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

An Efficient Uplink Multi-Connectivity Scheme for 5G mmWave Control Plane Applications

The millimeter wave (mmWave) frequencies offer the potential of orders of magnitude increases in capacity for next-generation cellular systems. However, links in mmWave networks are susceptible to blockage and may suffer from rapid variations in quality. Connectivity to multiple cells - at mmWave and/or traditional frequencies - is considered essential for robust communication. One of the challenges in supporting multi-connectivity in mmWaves is the requirement for the network to track the direction of each link in addition to its power and timing. To address this challenge, we implement a novel uplink measurement system that, with the joint help of a local coordinator operating in the legacy band, guarantees continuous monitoring of the channel propagation conditions and allows for the design of efficient control plane applications, including handover, beam tracking and initial access. We show that an uplink-based multi-connectivity approach enables less consuming, better performing, faster and more stable cell selection and scheduling decisions with respect to a traditional downlink-based standalone scheme. Moreover, we argue that the presented framework guarantees (i) efficient tracking of the user in the presence of the channel dynamics expected at mmWaves, and (ii) fast reaction to situations in which the primary propagation path is blocked or not available.Comment: Submitted for publication in IEEE Transactions on Wireless Communications (TWC

A fast and accurate per-cell dynamic IR-drop estimation method for at-speed scan test pattern validation

ITC : 2012 IEEE International Test Conference , 5-8 Nov. 2012 , Anaheim, CA, USAIn return for increased operating frequency and reduced supply voltage in nano-scale designs, their vulnerability to IR-drop-induced yield loss grew increasingly apparent. Therefore, it is necessary to consider delay increase effect due to IR-drop during at-speed scan testing. However, it consumes significant amounts of time for precise IR-drop analysis. This paper addresses this issue with a novel per-cell dynamic IR-drop estimation method. Instead of performing time-consuming IR-drop analysis for each pattern one by one, the proposed method uses global cycle average power profile for each pattern and dynamic IR-drop profiles for a few representative patterns, thus total computation time is effectively reduced. Experimental results on benchmark circuits demonstrate that the proposed method achieves both high accuracy and high time-efficiency

AI/ML Algorithms and Applications in VLSI Design and Technology

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

Validation of in situ applicable measuring techniques for analysis of the water adsorption by stone

As the water adsorbing behaviour (WAB) of stone is a key factor for most degradation processes, its analysis is a decisive aspect when monitoring deterioration and past conservation treatments, or when selecting a proper conservation treatment. In this study the performance of various non-destructive methods for measuring the WAB are compared, with the focus on the effect of the variable factors of the methods caused by their specific design. The methods under study are the contact-sponge method (CSM), the Karsten tube (KT) and the Mirowski pipe (MIR). Their performance is compared with the standardized capillary rise method (CR) and the results are analysed in relation to the open porosity of different lithotypes. Furthermore the effect of practical encumbrances which could limit the application of these methods was valuated. It was found that KT and CSM have complementary fields of investigation, where CSM is capable of measuring the initial water uptake of less porous materials with a high precision, while KT was found commodious for measuring longer contact times for more porous lithotypes. MIR showed too many discommodities, leading to unreliable results. To adequately compare the results of the different methods, the size of the contact area appears to be the most influential factor, whereas the contact material and pressure on the surface do not indicate a significant influence on the results. The study of these factors is currently being extended by visualization of the water adsorption process via X-ray and neutron radiography in combination with physico-mathematical models describing the WAB

Modeling the Interdependences between Voltage Fluctuation and BTI Aging

With technology scaling, the susceptibility of circuits to different reliability degradations is steadily increasing. Aging in transistors due to bias temperature instability (BTI) and voltage fluctuation in the power delivery network of circuits due to IR-drops are the most prominent. In this paper, we are reporting for the first time that there are interdependences between voltage fluctuation and BTI aging that are nonnegligible. Modeling and investigating the joint impact of voltage fluctuation and BTI aging on the delay of circuits, while remaining compatible with the existing standard design flow, is indispensable in order to answer the vital question, “what is an efficient (i.e., small, yet sufficient) timing guardband to sustain the reliability of circuit for the projected lifetime?” This is, concisely, the key goal of this paper. Achieving that would not be possible without employing a physics-based BTI model that precisely describes the underlying generation and recovery mechanisms of defects under arbitrary stress waveforms. For this purpose, our model is validated against varied semiconductor measurements covering a wide range of voltage, temperature, frequency, and duty cycle conditions. To bring reliability awareness to existing EDA tool flows, we create standard cell libraries that contain the delay information of cells under the joint impact of aging and IR-drop. Our libraries can be directly deployed within the standard design flow because they are compatible with existing commercial tools (e.g., Synopsys and Cadence). Hence, designers can leverage the mature algorithms of these tools to accurately estimate the required timing guardbands for any circuit despite its complexity. Our investigation demonstrates that considering aging and IR-drop effects independently, as done in the state of the art, leads to employing insufficient and thus unreliable guardbands because of the nonnegligible (on average 15% and up to 25%) underestimations. Importantly, considering interdependences between aging and IR-drop does not only allow correct guardband estimations, but it also results in employing more efficient guardbands

