Robust low-power digital circuit design in nano-CMOS technologies

Device scaling has resulted in large scale integrated, high performance, low-power, and low cost systems. However the move towards sub-100 nm technology nodes has increased variability in device characteristics due to large process variations. Variability has severe implications on digital circuit design by causing timing uncertainties in combinational circuits, degrading yield and reliability of memory elements, and increasing power density due to slow scaling of supply voltage. Conventional design methods add large pessimistic safety margins to mitigate increased variability, however, they incur large power and performance loss as the combination of worst cases occurs very rarely. In-situ monitoring of timing failures provides an opportunity to dynamically tune safety margins in proportion to on-chip variability that can significantly minimize power and performance losses. We demonstrated by simulations two delay sensor designs to detect timing failures in advance that can be coupled with different compensation techniques such as voltage scaling, body biasing, or frequency scaling to avoid actual timing failures. Our simulation results using 45 nm and 32 nm technology BSIM4 models indicate significant reduction in total power consumption under temperature and statistical variations. Future work involves using dual sensing to avoid useless voltage scaling that incurs a speed loss. SRAM cache is the first victim of increased process variations that requires handcrafted design to meet area, power, and performance requirements. We have proposed novel 6 transistors (6T), 7 transistors (7T), and 8 transistors (8T)-SRAM cells that enable variability tolerant and low-power SRAM cache designs. Increased sense-amplifier offset voltage due to device mismatch arising from high variability increases delay and power consumption of SRAM design. We have proposed two novel design techniques to reduce offset voltage dependent delays providing a high speed low-power SRAM design. Increasing leakage currents in nano-CMOS technologies pose a major challenge to a low-power reliable design. We have investigated novel segmented supply voltage architecture to reduce leakage power of the SRAM caches since they occupy bulk of the total chip area and power. Future work involves developing leakage reduction methods for the combination logic designs including SRAM peripherals

FPGA‐SRAM Soft Error Radiation Hardening

Due to integrated circuit technology scaling, a type of radiation effects called single event upsets (SEUs) has become a major concern for static random access memories (SRAMs) and thus for SRAM‐based field programmable gate arrays (FPGAs). These radiation effects are characterized by altering data stored in SRAM cells without permanently damaging them. However, SEUs can lead to unpredictable behavior in SRAM‐based FPGAs. A new hardening technique compatible with the current FPGA design workflows is presented. The technique works at the cell design level, and it is based on the modulation of cell transistor channel width. Experimental results show that to properly harden an SRAM cell, only some transistors have to be increased in size, while others need to be minimum sized. So, with this technique, area can be used in the most efficient way to harden SRAMs against radiation. Experimental results on a 65‐nm complementary metal‐oxide‐semiconductor (CMOS) SRAM demonstrate that the number of SEU events can be roughly reduced to 50% with adequate transitory sizing, while area is kept constant or slightly increased

Reliability in the face of variability in nanometer embedded memories

In this thesis, we have investigated the impact of parametric variations on the behaviour of one performance-critical processor structure - embedded memories. As variations manifest as a spread in power and performance, as a first step, we propose a novel modeling methodology that helps evaluate the impact of circuit-level optimizations on architecture-level design choices. Choices made at the design-stage ensure conflicting requirements from higher-levels are decoupled. We then complement such design-time optimizations with a runtime mechanism that takes advantage of adaptive body-biasing to lower power whilst improving performance in the presence of variability. Our proposal uses a novel fully-digital variation tracking hardware using embedded DRAM (eDRAM) cells to monitor run-time changes in cache latency and leakage. A special fine-grain body-bias generator uses the measurements to generate an optimal body-bias that is needed to meet the required yield targets. A novel variation-tolerant and soft-error hardened eDRAM cell is also proposed as an alternate candidate for replacing existing SRAM-based designs in latency critical memory structures. In the ultra low-power domain where reliable operation is limited by the minimum voltage of operation (Vddmin), we analyse the impact of failures on cache functional margin and functional yield. Towards this end, we have developed a fully automated tool (INFORMER) capable of estimating memory-wide metrics such as power, performance and yield accurately and rapidly. Using the developed tool, we then evaluate the #effectiveness of a new class of hybrid techniques in improving cache yield through failure prevention and correction. Having a holistic perspective of memory-wide metrics helps us arrive at design-choices optimized simultaneously for multiple metrics needed for maintaining lifetime requirements

