March CRF: an Efficient Test for Complex Read Faults in SRAM Memories

In this paper we study Complex Read Faults in SRAMs, a combination of various malfunctions that affect the read operation in nanoscale memories. All the memory elements involved in the read operation are studied, underlining the causes of the realistic faults concerning this operation. The requirements to cover these fault models are given. We show that the different causes of read failure are independent and may coexist in nanoscale SRAMs, summing their effects and provoking Complex Read Faults, CRFs. We show that the test methodology to cover this new read faults consists in test patterns that match the requirements to cover all the different simple read fault models. We propose a low complexity (?2N) test, March CRF, that covers effectively all the realistic Complex Read Fault

Influence of parasitic capacitance variations on 65 nm and 32 nm predictive technology model SRAM core-cells

The continuous improving of CMOS technology allows the realization of digital circuits and in particular static random access memories that, compared with previous technologies, contain an impressive number of transistors. The use of new production processes introduces a set of parasitic effects that gain more and more importance with the scaling down of the technology. In particular, even small variations of parasitic capacitances in CMOS devices are expected to become an additional source of faulty behaviors in future technologies. This paper analyzes and compares the effect of parasitic capacitance variations in a SRAM memory circuit realized with 65 nm and 32 nm predictive technology model

Automating defects simulation and fault modeling for SRAMs

The continues improvement in manufacturing process density for very deep sub micron technologies constantly leads to new classes of defects in memory devices. Exploring the effect of fabrication defects in future technologies, and identifying new classes of realistic functional fault models with their corresponding test sequences, is a time consuming task up to now mainly performed by hand. This paper proposes a new approach to automate this procedure. The proposed method exploits the capabilities of evolutionary algorithms to automatically identify faulty behaviors into defective memories and to define the corresponding fault models and relevant test sequences. Target defects are modeled at the electrical level in order to optimize the results to the specific technology and memory architecture

An Experimental Evaluation of Resistive Defects and Different Testing Solutions in Low-Power Back-Biased SRAM Cells

This paper compares different types of resistive defects that may occur inside low-power SRAM cells, focusing on their impact on device operation. Notwithstanding the continuous evolution of SRAM device integration, manufacturing processes continue to be very sensitive to production faults, giving rise to defects that can be modeled as resistances, especially for devices designed to work in low-power modes. This work analyzes this type of resistive defect that may impair the device functionalities in subtle ways, depending on the defect characteristics and values that may not be directly or easily detectable by traditional test methods. We analyze each defect in terms of the possible effects inside the SRAM cell, its impact on power consumption, and provide guidelines for selecting the best test methods

Comparing different solutions for testing resistive defects in low-power SRAMs

Low-power SRAM architectures are especially sensitive to many types of defects that may occur during manufacturing. Among these, resistive defects can appear. This paper analyzes some types of such defects that may impair the device functionalities in subtle ways, depending on the defect characteristics, and that may not be directly or easily detectable by traditional test methods, such as March algorithms. We analyze different methods to test such defects and discuss them in terms of complexity and test time

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

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