Novel Front-end Electronics for Time Projection Chamber Detectors

Este trabajo ha sido realizado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) y forma parte del proyecto de investigación Europeo para futuros aceleradores lineales (EUDET). En física de partículas existen diferentes categorías de detectores de partículas. El diseño presentado esta centrado en un tipo particular de detector de trayectoria de partículas denominado TPC (Time Projection Chamber) que proporciona una imagen en tres dimensiones de las partículas eléctricamente cargadas que atraviesan su volumen gaseoso. La tesis incluye un estudio de los objetivos para futuros detectores, resumiendo los parámetros que un sistema de adquisición de datos debe cumplir en esos casos. Además, estos requisitos son comparados con los actuales sistemas de lectura utilizados en diferentes detectores TPC. Se concluye que ninguno de los sistemas cumple las restrictivas condiciones. Algunos de los principales objetivos para futuros detectores TPC son un altísimo nivel de integración, incremento del número de canales, electrónica más rápida y muy baja potencia. El principal inconveniente del estado del arte de los sistemas anteriores es la utilización de varios circuitos integrados en la cadena de adquisición. Este hecho hace imposible alcanzar el altísimo nivel de integración requerido para futuros detectores. Además, un aumento del número de canales y frecuencia de muestreo haría incrementar hasta valores no permitidos la potencia utilizada. Y en consecuencia, incrementar la refrigeración necesaria (en caso de ser posible). Una de las novedades presentadas es la integración de toda la cadena de adquisición (filtros analógicos de entrada, conversor analógico-digital (ADC) y procesado de señal digital) en un único circuito integrado en tecnología de 130nm. Este chip es el primero que realiza esta altísima integración para detectores TPC. Por otro lado, se presenta un análisis detallado de los filtros de procesado de señal. Los objetivos más importantes es la reduccióGarcía García, EJ. (2012). Novel Front-end Electronics for Time Projection Chamber Detectors [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16980Palanci

