Rapid SoC Design: On Architectures, Methodologies and Frameworks

Modern applications like machine learning, autonomous vehicles, and 5G networking require an order of magnitude boost in processing capability. For several decades, chip designers have relied on Moore’s Law - the doubling of transistor count every two years to deliver improved performance, higher energy efficiency, and an increase in transistor density. With the end of Dennard’s scaling and a slowdown in Moore’s Law, system architects have developed several techniques to deliver on the traditional performance and power improvements we have come to expect. More recently, chip designers have turned towards heterogeneous systems comprised of more specialized processing units to buttress the traditional processing units. These specialized units improve the overall performance, power, and area (PPA) metrics across a wide variety of workloads and applications. While the GPU serves as a classical example, accelerators for machine learning, approximate computing, graph processing, and database applications have become commonplace. This has led to an exponential growth in the variety (and count) of these compute units found in modern embedded and high-performance computing platforms. The various techniques adopted to combat the slowing of Moore’s Law directly translates to an increase in complexity for modern system-on-chips (SoCs). This increase in complexity in turn leads to an increase in design effort and validation time for hardware and the accompanying software stacks. This is further aggravated by fabrication challenges (photo-lithography, tooling, and yield) faced at advanced technology nodes (below 28nm). The inherent complexity in modern SoCs translates into increased costs and time-to-market delays. This holds true across the spectrum, from mobile/handheld processors to high-performance data-center appliances. This dissertation presents several techniques to address the challenges of rapidly birthing complex SoCs. The first part of this dissertation focuses on foundations and architectures that aid in rapid SoC design. It presents a variety of architectural techniques that were developed and leveraged to rapidly construct complex SoCs at advanced process nodes. The next part of the dissertation focuses on the gap between a completed design model (in RTL form) and its physical manifestation (a GDS file that will be sent to the foundry for fabrication). It presents methodologies and a workflow for rapidly walking a design through to completion at arbitrary technology nodes. It also presents progress on creating tools and a flow that is entirely dependent on open-source tools. The last part presents a framework that not only speeds up the integration of a hardware accelerator into an SoC ecosystem, but emphasizes software adoption and usability.PHDElectrical and Computer EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/168119/1/ajayi_1.pd

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

The IPS fidelity scale as a guideline to implement Supported Employment

info:eu-repo/semantics/publishe

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

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

In-situ and In-field temperature and transistor BTI sensing techniques with microprocessor level implementation

In modern deep-scaled CMOS technologies, various silicon-related pitfalls present challenges to the long-term performance of microprocessors. Such challenges include (1) local hot spots, which breach the thermal limitations of a microprocessor, and (2) transistor aging, especially NBTI, which degrades transistor threshold voltage, ultimately threatening the reliability of the entire memory block. In previous systems, the dummy circuit was placed next to the subject, where the dummy was frequently analyzed, and the readout was used to infer the condition of the target. Due to rapidly changing ambient conditions (e.g., temperature and voltage) and the potential scale of the target dimensions, such metrics may not accurately represent the condition of the target. Moreover, such temperature sensors and canary circuits occupy a significant area. Therefore, it would be highly preferable to monitor the target circuit in-situ, i.e., to sense the precise transistor at operation. It is also important to achieve an accurate sensing metric. When the temperature is analyzed, the readout should account for voltage and process variations. While sensing the aging degradation, the readout should account for voltage and temperature fluctuations. This would allow testing during in-field operation, while the circuits achieve area-efficiency. This research had two stages. One result of the first stage was a silicon test chip that was a compact temperature sensor. It involved a family of PTAT+CTAT sensor front-ends that unitized only 6 to 8 conventional CMOS logic devices, yielding a smaller sized chip. The sensor demonstrates accuracy within the target and achieves a 14.3x smaller foot print than preceding published designs. The second product of the first stage was a PMOS aging sensor used in 6T SRAM circuits. The test chip has a real SRAM array, integrated with the proposed PMOS NBTI sensor. It can sense real PMOS NBTI effects in any bit cell (in-situ) and provide robust readings of temperature and voltage (in-field). Intensive aging tests validated the proposed sensing technique. The second stage was focused on implementing the in-situ and in-field sensing techniques in a real processor. The MIPS microprocessor had a modified instruction cache (I$) and instruction set architecture. With the addition of new instruction aging sensing and minor modification of the circuits, the processor can execute aging sensing opportunistically to evaluate the aging level of its instruction cache. A software framework was developed and verified to estimate the retention voltage of the instruction cache over the lifetime of the chip. An area-efficient SoC was developed that could transform the instruction cache into an ambient temperature sensor. It had a physically unclonable function (PUF), and it was built with an area-saving technique similar to the earlier work. This thesis has four chapters. They are presented in chronological and they are aligned with the research described above