Circuit Techniques for Adaptive and Reliable High Performance Computing.

Increasing power density with process scaling has caused stagnation in the clock speed of modern microprocessors. Accordingly, designers have adopted message passing and shared memory based multicore architectures in order to keep up with the rapidly rising demand for computing throughput. At the same time, applications are not entirely parallel and improving single-thread performance continues to remain critical. Additionally, reliability is also worsening with process scaling, and margining for failures due to process and environmental variations in modern technologies consumes an increasingly large portion of the power/performance envelope. In the wake of multicore computing, reliability of signal synchronization between the cores is also becoming increasingly critical. This forces designers to search for alternate efficient methods to improve compute performance while addressing reliability. Accordingly, this dissertation presents innovative circuit and architectural techniques for variation-tolerance, performance and reliability targeted at datapath logic, signal synchronization and memories. Firstly, a domino logic based design style for datapath logic is presented that uses Adaptive Robustness Tuning (ART) in addition to timing speculation to provide up to 71% performance gains over conventional domino logic in 32bx32b multiplier in 65nm CMOS. Margins are reduced until functionality errors are detected, that are used to guide the tuning. Secondly, for signal synchronization across clock domains, a new class of dynamic logic based synchronizers with single-cycle synchronization latency is presented, where pulses, rather than stable intermediate voltages cause metastability. Such pulses are amplified using skewed inverters to improve mean time between failures by ~1e6x over jamb latches and double flip-flops at 2GHz in 65nm CMOS. Thirdly, a reconfigurable sensing scheme for 6T SRAMs is presented that employs auto-zero calibration and pre-amplification to improve sensing reliability (by up to 1.2 standard deviations of NMOS threshold voltage in 28nm CMOS); this increased reliability is in turn traded for ~42% sensing speedup. Finally, a main memory architecture design methodology to address reliability and power in the context of Exascale computing systems is presented. Based on 3D-stacked DRAMs, the methodology co-optimizes DRAM access energy, refresh power and the increased cost of error resilience, to meet stringent power and reliability constraints.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/107238/1/bharan_1.pd

Propuesta de arquitectura y circuitos para la mejora del rango dinámico de sistemas de visión en un chip diseñados en tecnologías CMOS profundamente submicrométrica

