Design and Optimization for Resilient Energy Efficient Computing

Heutzutage sind moderne elektronische Systeme ein integraler Bestandteil unseres Alltags. Dies wurde unter anderem durch das exponentielle Wachstum der Integrationsdichte von integrierten Schaltkreisen ermöglicht zusammen mit einer Verbesserung der Energieeffizienz, welche in den letzten 50 Jahren stattfand, auch bekannt als Moore‘s Gesetz. In diesem Zusammenhang ist die Nachfrage von energieeffizienten digitalen Schaltkreisen enorm angestiegen, besonders in Anwendungsfeldern wie dem Internet of Things (IoT). Da der Leistungsverbrauch von Schaltkreisen stark mit der Versorgungsspannung verknüpft ist, wurden effiziente Verfahren entwickelt, welche die Versorgungsspannung in den nahen Schwellenspannung-Bereich skalieren, zusammengefasst unter dem Begriff Near-Threshold-Computing (NTC). Mithilfe dieser Verfahren kann eine Erhöhung der Energieeffizienz von Schaltungen um eine ganze Größenordnung ermöglicht werden. Neben der verbesserten Energiebilanz ergeben sich jedoch zahlreiche Herausforderungen was den Schaltungsentwurf angeht. Zum Beispiel führt das Reduzieren der Versorgungsspannung in den nahen Schwellenspannungsbereich zu einer verzehnfachten Erhöhung der Sensibilität der Schaltkreise gegenüber Prozessvariation, Spannungsfluktuationen und Temperaturveränderungen. Die Einflüsse dieser Variationen reduzieren die Zuverlässigkeit von NTC Schaltkreisen und sind ihr größtes Hindernis bezüglich einer umfassenden Nutzung. Traditionelle Ansätze und Methoden aus dem nominalen Spannungsbereich zur Kompensation von Variabilität können nicht effizient angewandt werden, da die starken Performance-Variationen und Sensitivitäten im nahen Schwellenspannungsbereich dessen Kapazitäten übersteigen. Aus diesem Grund sind neue Entwurfsparadigmen und Entwurfsautomatisierungskonzepte für die Anwendung von NTC erforderlich. Das Ziel dieser Arbeit ist die zuvor erwähnten Probleme durch die Bereitstellung von ganzheitlichen Methoden zum Design von NTC Schaltkreisen sowie dessen Entwurfsautomatisierung anzugehen, welche insbesondere auf der Schaltungs- sowie Logik-Ebene angewandt werden. Dabei werden tiefgehende Analysen der Zuverlässigkeit von NTC Systemen miteinbezogen und Optimierungsmethoden werden vorgeschlagen welche die Zuverlässigkeit, Performance und Energieeffizienz verbessern. Die Beiträge dieser Arbeit sind wie folgt: Schaltungssynthese und Timing Closure unter Einbezug von Variationen: Das Einhalten von Anforderungen an das zeitliche Verhalten und Zuverlässigkeit von NTC ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Die Auswirkungen von Variabilität kommen bei starken Performance-Schwankungen, welche zu teuren zeitlichen Sicherheitsmargen führen, oder sich in Hold-Time Verstößen ausdrücken, verursacht durch funktionale Störungen, zum Vorschein. Die konventionellen Ansätze beschränken sich dabei alleine auf die Erhöhung von zeitlichen Sicherheitsmargen. Dies ist jedoch sehr ineffizient für NTC, wegen dem starken Ausmaß an Variationen und den erhöhten Leckströmen. In dieser Arbeit wird ein Konzept zur Synthese und Timing Closure von Schaltkreisen unter Variationen vorgestellt, welches sowohl die Sensitivität gegenüber Variationen reduziert als auch die Energieeffizienz, Performance und Zuverlässigkeit verbessert und zugleich den Mehraufwand von Timing Closures [1, 2] verringert. Simulationsergebnisse belegen, dass unser vorgeschlagener Ansatz die Verzögerungszeit um 87% reduziert und die Performance und Energieeffizienz um 25% beziehungsweise 7.4% verbessert, zu Kosten eines erhöhten Flächenbedarfs von 4.8%. Schichtübergreifende Zuverlässigkeits-, Energieeffizienz- und Performance-Optimierung von Datenpfaden: Schichtübergreifende Analyse von Prozessor-Datenpfaden, welche den ganzen Weg spannen vom Kompilierer zum Schaltungsentwurf, kann potenzielle Optimierungsansätze aufzeigen. Ein Datenpfad ist eine Kombination von mehreren funktionalen Einheiten, welche diverse Instruktionen verarbeiten können. Unsere Analyse zeigt, dass die Ausführungszeiten von Instruktionen bei niedrigen Versorgungsspannungen stark variieren, weshalb eine Klassifikation in schnelle und langsame Instruktionen vorgenommen werden kann. Des Weiteren können funktionale Instruktionen als häufig und selten genutzte Instruktionen kategorisiert werden. Diese Arbeit stellt eine Multi-Zyklen-Instruktionen-Methode