Experimental characterization of Random Telegraph Noise in FDSOI technology and its application for security primitives

The shrinking of transistors and consequent decrease in operational voltage, specially for Ultra-Low Voltage (ULV) applications such as IoT, has driven current technology to be very sensitive to the effects of random telegraph noise (RTN), the result of trapping and detrapping of carriers in a transistor’s oxide trap. Such a source of noise is attractive for the implementation of security primitives due to its resilience to temperature and supply voltage variations. However, it stands out from other noise sources for its low speed. The use of FDSOI technology, through the ability of controlling body bias, can be the key to optimize RTN speed for such applications. In this project, an experimental characterization of RTN behavior in an FDSOI ROSC- based chip has been conducted to evaluate the potential application of such a technology in security primitives. Results show that FDSOI technology can be employed to significantly increase or decrease RTN speed and even compensate for the effect of supply voltage and temperature variations

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

Variability of low frequency fluctuations in sub 45nm CMOS devices-Experiment, modeling and applications

D une part, les fluctuations et le bruit basse fréquence (BF) dans les dispositifs MOS ont été le sujet de recherche intensive durant ces dernières années. Le bruit BF devient une inquiétude majeure pour la réduction continuelle de la dimension des transistors car le bruit 1/f augmente comme l inverse de la surface des transistors. Le bruit BF et les fluctuations en excès pourraient constituer une limitation sérieuse du fonctionnement des circuits analogiques et numériques. Le bruit 1/f est également d'importance primordiale pour les applications de circuit RF où il provoque le bruit de phase dans les oscillateurs ou les multiplexeurs. Le développement des technologies submicroniques CMOS a conduit à l observation d un nouveau type de bruits, i.e. signaux télégraphiques aléatoires (RTS), entrainant de grandes amplitudes de fluctuations à l heure actuelle, qui peuvent compromettre la fonctionnalité des circuits. D'autre part, la variabilité statistique dans les caractéristiques de transistor est l'un des défis principaux pour les prochaines générations technologiques. La connaissance détaillée des sources de variabilité est extrêmement importante pour la conception et la fabrication des dispositifs résistants à la variabilité. On constate que la dispersion des valeurs de courant de drain des dispositifs n-MOS plutôt petits de la technologie 28 nm est presque deux décades. Cela résulte de l'impact des dopants aléatoires, de la rugosité de bord des lignes et les variations d'épaisseur d'oxyde, qui est plutôt bien compris, ainsi que du rôle du matériau de grille, en poly silicium ou en métal seulement, qui n a été que récemment étudié dans les simulations. La confirmation et la quantification expérimentales de la contribution du bruit et des fluctuations BF manquent toujours. En outre, l'étude de la variabilité du bruit BF et de sa relation avec les autres facteurs des variations des dispositifs n'a été jamais effectuée. Par conséquent, les défis de recherches et les objectifs de cette thèse sont centrés vers les études des fluctuations basses fréquences et du bruit dans les technologies CMOS 32nm et au-delà. Plus spécifiquement, le bruit BF sera étudié avec trois objectifs : i) la caractérisation détaillée du bruit BF des nouvelles technologies CMOS comportant des grilles avec high-k/métal, des poches de canal etc., ii) le changement des paramètres de bruit BF des différentes technologies et iii) l'impact du bruit BF et des fluctuations