El trabajo presentado en esta tesis trata de proponer nuevas técnicas para la expansión del rango dinámico en sensores electrónicos de imagen. En este caso, hemos dirigido nuestros estudios hacia la posibilidad de proveer dicha funcionalidad en un solo chip. Esto es, sin necesitar ningún soporte externo de hardware o software, formando un tipo de sistema denominado Sistema de Visión en un Chip (VSoC). El rango dinámico de los sensores electrónicos de imagen se define como el cociente entre la máxima y la mínima iluminación medible. Para mejorar este factor surgen dos opciones. La primera, reducir la mínima luz medible mediante la disminución del ruido en el sensor de imagen. La segunda, incrementar la máxima luz medible mediante la extensión del límite de saturación del sensor. Cronológicamente, nuestra primera opción para mejorar el rango dinámico se basó en reducir el ruido. Varias opciones se pueden tomar para mejorar la figura de mérito de ruido del sistema: reducir el ruido usando una tecnología CIS o usar circuitos dedicados, tales como calibración o auto cero. Sin embargo, el uso de técnicas de circuitos implica limitaciones, las cuales sólo pueden ser resueltas mediante el uso de tecnologías no estándar que están especialmente diseñadas para este propósito. La tecnología CIS utilizada está dirigida a la mejora de la calidad y las posibilidades del proceso de fotosensado, tales como sensibilidad, ruido, permitir imagen a color, etcétera. Para estudiar las características de la tecnología en más detalle, se diseñó un chip de test, lo cual permite extraer las mejores opciones para futuros píxeles. No obstante, a pesar de un satisfactorio comportamiento general, las medidas referentes al rango dinámico indicaron que la mejora de este mediante sólo tecnología CIS es muy limitada. Es decir, la mejora de la corriente oscura del sensor no es suficiente para nuestro propósito. Para una mayor mejora del rango dinámico se deben incluir circuitos dentro del píxel. No obstante, las tecnologías CIS usualmente no permiten nada más que transistores NMOS al lado del fotosensor, lo cual implica una seria restricción en el circuito a usar. Como resultado, el diseño de un sensor de imagen con mejora del rango dinámico en tecnologías CIS fue desestimado en favor del uso de una tecnología estándar, la cual da más flexibilidad al diseño del píxel. En tecnologías estándar, es posible introducir una alta funcionalidad usando circuitos dentro del píxel, lo cual permite técnicas avanzadas para extender el límite de saturación de los sensores de imagen. Para este objetivo surgen dos opciones: adquisición lineal o compresiva. Si se realiza una adquisición lineal, se generarán una gran cantidad de datos por cada píxel. Como ejemplo, si el rango dinámico de la escena es de 120dB al menos se necesitarían 20-bits/píxel, log2(10120/20)=19.93, para la representación binaria de este rango dinámico. Esto necesitaría de amplios recursos para procesar esta gran cantidad de datos, y un gran ancho de banda para moverlos al circuito de procesamiento. Para evitar estos problemas, los sensores de imagen de alto rango dinámico usualmente optan por utilizar una adquisición compresiva de la luz. Por lo tanto, esto implica dos tareas a realizar: la captura y la compresión de la imagen. La captura de la imagen se realiza a nivel de píxel, en el dispositivo fotosensor, mientras que la compresión de la imagen puede ser realizada a nivel de píxel, de sistema, o mediante postprocesado externo. Usando el postprocesado, existe un campo de investigación que estudia la compresión de escenas de alto rango dinámico mientras se mantienen los detalles, produciendo un resultado apropiado para la percepción humana en monitores convencionales de bajo rango dinámico. Esto se denomina Mapeo de Tonos (Tone Mapping) y usualmente emplea solo 8-bits/píxel para las representaciones de imágenes, ya que éste es el estándar para las imágenes de bajo rango dinámico. Los píxeles de adquisición compresiva, por su parte, realizan una compresión que no es dependiente de la escena de alto rango dinámico a capturar, lo cual implica una baja compresión o pérdida de detalles y contraste. Para evitar estas desventajas, en este trabajo, se presenta un píxel de adquisición compresiva que aplica una técnica de mapeo de tonos que permite la captura de imágenes ya comprimidas de una forma optimizada para mantener los detalles y el contraste, produciendo una cantidad muy reducida de datos. Las técnicas de mapeo de tonos ejecutan normalmente postprocesamiento mediante software en un ordenador sobre imágenes capturadas sin compresión, las cuales contienen una gran cantidad de datos. Estas técnicas han pertenecido tradicionalmente al campo de los gráficos por ordenador debido a la gran cantidad de esfuerzo computacional que requieren. Sin embargo, hemos desarrollado un nuevo algoritmo de mapeo de tonos especialmente adaptado para aprovechar los circuitos dentro del píxel y que requiere un reducido esfuerzo de computación fuera de la matriz de píxeles, lo cual permite el desarrollo de un sistema de visión en un solo chip. El nuevo algoritmo de mapeo de tonos, el cual es un concepto matemático que puede ser simulado mediante software, se ha implementado también en un chip. Sin embargo, para esta implementación hardware en un chip son necesarias algunas adaptaciones y técnicas avanzadas de diseño, que constituyen en sí mismas otra de las contribuciones de este trabajo. Más aún, debido a la nueva funcionalidad, se han desarrollado modificaciones de los típicos métodos a usar para la caracterización y captura de imágenes

Automatic Tuning of Digital Circuits.

Variation in transistors is increasing as process technology transistor dimensions shrink. Compounded with lowering supply voltage, this increased variation presents new challenges for the circuit designer. However, this variation also brings many new opportunities for the circuit designer to leverage as well. We present a time-to-digital converter embedded inside a 64-bit processor core, for direct monitoring of on-chip critical paths. This path monitoring allows the processor to monitor process variation and run-time variations. By adjusting to both static and dynamic operating conditions the impact of variations can be reduced. The time-to-digital converter achieves high-resolution measurement in the picosecond range, due to self-calibration via a self-feedback mode. This system is implemented in 45nm silicon and measured silicon results are shown. We also examine techniques for enhanced variation-tolerance in subthreshold digital circuits, applying these to a high fan-in, self-timed transition detection circuit that, due to its self-timing, is able to fully compensate for the large variation in subthreshold. In addition to mitigating variations we also leverage them for random number generation. We demonstrate that the randomness inherent in the oxide breakdown process can be extracted and applied for the specific applications of on-chip ID generation and on-chip true random number generation. By using dynamic automated self-calibrating algorithms that tune and control the on-chip circuitry, we are able to achieve extremely high-quality results. The two systems are implemented in 65 nm silicon. Measured results for the on-chip ID system, called OxID, show a high-degree of randomness and read-stability in the generated IDs, both primary prerequisites of a high-quality on-chip ID system. Measured results for the true random number generator, called OxiGen, show an exceptionally high degree of randomness, passing all fifteen NIST 800-22 tests for randomness with statistical significance and without the aid of a post-processor.Ph.D.Electrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/86390/1/rachliu_1.pd