Reliable Low-Power High Performance Spintronic Memories

Moores Gesetz folgend, ist es der Chipindustrie in den letzten fünf Jahrzehnten gelungen, ein explosionsartiges Wachstum zu erreichen. Dies hatte ebenso einen exponentiellen Anstieg der Nachfrage von Speicherkomponenten zur Folge, was wiederum zu speicherlastigen Chips in den heutigen Computersystemen führt. Allerdings stellen traditionelle on-Chip Speichertech- nologien wie Static Random Access Memories (SRAMs), Dynamic Random Access Memories (DRAMs) und Flip-Flops eine Herausforderung in Bezug auf Skalierbarkeit, Verlustleistung und Zuverlässigkeit dar. Eben jene Herausforderungen und die überwältigende Nachfrage nach höherer Performanz und Integrationsdichte des on-Chip Speichers motivieren Forscher, nach neuen nichtflüchtigen Speichertechnologien zu suchen. Aufkommende spintronische Spe- ichertechnologien wie Spin Orbit Torque (SOT) und Spin Transfer Torque (STT) erhielten in den letzten Jahren eine hohe Aufmerksamkeit, da sie eine Reihe an Vorteilen bieten. Dazu gehören Nichtflüchtigkeit, Skalierbarkeit, hohe Beständigkeit, CMOS Kompatibilität und Unan- fälligkeit gegenüber Soft-Errors. In der Spintronik repräsentiert der Spin eines Elektrons dessen Information. Das Datum wird durch die Höhe des Widerstandes gespeichert, welche sich durch das Anlegen eines polarisierten Stroms an das Speichermedium verändern lässt. Das Prob- lem der statischen Leistung gehen die Speichergeräte sowohl durch deren verlustleistungsfreie Eigenschaft, als auch durch ihr Standard- Aus/Sofort-Ein Verhalten an. Nichtsdestotrotz sind noch andere Probleme, wie die hohe Zugriffslatenz und die Energieaufnahme zu lösen, bevor sie eine verbreitete Anwendung finden können. Um diesen Problemen gerecht zu werden, sind neue Computerparadigmen, -architekturen und -entwurfsphilosophien notwendig. Die hohe Zugriffslatenz der Spintroniktechnologie ist auf eine vergleichsweise lange Schalt- dauer zurückzuführen, welche die von konventionellem SRAM übersteigt. Des Weiteren ist auf Grund des stochastischen Schaltvorgangs der Speicherzelle und des Einflusses der Prozessvari- ation ein nicht zu vernachlässigender Zeitraum dafür erforderlich. In diesem Zeitraum wird ein konstanter Schreibstrom durch die Bitzelle geleitet, um den Schaltvorgang zu gewährleisten. Dieser Vorgang verursacht eine hohe Energieaufnahme. Für die Leseoperation wird gleicher- maßen ein beachtliches Zeitfenster benötigt, ebenfalls bedingt durch den Einfluss der Prozess- variation. Dem gegenüber stehen diverse Zuverlässigkeitsprobleme. Dazu gehören unter An- derem die Leseintereferenz und andere Degenerationspobleme, wie das des Time Dependent Di- electric Breakdowns (TDDB). Diese Zuverlässigkeitsprobleme sind wiederum auf die benötigten längeren Schaltzeiten zurückzuführen, welche in der Folge auch einen über längere Zeit an- liegenden Lese- bzw. Schreibstrom implizieren. Es ist daher notwendig, sowohl die