vor, welche die Energieeffizienz und Belastbarkeit von funktionalen Einheiten erhöhen kann [3]. Zusätzlich stellen wir einen Partitionsalgorithmus vor, welcher ein fein-granulares Power-gating von selten genutzten Einheiten ermöglicht [4] durch Partition von einzelnen funktionalen Einheiten in mehrere kleinere Einheiten. Die vorgeschlagenen Methoden verbessern das zeitliche Schaltungsverhalten signifikant, und begrenzen zugleich die Leckströme beträchtlich, durch Einsatz einer Kombination von Schaltungs-Redesign- und Code-Replacement-Techniken. Simulationsresultate zeigen, dass die entwickelten Methoden die Performance und Energieeffizienz von arithmetisch-logischen Einheiten (ALU) um 19% beziehungsweise 43% verbessern. Des Weiteren kann der Zuwachs in Performance der optimierten Schaltungen in eine Verbesserung der Zuverlässigkeit umgewandelt werden [5, 6]. Post-Fabrication und Laufzeit-Tuning: Prozess- und Laufzeitvariationen haben einen starken Einfluss auf den Minimum Energy Point (MEP) von NTC-Schaltungen, welcher mit der energieeffizientesten Versorgungsspannung assoziiert ist. Es ist ein besonderes Anliegen, die NTC-Schaltung nach der Herstellung (post-fabrication) so zu kalibrieren, dass sich die Schaltung im MEP-Zustand befindet, um die beste Energieeffizient zu erreichen. In dieser Arbeit, werden Post-Fabrication und Laufzeit-Tuning vorgeschlagen, welche die Schaltung basierend auf Geschwindigkeits- und Leistungsverbrauch-Messungen nach der Herstellung auf den MEP kalibrieren. Die vorgestellten Techniken ermitteln den MEP per Chip-Basis um den Einfluss von Prozessvariationen mit einzubeziehen und dynamisch die Versorgungsspannung und Frequenz zu adaptieren um zeitabhängige Variationen wie Workload und Temperatur zu adressieren. Zu diesem Zweck wird in die Firmware eines Chips ein Regression-Modell integriert, welches den MEP basierend auf Workload- und Temperatur-Messungen zur Laufzeit extrahiert. Das Regressions-Modell ist für jeden Chip einzigartig und basiert lediglich auf Post-Fabrication-Messungen. Simulationsergebnisse zeigen das der entwickelte Ansatz eine sehr hohe prognostische Treffsicherheit und Energieeffizienz hat, ähnlich zu hardware-implementierten Methoden, jedoch ohne hardware-seitigen Mehraufwand [7, 8]. Selektierte Flip-Flop Optimierung: Ultra-Low-Voltage Schaltungen müssen im nominalen Versorgungsspannungs-Mode arbeiten um zeitliche Anforderungen von laufenden Anwendungen zu erfüllen. In diesem Fall ist die Schaltung von starken Alterungsprozessen betroffen, welche die Transistoren durch Erhöhung der Schwellenspannungen degradieren. Unsere tiefgehenden Analysen haben gezeigt das gewisse Flip-Flop-Architekturen von diesen Alterungserscheinungen beeinflusst werden indem fälschlicherweise konstante Werte ( \u270\u27 oder \u271\u27) für eine lange Zeit gespeichert sind. Im Vergleich zu anderen Komponenten sind Flip-Flops sensitiver zu Alterungsprozessen und versagen unter anderem dabei einen neuen Wert innerhalb des vorgegebenen zeitlichen Rahmens zu übernehmen. Außerdem kann auch ein geringfügiger Spannungsabfall zu diesen zeitlichen Verstößen führen, falls die betreffenden gealterten Flip-Flops zum kritischen Pfad zuzuordnen sind. In dieser Arbeit wird eine selektiver Flip-Flop-Optimierungsmethode vorgestellt, welche die Schaltungen bezüglich Robustheit gegen statische Alterung und Spannungsabfall optimieren. Dabei werden zuerst optimierte robuste Flip-Flops generiert und diese dann anschließend in die Standard-Zellen-Bibliotheken integriert. Flip-Flops, die in der Schaltung zum kritischen Pfad gehören und Alterung sowie Spannungsabfall erfahren, werden durch die optimierten robusten Versionen ersetzt, um das Zeitverhalten und die Zuverlässigkeit der Schaltung zu verbessern [9, 10]. Simulationsergebnisse zeigen, dass die erwartete Lebenszeit eines Prozessors um 37% verbessert werden kann, während Leckströme um nur 0.1% erhöht werden. Während NTC das Potenzial hat große Energieeffizienz zu ermöglichen, ist der Einsatz in neue Anwendungsfeldern wie IoT wegen den zuvor erwähnten Problemen bezüglich der hohen Sensitivität gegenüber Variationen und deshalb mangelnder Zuverlässigkeit, noch nicht durchsetzbar. In dieser Dissertation und in noch nicht publizierten Werken [11–17], stellen wir Lösungen zu diesen Problemen vor, die eine Integration von NTC in heutige Systeme ermöglichen