Gestión de jerarquías de memoria híbridas a nivel de sistema

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, Departamento de Arquitectura de Computadoras y Automática y de Ku Leuven, Arenberg Doctoral School, Faculty of Engineering Science, leída el 11/05/2017.In electronics and computer science, the term ‘memory’ generally refers to devices that are used to store information that we use in various appliances ranging from our PCs to all hand-held devices, smart appliances etc. Primary/main memory is used for storage systems that function at a high speed (i.e. RAM). The primary memory is often associated with addressable semiconductor memory, i.e. integrated circuits consisting of silicon-based transistors, used for example as primary memory but also other purposes in computers and other digital electronic devices. The secondary/auxiliary memory, in comparison provides program and data storage that is slower to access but offers larger capacity. Examples include external hard drives, portable flash drives, CDs, and DVDs. These devices and media must be either plugged in or inserted into a computer in order to be accessed by the system. Since secondary storage technology is not always connected to the computer, it is commonly used for backing up data. The term storage is often used to describe secondary memory. Secondary memory stores a large amount of data at lesser cost per byte than primary memory; this makes secondary storage about two orders of magnitude less expensive than primary storage. There are two main types of semiconductor memory: volatile and nonvolatile. Examples of non-volatile memory are ‘Flash’ memory (sometimes used as secondary, sometimes primary computer memory) and ROM/PROM/EPROM/EEPROM memory (used for firmware such as boot programs). Examples of volatile memory are primary memory (typically dynamic RAM, DRAM), and fast CPU cache memory (typically static RAM, SRAM, which is fast but energy-consuming and offer lower memory capacity per are a unit than DRAM). Non-volatile memory technologies in Si-based electronics date back to the 1990s. Flash memory is widely used in consumer electronic products such as cellphones and music players and NAND Flash-based solid-state disks (SSDs) are increasingly displacing hard disk drives as the primary storage device in laptops, desktops, and even data centers. The integration limit of Flash memories is approaching, and many new types of memory to replace conventional Flash memories have been proposed. The rapid increase of leakage currents in Silicon CMOS transistors with scaling poses a big challenge for the integration of SRAM memories. There is also the case of susceptibility to read/write failure with low power schemes. As a result of this, over the past decade, there has been an extensive pooling of time, resources and effort towards developing emerging memory technologies like Resistive RAM (ReRAM/RRAM), STT-MRAM, Domain Wall Memory and Phase Change Memory(PRAM). Emerging non-volatile memory technologies promise new memories to store more data at less cost than the expensive-to build silicon chips used by popular consumer gadgets including digital cameras, cell phones and portable music players. These new memory technologies combine the speed of static random-access memory (SRAM), the density of dynamic random-access memory (DRAM), and the non-volatility of Flash memory and so become very attractive as another possibility for future memory hierarchies. The research and information on these Non-Volatile Memory (NVM) technologies has matured over the last decade. These NVMs are now being explored thoroughly nowadays as viable replacements for conventional SRAM based memories even for the higher levels of the memory hierarchy. Many other new classes of emerging memory technologies such as transparent and plastic, three-dimensional(3-D), and quantum dot memory technologies have also gained tremendous popularity in recent years...En el campo de la informática, el término ‘memoria’ se refiere generalmente a dispositivos que son usados para almacenar información que posteriormente será usada en diversos dispositivos, desde computadoras personales (PC), móviles, dispositivos inteligentes, etc. La memoria principal del sistema se utiliza para almacenar los datos e instrucciones de los procesos que se encuentre en ejecución, por lo que se requiere que funcionen a alta velocidad (por ejemplo, DRAM). La memoria principal está implementada habitualmente mediante memorias semiconductoras direccionables, siendo DRAM y SRAM los principales exponentes. Por otro lado, la memoria auxiliar o secundaria proporciona almacenaje(para ficheros, por ejemplo); es más lenta pero ofrece una mayor capacidad. Ejemplos típicos de memoria secundaria son discos duros, memorias flash portables, CDs y DVDs. Debido a que estos dispositivos no necesitan estar conectados a la computadora de forma permanente, son muy utilizados para almacenar copias de seguridad. La memoria secundaria almacena una gran cantidad de datos aun coste menor por bit que la memoria principal, siendo habitualmente dos órdenes de magnitud más barata que la memoria primaria. Existen dos tipos de memorias de tipo semiconductor: volátiles y no volátiles. Ejemplos de memorias no volátiles son las memorias Flash (algunas veces usadas como memoria secundaria y otras veces como memoria principal) y memorias ROM/PROM/EPROM/EEPROM (usadas para firmware como programas de arranque). Ejemplos de memoria volátil son las memorias DRAM (RAM dinámica), actualmente la opción predominante a la hora de implementar la memoria principal, y las memorias SRAM (RAM estática) más rápida y costosa, utilizada para los diferentes niveles de cache. Las tecnologías de memorias no volátiles basadas en electrónica de silicio se remontan a la década de1990. Una variante de memoria de almacenaje por carga denominada como memoria Flash es mundialmente usada en productos electrónicos de consumo como telefonía móvil y reproductores de música mientras NAND Flash solid state disks(SSDs) están progresivamente desplazando a los dispositivos de disco duro como principal unidad de almacenamiento en computadoras portátiles, de escritorio e incluso en centros de datos. En la actualidad, hay varios factores que amenazan la actual predominancia de memorias semiconductoras basadas en cargas (capacitivas). Por un lado, se está alcanzando el límite de integración de las memorias Flash, lo que compromete su escalado en el medio plazo. Por otra parte, el fuerte incremento de las corrientes de fuga de los transistores de silicio CMOS actuales, supone un enorme desafío para la integración de memorias SRAM. Asimismo, estas memorias son cada vez más susceptibles a fallos de lectura/escritura en diseños de bajo consumo. Como resultado de estos problemas, que se agravan con cada nueva generación tecnológica, en los últimos años se han intensificado los esfuerzos para desarrollar nuevas tecnologías que reemplacen o al menos complementen a las actuales. Los transistores de efecto campo eléctrico ferroso (FeFET en sus siglas en inglés) se consideran una de las alternativas más prometedores para sustituir tanto a Flash (por su mayor densidad) como a DRAM (por su mayor velocidad), pero aún está en una fase muy inicial de su desarrollo. Hay otras tecnologías algo más maduras, en el ámbito de las memorias RAM resistivas, entre las que cabe destacar ReRAM (o RRAM), STT-RAM, Domain Wall Memory y Phase Change Memory (PRAM)...Depto. de Arquitectura de Computadores y AutomáticaFac. de InformáticaTRUEunpu