Energie, als auch die Latenz zur Steigerung der Zuverlässigkeit zu reduzieren, um daraus einen potenziellen Kandidaten für ein on-Chip Speichersystem zu machen. In dieser Dissertation werden wir Entwurfsstrategien vorstellen, welche das Ziel verfolgen, die Herausforderungen des Cache-, Register- und Flip-Flop-Entwurfs anzugehen. Dies erre- ichen wir unter Zuhilfenahme eines Cross-Layer Ansatzes. Für Caches entwickelten wir ver- schiedene Ansätze auf Schaltkreisebene, welche sowohl auf der Speicherarchitekturebene, als auch auf der Systemebene in Bezug auf Energieaufnahme, Performanzsteigerung und Zuver- lässigkeitverbesserung evaluiert werden. Wir entwickeln eine Selbstabschalttechnik, sowohl für die Lese-, als auch die Schreiboperation von Caches. Diese ist in der Lage, den Abschluss der entsprechenden Operation dynamisch zu ermitteln. Nachdem der Abschluss erkannt wurde, wird die Lese- bzw. Schreiboperation sofort gestoppt, um Energie zu sparen. Zusätzlich limitiert die Selbstabschalttechnik die Dauer des Stromflusses durch die Speicherzelle, was wiederum das Auftreten von TDDB und Leseinterferenz bei Schreib- bzw. Leseoperationen re- duziert. Zur Verbesserung der Schreiblatenz heben wir den Schreibstrom an der Bitzelle an, um den magnetischen Schaltprozess zu beschleunigen. Um registerbankspezifische Anforderungen zu berücksichtigen, haben wir zusätzlich eine Multiport-Speicherarchitektur entworfen, welche eine einzigartige Eigenschaft der SOT-Zelle ausnutzt, um simultan Lese- und Schreiboperatio- nen auszuführen. Es ist daher möglich Lese/Schreib- Konfilkte auf Bitzellen-Ebene zu lösen, was sich wiederum in einer sehr viel einfacheren Multiport- Registerbankarchitektur nieder- schlägt. Zusätzlich zu den Speicheransätzen haben wir ebenfalls zwei Flip-Flop-Architekturen vorgestellt. Die erste ist eine nichtflüchtige non-Shadow Flip-Flop-Architektur, welche die Speicherzelle als aktive Komponente nutzt. Dies ermöglicht das sofortige An- und Ausschalten der Versorgungss- pannung und ist daher besonders gut für aggressives Powergating geeignet. Alles in Allem zeigt der vorgestellte Flip-Flop-Entwurf eine ähnliche Timing-Charakteristik wie die konventioneller CMOS Flip-Flops auf. Jedoch erlaubt er zur selben Zeit eine signifikante Reduktion der statis- chen Leistungsaufnahme im Vergleich zu nichtflüchtigen Shadow- Flip-Flops. Die zweite ist eine fehlertolerante Flip-Flop-Architektur, welche sich unanfällig gegenüber diversen Defekten und Fehlern verhält. Die Leistungsfähigkeit aller vorgestellten Techniken wird durch ausführliche Simulationen auf Schaltkreisebene verdeutlicht, welche weiter durch detaillierte Evaluationen auf Systemebene untermauert werden. Im Allgemeinen konnten wir verschiedene Techniken en- twickeln, die erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Performanz, Energie und Zuverlässigkeit von spintronischen on-Chip Speichern, wie Caches, Register und Flip-Flops erreichen

