit. The design isolates the storage node from the read path, which improves the read stability. For reliability study, we have investigated the static noise margin (SNM) of the proposed 8T SRAM, for which, we have used two methods – (i) the traditional SNM method with the butterfly curve, (ii) the N-curve method A comparative analysis is performed between the proposed and the existing SRAM designs in terms of area, total power consumption during the read and write operations, and stability and reliability. All these advantages make the proposed 8T SRAM design an ideal candidate for the conventional and computationally intensive applications like machine learning classifier and deep learning neural network. In addition to this, there is need for next generation technologies to design SRAM memory because the conventional CMOS technology is approaching its physical and performance boundaries and as a consequence, becoming incompatible with ultra-low-power applications. Emerging devices such as Tunnel Field Effect Transistor (TFET)) and Graphene Nanoribbon Field Effect Transistor (GNRFET) devices are highly potential candidates to overcome the limitations of MOSFET because of their ability to achieve subthreshold slopes below 60 mV/decade and very low leakage currents [6]-[9]. This research also explores novel TFET and GNRFET based 6T SRAM. The thesis evaluates the standby leakage power in the Tunnel FET (TFET) based 6T SRAM cell for different pull-up, pull-down, and pass-gate transistors ratios (PU: PD: PG) and compared to 10nm FinFET based 6T SRAM designs. It is observed that the 10nm TFET based SRAMs have 107.57%, 163.64%, and 140.44% less standby leakage power compared to the 10nm FinFET based SRAMs when the PU: PD: PG ratios are 1:1:1, 1:5:2 and 2:5:2, respectively. The thesis also presents an analysis of the stability and reliability of sub-10nm TFET based 6T SRAM circuit with a reduced supply voltage of 500mV. The static noise margin (SNM), which is a critical measure of SRAM stability and reliability, is determined for hold, read and write operations of the 6T TFET SRAM cell. The robustness of the optimized TFET based 6T SRAM circuit is also evaluated at different supply voltages. Simulations were done in HSPICE and Cadence tools. From the analysis, it is clear that the main advantage of the TFET based SRAM would be the significant improvement in terms of leakage or standby power consumption. Compared to the FinFET based SRAM the standby leakage power of the T-SRAMs are 107.57%, 163.64%, and 140.44% less for 1:1:1, 1:5:2 and 2:5:2 configurations, respectively. Since leakage/standby power is the primary source of power consumption in the SRAM, and the overall system energy efficiency depends on SRAM power consumption, TFET based SRAM would lead to massive improvement of the energy efficiency of the system. Therefore, T-SRAMs are more suitable for ultra-low power applications. In addition to this, the thesis evaluates the standby leakage power of types of Graphene Nanoribbon FETs based 6T SRAM bitcell and compared to 10nm FinFET based 6T SRAM bitcell. It is observed that the 10nm MOS type GNRFET based SRAMs have 16.43 times less standby leakage power compared to the 10nm FinFET based SRAMs. The double gate SB-GNRFET based SRAM consumes 1.35E+03 times less energy compared to the 10nm FinFET based SRAM during write. However, during read double gate SB-GNRFET based SRAM consume 15 times more energy than FinFET based SRAM. It is also observed that GNRFET based SRAMs are more stable and reliable than FinFET based SRAM.Introduction -- Background -- Novel High Performance Ultra Low Power SRAM Design -- Tunnel FET Based SRAM Design -- Graphene Nanoribbon FET Based SRAM Design -- Double-gate FDSOI Based SRAM Designs -- Novel CNTFET and MEMRISTOR Based Digital Designs -- Conclusio

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

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

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

Variability analysis of FinFET AC/RF performances through efficient physics-based simulations for the optimization of RF CMOS stages

A nearly insatiable appetite for the latest electronic device enables the electronic technology sector to maintain research momentum. The necessity for advancement with miniaturization of electronic devices is the need of the day. Aggressive downscaling of electronic devices face some fundamental limits and thus, buoy up the change in device geometry. MOSFETs have been the leading contender in the electronics industry for years, but the dire need for miniaturization is forcing MOSFET to be scaled to nano-scale and in sub-50 nm scale. Short channel effects (SCE) become dominant and adversely affect the performance of the MOSFET. So, the need for a novel structure was felt to suppress SCE to an acceptable level. Among the proposed devices, FinFETs (Fin Field Effect Transistors) were found to be most effective to counter-act SCE in electronic devices. Today, many industries are working on electronic circuits with FinFETs as their primary element.One of limitation which FinFET faces is device variability. The purpose of this work was to study the effect that different sources of parameter fluctuations have on the behavior and characteristics of FinFETs. With deep literature review, we have gained insight into key sources of variability. Different sources of variations, like random dopant fluctuation, line edge roughness, fin variations, workfunction variations, oxide thickness variation, and source/drain doping variations, were studied and their impact on the performance of the device was studied as well. The adverse effect of these variations fosters the great amount of research towards variability modeling. A proper modeling of these variations is required to address the device performance metric before the fabrication of any new generation of the device on the commercial scale. The conventional methods to address the characteristics of a device under variability are Monte-Carlo-like techniques. In Monte Carlo analysis, all process parameters can be varied individually or simultaneously in a more realistic approach. The Monte Carlo algorithm takes a random value within the range of each process parameter and performs circuit simulations repeatedly. The statistical characteristics are estimated from the responses. This technique is accurate but requires high computational resources and time. Thus, efforts are being put by different research groups to find alternative tools. If the variations are small, Green’s Function (GF) approach can be seen as a breakthrough methodology. One of the most open research fields regards "Variability of FinFET AC performances". One reason for the limited AC variability investigations is the lack of commercially available efficient simulation tools, especially those based on accurate physics-based analysis: in fact, the only way to perform AC variability analysis through commercial TCAD tools like Synopsys Sentaurus is through the so-called Monte Carlo approach, that when variations are deterministic, is more properly referred to as incremental analysis, i.e., repeated solutions of the device model with varying physical parameters. For each selected parameter, the model must be solved first in DC operating condition (working point, WP) and then linearized around the WP, hence increasing severely the simulation time. In this work, instead, we used GF approach, using our in-house Simulator "POLITO", to perform AC variability analysis, provided that variations are small, alleviating the requirement of double linearization and reducing the simulation time significantly with a slight trade-off in accuracy. Using this tool we have, for the first time addressed the dependency of FinFET AC parameters on the most relevant process variations, opening the way to its application to RF circuits. This work is ultimately dedicated to the successful implementation of RF stages in commercial applications by incorporating variability effects and controlling the degradation of AC parameters due to variability. We exploited the POLITO (in-house simulator) limited to 2D structures, but this work can be extended to the variability analysis of 3D FinFET structure. Also variability analysis of III-V Group structures can be addressed. There is also potentiality to carry out the sensitivity analysis for the other source of variations, e.g., thermal variations