Exploration and Design of High Performance Variation Tolerant On-Chip Interconnects

Siirretty Doriast

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

Online Timing Slack Measurement and its Application in Field-Programmable Gate Arrays

Reliability, power consumption and timing performance are key concerns for today's integrated circuits. Measurement techniques capable of quantifying the timing characteristics of a circuit, while it is operating, facilitate a range of benefits. Delay variation due to environmental and operational conditions, and degradation can be monitored by tracking changes in timing performance. Using the measurements in a closed-loop to control power supply voltage or clock frequency allows for the reduction of timing safety margins, leading to improvements in power consumption or throughput performance through the exploitation of better-than worst-case operation. This thesis describes a novel online timing slack measurement method which can directly measure the timing performance of a circuit, accurately and with minimal overhead. Enhancements allow for the improvement of absolute accuracy and resolution. A compilation flow is reported that can automatically instrument arbitrary circuits on FPGAs with the measurement circuitry. On its own this measurement method is able to track the "health" of an integrated circuit, from commissioning through its lifetime, warning of impending failure or instigating pre-emptive degradation mitigation techniques. The use of the measurement method in a closed-loop dynamic voltage and frequency scaling scheme has been demonstrated, achieving significant improvements in power consumption and throughput performance.Open Acces

A low-area reference-free power supply sensor

Power supply unpredictable uctuations jeopardize the functioning of several types of current electronic systems. This work presents a power supply sensor based on a voltage divider followed by buffer-comparator cells employing just MOSFET transistors and provides a digital output. The divider outputs are designed to change more slowly than the thresholds of the comparators, in this way the sensor is able to detect voltage droops. The sensor is implemented in a 65nm technology node occupying an area of 2700?m2 and displaying a power consumption of 50?W. It is designed to work with no voltage reference and with no clock and aiming to obtain a fast response

Integrated Circuit Design for Radiation Sensing and Hardening.

Beyond the 1950s, integrated circuits have been widely used in a number of electronic devices surrounding people’s lives. In addition to computing electronics, scientific and medical equipment have also been undergone a metamorphosis, especially in radiation related fields where compact and precision radiation detection systems for nuclear power plants, positron emission tomography (PET), and radiation hardened by design (RHBD) circuits for space applications fabricated in advanced manufacturing technologies are exposed to the non-negligible probability of soft errors by radiation impact events. The integrated circuit design for radiation measurement equipment not only leads to numerous advantages on size and power consumption, but also raises many challenges regarding the speed and noise to replace conventional design modalities. This thesis presents solutions to front-end receiver designs for radiation sensors as well as an error detection and correction method to microprocessor designs under the condition of soft error occurrence. For the first preamplifier design, a novel technique that enhances the bandwidth and suppresses the input current noise by using two inductors is discussed. With the dual-inductor TIA signal processing configuration, one can reduce the fabrication cost, the area overhead, and the power consumption in a fast readout package. The second front-end receiver is a novel detector capacitance compensation technique by using the Miller effect. The fabricated CSA exhibits minimal variation in the pulse shape as the detector capacitance is increased. Lastly, a modified D flip-flop is discussed that is called Razor-Lite using charge-sharing at internal nodes to provide a compact EDAC design for modern well-balanced processors and RHBD against soft errors by SEE.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/111548/1/iykwon_1.pd

Degradation in FPGAs: Monitoring, Modeling and Mitigation

This dissertation targets the transistor aging degradation as well as the associated thermal challenges in FPGAs (since there is an exponential relation between aging and chip temperature). The main objectives are to perform experimentation, analysis and device-level model abstraction for modeling the degradation in FPGAs, then to monitor the FPGA to keep track of aging rates and ultimately to propose an aging-aware FPGA design flow to mitigate the aging

Dependable Embedded Systems

This Open Access book introduces readers to many new techniques for enhancing and optimizing reliability in embedded systems, which have emerged particularly within the last five years. This book introduces the most prominent reliability concerns from today’s points of view and roughly recapitulates the progress in the community so far. Unlike other books that focus on a single abstraction level such circuit level or system level alone, the focus of this book is to deal with the different reliability challenges across different levels starting from the physical level all the way to the system level (cross-layer approaches). The book aims at demonstrating how new hardware/software co-design solution can be proposed to ef-fectively mitigate reliability degradation such as transistor aging, processor variation, temperature effects, soft errors, etc. Provides readers with latest insights into novel, cross-layer methods and models with respect to dependability of embedded systems; Describes cross-layer approaches that can leverage reliability through techniques that are pro-actively designed with respect to techniques at other layers; Explains run-time adaptation and concepts/means of self-organization, in order to achieve error resiliency in complex, future many core systems