Nano-intrinsic security primitives for internet of everything

With the advent of Internet-enabled electronic devices and mobile computer systems, maintaining data security is one of the most important challenges in modern civilization. The innovation of physically unclonable functions (PUFs) shows great potential for enabling low-cost low-power authentication, anti-counterfeiting and beyond on the semiconductor chips. This is because secrets in a PUF are hidden in the randomness of the physical properties of desirably identical devices, making it extremely difficult, if not impossible, to extract them. Hence, the basic idea of PUF is to take advantage of inevitable non-idealities in the physical domain to create a system that can provide an innovative way to secure device identities, sensitive information, and their communications. While the physical variation exists everywhere, various materials, systems, and technologies have been considered as the source of unpredictable physical device variation in large scales for generating security primitives. The purpose of this project is to develop emerging solid-state memory-based security primitives and examine their robustness as well as feasibility. Firstly, the author gives an extensive overview of PUFs. The rationality, classification, and application of PUF are discussed. To objectively compare the quality of PUFs, the author formulates important PUF properties and evaluation metrics. By reviewing previously proposed constructions ranging from conventional standard complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) components to emerging non-volatile memories, the quality of different PUFs classes are discussed and summarized. Through a comparative analysis, emerging non-volatile redox-based resistor memories (ReRAMs) have shown the potential as promising candidates for the next generation of low-cost, low-power, compact in size, and secure PUF. Next, the author presents novel approaches to build a PUF by utilizing concatenated two layers of ReRAM crossbar arrays. Upon concatenate two layers, the nonlinear structure is introduced, and this results in the improved uniformity and the avalanche characteristic of the proposed PUF. A group of cell readout method is employed, and it supports a massive pool of challenge-response pairs of the nonlinear ReRAM-based PUF. The non-linear PUF construction is experimentally assessed using the evaluation metrics, and the quality of randomness is verified using predictive analysis. Last but not least, random telegraph noise (RTN) is studied as a source of entropy for a true random number generation (TRNG). RTN is usually considered a disadvantageous feature in the conventional CMOS designs. However, in combination with appropriate readout scheme, RTN in ReRAM can be used as a novel technique to generate quality random numbers. The proposed differential readout-based design can maintain the quality of output by reducing the effect of the undesired noise from the whole system, while the controlling difficulty of the conventional readout method can be significantly reduced. This is advantageous as the differential readout circuit can embrace the resistance variation features of ReRAMs without extensive pre-calibration. The study in this thesis has the potential to enable the development of cost-efficient and lightweight security primitives that can be integrated into modern computer mobile systems and devices for providing a high level of security

Digital-Based Analog Processing in Nanoscale CMOS ICs for IoT Applications

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Novel Multicarrier Memory Channel Architecture Using Microwave Interconnects: Alleviating the Memory Wall

abstract: The increase in computing power has simultaneously increased the demand for input/output (I/O) bandwidth. Unfortunately, the speed of I/O and memory interconnects have not kept pace. Thus, processor-based systems are I/O and interconnect limited. The memory aggregated bandwidth is not scaling fast enough to keep up with increasing bandwidth demands. The term "memory wall" has been coined to describe this phenomenon. A new memory bus concept that has the potential to push double data rate (DDR) memory speed to 30 Gbit/s is presented. We propose to map the conventional DDR bus to a microwave link using a multicarrier frequency division multiplexing scheme. The memory bus is formed using a microwave signal carried within a waveguide. We call this approach multicarrier memory channel architecture (MCMCA). In MCMCA, each memory signal is modulated onto an RF carrier using 64-QAM format or higher. The carriers are then routed using substrate integrated waveguide (SIW) interconnects. At the receiver, the memory signals are demodulated and then delivered to SDRAM devices. We pioneered the usage of SIW as memory channel interconnects and demonstrated that it alleviates the memory bandwidth bottleneck. We demonstrated SIW performance superiority over conventional transmission line in immunity to cross-talk and electromagnetic interference. We developed a methodology based on design of experiment (DOE) and response surface method techniques that optimizes the design of SIW interconnects and minimizes its performance fluctuations under material and manufacturing variations. Along with using SIW, we implemented a multicarrier architecture which enabled the aggregated DDR bandwidth to reach 30 Gbit/s. We developed an end-to-end system model in Simulink and demonstrated the MCMCA performance for ultra-high throughput memory channel. Experimental characterization of the new channel shows that by using judicious frequency division multiplexing, as few as one SIW interconnect is sufficient to transmit the 64 DDR bits. Overall aggregated bus data rate achieves 240 GBytes/s data transfer with EVM not exceeding 2.26% and phase error of 1.07 degree or less.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