RTS en tant que sources de variabilité pour des applications de circuit analogique et numérique. Le premier objectif adressera l'origine des fluctuations de BF dans des dispositifs CMOS en termes de densité de piège et de localisation des défauts dans le diélectrique de grille et avec la longueur du canal pour différentes architectures (poche, canal de germanium, FD-SOI etc.). La deuxième partie considérera la variabilité du bruit BF résultant de la dispersion énorme des sources de bruit de dispositif à dispositif ; ceci sera conduit grâce à des mesures statistiques des caractéristiques de bruit de BF en fonction de la surface des dispositifs et des générations technologiques. Le troisième objective se concentrera sur l'impact du bruit de BF ou des fluctuations RTS sur le fonctionnement des circuits élémentaires (inverseur, cellule SRAM) et considérés en tant que source temporelle de variabilité. Nous allons aborder ces trois questions une après l autre dans les paragraphes suivants.Low frequency (LF) noise and fluctuations in MOS devices has been the subject of intensive research during the past years. The LF noise is becoming a major concern for continuously scaled down devices, since the 1/f noise increases as the reciprocal of the device area. Excessive low frequency noise and fluctuations could lead to serious limitation of the functionality of the analog and digital circuits. The 1/f noise is also of paramount importance in RF circuit applications where it gives rise to phase noise in oscillators or multiplexors. The development of submicronic CMOS technologies has led to the onset of new type of noises, i.e. random telegraph signals (RTS), yielding large current fluctuations, which can jeopardize the circuit functionality. However, the statistical variability in the transistor characteristics is one of the major challenges for upcoming technological nodes. The detailed knowledge of variability sources is extremely important for the design and manufacturing of variability resistant devices. Whereas the impact of random dopants, line edge roughness and oxide thickness variations is relatively well understood, the role of the polysilicon or metal gate material has only lately been investigated in simulations and experimental confirmation and quantification of its contribution is still lacking. In addition, the study of LFN variability behavior and maybe its relation with the other factors of device variations has never been done. Therefore, the research challenges and objectives of this thesis are centered towards the studies of low frequency fluctuations and noise in 32 nm CMOS technologies and beyond. More specifically, the objectives of the LF noise investigation is summarized in the following points: i) Detailed LF noise characterization of new CMOS technologies featuring high- metal gate stacks, channel pockets etc, ii) change of LF noise parameters from different technologies and iii) impact of LF noise and RTS fluctuations as a variability sources for analog and digital circuits. The first objective addresses the origin of the LF fluctuations in CMOS devices in terms of trap density and defect localization in the gate dielectric and along the channel for various architectures (pocket, Ge channel, FD-SOI etc). The second objective considers the LF noise variability resulting from huge dispersion of noise sources from device to device; this is conducted owing to statistical measurements of LF noise characteristics as a function of device area and technological splits. The third issue is focused on the impact of LF noise or RTS fluctuations on the operation of elementary circuits (inverter, SRAM cell) regarded as temporal variability source.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Miniaturized Transistors, Volume II