Techniques for Aging, Soft Errors and Temperature to Increase the Reliability of Embedded On-Chip Systems

This thesis investigates the challenge of providing an abstracted, yet sufficiently accurate reliability estimation for embedded on-chip systems. In addition, it also proposes new techniques to increase the reliability of register files within processors against aging effects and soft errors. It also introduces a novel thermal measurement setup that perspicuously captures the infrared images of modern multi-core processors

Using Fine Grain Approaches for highly reliable Design of FPGA-based Systems in Space

Nowadays using SRAM based FPGAs in space missions is increasingly considered due to their flexibility and reprogrammability. A challenge is the devices sensitivity to radiation effects that increased with modern architectures due to smaller CMOS structures. This work proposes fault tolerance methodologies, that are based on a fine grain view to modern reconfigurable architectures. The focus is on SEU mitigation challenges in SRAM based FPGAs which can result in crucial situations

Contributions on using embedded memory circuits as physically unclonable functions considering reliability issues

[eng] Moving towards Internet-of-Things (IoT) era, hardware security becomes a crucial research topic, because of the growing demand of electronic products that are remotely connected through networks. Novel hardware security primitives based on manufacturing process variability are proposed to enhance the security of the IoT systems. As a trusted root that provides physical randomness, a physically unclonable function is an essential base for hardware security. SRAM devices are becoming one of the most promising alternatives for the implementation of embedded physical unclonable functions as the start-up value of each bit-cell depends largely on the variability related with the manufacturing process. Not all bit-cells experience the same degree of variability, so it is possible that some cells randomly modify their logical starting value, while others will start-up always at the same value. However, physically unclonable function applications, such as identification and key generation, require more constant logical starting value to assure high reliability in PUF response. For this reason, some kind of post-processing is needed to correct the errors in the PUF response. Unfortunately, those cells that have more constant logic output are difficult to be detected in advance. This work characterizes by simulation the start-up value reproducibility proposing several metrics suitable for reliability estimation during design phases. The aim is to be able to predict by simulation the percentage of cells that will be suitable to be used as PUF generators. We evaluate the metrics results and analyze the start-up values reproducibility considering different external perturbation sources like several power supply ramp up times, previous internal values in the bit-cell, and different temperature scenarios. The characterization metrics can be exploited to estimate the number of suitable SRAM cells for use in PUF implementations that can be expected from a specific SRAM design.[cat] En l’era de la Internet de les coses (IoT), garantir la seguretat del hardware ha esdevingut un tema de recerca crucial, en especial a causa de la creixent demanda de productes electrònics que es connecten remotament a través de xarxes. Per millorar la seguretat dels sistemes IoT, s’han proposat noves solucions hardware basades en la variabilitat dels processos de fabricació. Les funcions físicament inclonables (PUF) constitueixen una font fiable d’aleatorietat física i són una base essencial per a la seguretat hardware. Les memòries SRAM s’estan convertint en una de les alternatives més prometedores per a la implementació de funcions físicament inclonables encastades. Això és així ja que el valor d’encesa de cada una de les cel·les que formen els bits de la memòria depèn en gran mesura de la variabilitat pròpia del procés de fabricació. No tots els bits tenen el mateix grau de variabilitat, així que algunes cel·les canvien el seu estat lògic d’encesa de forma aleatòria entre enceses, mentre que d’altres sempre assoleixen el mateix valor en totes les enceses. No obstant això, les funcions físicament inclonables, que s’utilitzen per generar claus d’identificació, requereixen un valor lògic d’encesa constant per tal d’assegurar una resposta fiable del PUF. Per aquest motiu, normalment es necessita algun tipus de postprocessament per corregir els possibles errors presents en la resposta del PUF. Malauradament, les cel·les que presenten una resposta més constant són difícils de detectar a priori. Aquest treball caracteritza per simulació la reproductibilitat del valor d’encesa de cel·les SRAM, i proposa diverses mètriques per estimar la fiabilitat de les cel·les durant les fases de disseny de la memòria. L'objectiu és ser capaç de predir per simulació el percentatge de cel·les que seran adequades per ser utilitzades com PUF. S’avaluen els resultats de diverses mètriques i s’analitza la reproductibilitat dels valors d’encesa de les cel·les considerant diverses fonts de pertorbacions externes, com diferents rampes de tensió per a l’encesa, els valors interns emmagatzemats prèviament en les cel·les, i diferents temperatures. Es proposa utilitzar aquestes mètriques per estimar el nombre de cel·les SRAM adients per ser implementades com a PUF en un disseny d‘SRAM específic.[spa] En la era de la Internet de las cosas (IoT), garantizar la seguridad del hardware se ha convertido en un tema de investigación crucial, en especial a causa de la creciente demanda de productos electrónicos que se conectan remotamente a través de redes. Para mejorar la seguridad de los sistemas IoT, se han propuesto nuevas soluciones hardware basadas en la variabilidad de los procesos de fabricación. Las funciones físicamente inclonables (PUF) constituyen una fuente fiable de aleatoriedad física y son una base esencial para la seguridad hardware. Las memorias SRAM se están convirtiendo en una de las alternativas más prometedoras para la implementación de funciones físicamente inclonables empotradas. Esto es así, puesto que el valor de encendido de cada una de las celdas que forman los bits de la memoria depende en gran medida de la variabilidad propia del proceso de fabricación. No todos los bits tienen el mismo grado de variabilidad. Así pues, algunas celdas cambian su estado lógico de encendido de forma aleatoria entre encendidos, mientras que otras siempre adquieren el mismo valor en todos los encendidos. Sin embargo, las funciones físicamente inclonables, que se utilizan para generar claves de identificación, requieren un valor lógico de encendido constante para asegurar una respuesta fiable del PUF. Por este motivo, normalmente se necesita algún tipo de posprocesado para corregir los posibles errores presentes en la respuesta del PUF. Desafortunadamente, las celdas que presentan una respuesta más constante son difíciles de detectar a priori. Este trabajo caracteriza por simulación la reproductibilidad del valor de encendido de celdas SRAM, y propone varias métricas para estimar la fiabilidad de las celdas durante las fases de diseño de la memoria. El objetivo es ser capaz de predecir por simulación el porcentaje de celdas que serán adecuadas para ser utilizadas como PUF. Se evalúan los resultados de varias métricas y se analiza la reproductibilidad de los valores de encendido de las celdas considerando varias fuentes de perturbaciones externas, como diferentes rampas de tensión para el encendido, los valores internos almacenados previamente en las celdas, y diferentes temperaturas. Se propone utilizar estas métricas para estimar el número de celdas SRAM adecuadas para ser implementadas como PUF en un diseño de SRAM específico