Utilizing Magnetic Tunnel Junction Devices in Digital Systems

The research described in this dissertation is motivated by the desire to effectively utilize magnetic tunnel junctions (MTJs) in digital systems. We explore two aspects of this: (1) a read circuit useful for global clocking and magnetologic, and (2) hardware virtualization that utilizes the deeply-pipelined nature of magnetologic. In the first aspect, a read circuit is used to sense the state of an MTJ (low or high resistance) and produce a logic output that represents this state. With global clocking, an external magnetic field combined with on-chip MTJs is used as an alternative mechanism for distributing the clock signal across the chip. With magnetologic, logic is evaluated with MTJs that must be sensed by a read circuit and used to drive downstream logic. For these two uses, we develop a resistance-to-voltage (R2V) read circuit to sense MTJ resistance and produce a logic voltage output. We design and fabricate a prototype test chip in the 3 metal 2 poly 0.5 um process for testing the R2V read circuit and experimentally validating its correctness. Using a clocked low/high resistor pair, we show that the read circuit can correctly detect the input resistance and produce the desired square wave output. The read circuit speed is measured to operate correctly up to 48 MHz. The input node is relatively insensitive to node capacitance and can handle up to 10s of pF of capacitance without changing the bandwidth of the circuit. In the second aspect, hardware virtualization is a technique by which deeply-pipelined circuits that have feedback can be utilized. MTJs have the potential to act as state in a magnetologic circuit which may result in a deep pipeline. Streams of computation are then context switched into the hardware logic, allowing them to share hardware resources and more fully utilize the pipeline stages of the logic. While applicable to magnetologic using MTJs, virtualization is also applicable to traditional logic technologies like CMOS. Our investigation targets MTJs, FPGAs, and ASICs. We develop M/D/1 and M/G/1 queueing models of the performance of virtualized hardware with secondary memory using a fixed, hierarchical, round-robin schedule that predict average throughput, latency, and queue occupancy in the system. We develop three C-slow applications and calibrate them to a clock and resource model for FPGA and ASIC technologies. Last, using the M/G/1 model, we predict throughput, latency, and resource usage for MTJ, FPGA, and ASIC technologies. We show three design scenarios illustrating ways in which to use the model

Energy Efficient Computing with Time-Based Digital Circuits

University of Minnesota Ph.D. dissertation. May 2019. Major: Electrical Engineering. Advisor: Chris Kim. 1 computer file (PDF); xv, 150 pages.Advancements in semiconductor technology have given the world economical, abundant, and reliable computing resources which have enabled countless breakthroughs in science, medicine, and agriculture which have improved the lives of many. Due to physics, the rate of these advancements is slowing, while the demand for the increasing computing horsepower ever grows. Novel computer architectures that leverage the foundation of conventional systems must become mainstream to continue providing the improved hardware required by engineers, scientists, and governments to innovate. This thesis provides a path forward by introducing multiple time-based computing architectures for a diverse range of applications. Simply put, time-based computing encodes the output of the computation in the time it takes to generate the result. Conventional systems encode this information in voltages across multiple signals; the performance of these systems is tightly coupled to improvements in semiconductor technology. Time-based computing elegantly uses the simplest of components from conventional systems to efficiently compute complex results. Two time-based neuromorphic computing platforms, based on a ring oscillator and a digital delay line, are described. An analog-to-digital converter is designed in the time domain using a beat frequency circuit which is used to record brain activity. A novel path planning architecture, with designs for 2D and 3D routes, is implemented in the time domain. Finally, a machine learning application using time domain inputs enables improved performance of heart rate prediction, biometric identification, and introduces a new method for using machine learning to predict temporal signal sequences. As these innovative architectures are presented, it will become clear the way forward will be increasingly enabled with time-based designs

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