Methodology for analysis of TSV stress induced transistor variation and circuit performance

As continued scaling becomes increasingly difficult, 3D integration with through silicon vias (TSVs) has emerged as a viable solution to achieve higher bandwidth and power efficiency. Mechanical stress induced by thermal mismatch between TSVs and the silicon bulk arising during wafer fabrication and 3D integration, is a key constraint. In this work, we propose a complete flow to characterize the influence of TSV stress on transistor and circuit performance. First, we analyze the thermal stress contour near the silicon surface with single and multiple TSVs through both finite element analysis (FEA) and linear superposition methods. Then, the biaxial stress is converted to mobility and threshold voltage variations depending on transistor type and geometric relation between TSVs and transistors. Next, we propose an efficient algorithm to calculate circuit variation corresponding to TSV stress based on a grid partition approach. Finally, we discuss a TSV pattern optimization strategy, and employ a series of 17-stage ring oscillators using 40 nm CMOS technology as a test case for the proposed approach

Energy-Efficient and Reliable Computing in Dark Silicon Era

Dark silicon denotes the phenomenon that, due to thermal and power constraints, the fraction of transistors that can operate at full frequency is decreasing in each technology generation. Moore’s law and Dennard scaling had been backed and coupled appropriately for five decades to bring commensurate exponential performance via single core and later muti-core design. However, recalculating Dennard scaling for recent small technology sizes shows that current ongoing multi-core growth is demanding exponential thermal design power to achieve linear performance increase. This process hits a power wall where raises the amount of dark or dim silicon on future multi/many-core chips more and more. Furthermore, from another perspective, by increasing the number of transistors on the area of a single chip and susceptibility to internal defects alongside aging phenomena, which also is exacerbated by high chip thermal density, monitoring and managing the chip reliability before and after its activation is becoming a necessity. The proposed approaches and experimental investigations in this thesis focus on two main tracks: 1) power awareness and 2) reliability awareness in dark silicon era, where later these two tracks will combine together. In the first track, the main goal is to increase the level of returns in terms of main important features in chip design, such as performance and throughput, while maximum power limit is honored. In fact, we show that by managing the power while having dark silicon, all the traditional benefits that could be achieved by proceeding in Moore’s law can be also achieved in the dark silicon era, however, with a lower amount. Via the track of reliability awareness in dark silicon era, we show that dark silicon can be considered as an opportunity to be exploited for different instances of benefits, namely life-time increase and online testing. We discuss how dark silicon can be exploited to guarantee the system lifetime to be above a certain target value and, furthermore, how dark silicon can be exploited to apply low cost non-intrusive online testing on the cores. After the demonstration of power and reliability awareness while having dark silicon, two approaches will be discussed as the case study where the power and reliability awareness are combined together. The first approach demonstrates how chip reliability can be used as a supplementary metric for power-reliability management. While the second approach provides a trade-off between workload performance and system reliability by simultaneously honoring the given power budget and target reliability

Modeling and optimization of high-performance many-core systems for energy-efficient and reliable computing

Thesis (Ph.D.)--Boston UniversityMany-core systems, ranging from small-scale many-core processors to large-scale high performance computing (HPC) data centers, have become the main trend in computing system design owing to their potential to deliver higher throughput per watt. However, power densities and temperatures increase following the growth in the performance capacity, and bring major challenges in energy efficiency, cooling costs, and reliability. These challenges require a joint assessment of performance, power, and temperature tradeoffs as well as the design of runtime optimization techniques that monitor and manage the interplay among them. This thesis proposes novel modeling and runtime management techniques that evaluate and optimize the performance, energy, and reliability of many-core systems. We first address the energy and thermal challenges in 3D-stacked many-core processors. 3D processors with stacked DRAM have the potential to dramatically improve performance owing to lower memory access latency and higher bandwidth. However, the performance increase may cause 3D systems to exceed the power budgets or create thermal hot spots. In order to provide an accurate analysis and enable the design of efficient management policies, this thesis introduces a simulation framework to jointly analyze performance, power, and temperature for 3D systems. We then propose a runtime optimization policy that maximizes the system performance by characterizing the application behavior and predicting the operating points that satisfy the power and thermal constraints. Our policy reduces the energy-delay product (EDP) by up to 61.9% compared to existing strategies. Performance, cooling energy, and reliability are also critical aspects in HPC data centers. In addition to causing reliability degradation, high temperatures increase the required cooling energy. Communication cost, on the other hand, has a significant impact on system performance in HPC data centers. This thesis proposes a topology-aware technique that maximizes system reliability by selecting between workload clustering and balancing. Our policy improves the system reliability by up to 123.3% compared to existing temperature balancing approaches. We also introduce a job allocation methodology to simultaneously optimize the communication cost and the cooling energy in a data center. Our policy reduces the cooling cost by 40% compared to cooling-aware and performance-aware policies, while achieving comparable performance to performance-aware policy

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