Embracing Low-Power Systems with Improvement in Security and Energy-Efficiency

As the economies around the world are aligning more towards usage of computing systems, the global energy demand for computing is increasing rapidly. Additionally, the boom in AI based applications and services has already invited the pervasion of specialized computing hardware architectures for AI (accelerators). A big chunk of research in the industry and academia is being focused on providing energy efficiency to all kinds of power hungry computing architectures. This dissertation adds to these efforts. Aggressive voltage underscaling of chips is one the effective low power paradigms of providing energy efficiency. This dissertation identifies and deals with the reliability and performance problems associated with this paradigm and innovates novel energy efficient approaches. Specifically, the properties of a low power security primitive have been improved and, higher performance has been unlocked in an AI accelerator (Google TPU) in an aggressively voltage underscaled environment. And, novel power saving opportunities have been unlocked by characterizing the usage pattern of a baseline TPU with rigorous mathematical analysis

Product assurance technology for procuring reliable, radiation-hard, custom LSI/VLSI electronics

Advanced measurement methods using microelectronic test chips are described. These chips are intended to be used in acquiring the data needed to qualify Application Specific Integrated Circuits (ASIC's) for space use. Efforts were focused on developing the technology for obtaining custom IC's from CMOS/bulk silicon foundries. A series of test chips were developed: a parametric test strip, a fault chip, a set of reliability chips, and the CRRES (Combined Release and Radiation Effects Satellite) chip, a test circuit for monitoring space radiation effects. The technical accomplishments of the effort include: (1) development of a fault chip that contains a set of test structures used to evaluate the density of various process-induced defects; (2) development of new test structures and testing techniques for measuring gate-oxide capacitance, gate-overlap capacitance, and propagation delay; (3) development of a set of reliability chips that are used to evaluate failure mechanisms in CMOS/bulk: interconnect and contact electromigration and time-dependent dielectric breakdown; (4) development of MOSFET parameter extraction procedures for evaluating subthreshold characteristics; (5) evaluation of test chips and test strips on the second CRRES wafer run; (6) two dedicated fabrication runs for the CRRES chip flight parts; and (7) publication of two papers: one on the split-cross bridge resistor and another on asymmetrical SRAM (static random access memory) cells for single-event upset analysis