In this book, we aim to address the ever-advancing progress in microelectronic device scaling. Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) devices continue to endure miniaturization, irrespective of the seeming physical limitations, helped by advancing fabrication techniques. We observe that miniaturization does not always refer to the latest technology node for digital transistors. Rather, by applying novel materials and device geometries, a significant reduction in the size of microelectronic devices for a broad set of applications can be achieved. The achievements made in the scaling of devices for applications beyond digital logic (e.g., high power, optoelectronics, and sensors) are taking the forefront in microelectronic miniaturization. Furthermore, all these achievements are assisted by improvements in the simulation and modeling of the involved materials and device structures. In particular, process and device technology computer-aided design (TCAD) has become indispensable in the design cycle of novel devices and technologies. It is our sincere hope that the results provided in this Special Issue prove useful to scientists and engineers who find themselves at the forefront of this rapidly evolving and broadening field. Now, more than ever, it is essential to look for solutions to find the next disrupting technologies which will allow for transistor miniaturization well beyond silicon’s physical limits and the current state-of-the-art. This requires a broad attack, including studies of novel and innovative designs as well as emerging materials which are becoming more application-specific than ever before

Electrical Characterisation of III-V Nanowire MOSFETs

The ever increasing demand for faster and more energy-efficient electricalcomputation and communication presents severe challenges for the semiconductor industry and particularly for the metal-oxidesemiconductorfield-effect transistor (MOSFET), which is the workhorse of modern electronics. III-V materials exhibit higher carrier mobilities than the most commonly used MOSFET material Si so that the realisation of III-V MOSFETs can enable higher operation speeds and lower drive voltages than that which is possible in Si electronics. A lowering of the transistor drive voltage can be further facilitated by employing gate-all-around nanowire geometries or novel operation principles. However, III-V materials bring about their own challenges related to material quality and to the quality of the gate oxide on top of a III-V MOSFET channel.This thesis presents detailed electrical characterisations of two types of (vertical) III-V nanowire transistors: MOSFETs based on conventional thermionic emission; and Tunnel FETs, which utilise quantum-mechanical tunnelling instead to control the device current and reach inverse subthreshold slopes below the thermal limit of 60 mV/decade. Transistor characterisations span over fourteen orders of magnitude in frequency/time constants and temperatures from 11 K to 370 K.The first part of the thesis focusses on the characterisation of electrically active material defects (‘traps’) related to the gate stack. Low-frequency noise measurements yielded border trap densities of 10^18 to 10^20 cm^-3 eV^-1 and hysteresis measurements yielded effective trap densities – projected to theoxide/semiconductor interface – of 2x10^12 to 3x10^13 cm^-2 eV^-1. Random telegraph noise measurements revealed that individual oxide traps can locally shift the channel energy bands by a few millielectronvolts and that such defects can be located at energies from inside the semiconductor band gap all the way into the conduction band.Small-signal radio frequency (RF) measurements revealed that parts of the wide oxide trap distribution can still interact with carriers in the MOSFET channel at gigahertz frequencies. This causes frequency hystereses in the small-signal transconductance and capacitances and can decrease the RF gains by a few decibels. A comprehensive small-signal model was developed, which takes into account these dispersions, and the model was applied to guide improvements of the physical structure of vertical RF MOSFETs. This resulted in values for the cutoff frequency fT and the maximum oscillation frequency fmax of about 150 GHz in vertical III-V nanowire MOSFETs.Bias temperature instability measurements and the integration of (lateral) III-V nanowire MOSFETs in a back end of line process were carried out as complements to the main focus of this thesis. The results of this thesis provide a broad perspective of the properties of gate oxide traps and of the RF performance of III-V nanowire transistors and can act as guidelines for further improvement and finally the integration of III-V nanowire MOSFETs in circuits

Low Power Memory/Memristor Devices and Systems

This reprint focusses on achieving low-power computation using memristive devices. The topic was designed as a convenient reference point: it contains a mix of techniques starting from the fundamental manufacturing of memristive devices all the way to applications such as physically unclonable functions, and also covers perspectives on, e.g., in-memory computing, which is inextricably linked with emerging memory devices such as memristors. Finally, the reprint contains a few articles representing how other communities (from typical CMOS design to photonics) are fighting on their own fronts in the quest towards low-power computation, as a comparison with the memristor literature. We hope that readers will enjoy discovering the articles within

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

In-situ and In-field temperature and transistor BTI sensing techniques with microprocessor level implementation

In modern deep-scaled CMOS technologies, various silicon-related pitfalls present challenges to the long-term performance of microprocessors. Such challenges include (1) local hot spots, which breach the thermal limitations of a microprocessor, and (2) transistor aging, especially NBTI, which degrades transistor threshold voltage, ultimately threatening the reliability of the entire memory block. In previous systems, the dummy circuit was placed next to the subject, where the dummy was frequently analyzed, and the readout was used to infer the condition of the target. Due to rapidly changing ambient conditions (e.g., temperature and voltage) and the potential scale of the target dimensions, such metrics may not accurately represent the condition of the target. Moreover, such temperature sensors and canary circuits occupy a significant area. Therefore, it would be highly preferable to monitor the target circuit in-situ, i.e., to sense the precise transistor at operation. It is also important to achieve an accurate sensing metric. When the temperature is analyzed, the readout should account for voltage and process variations. While sensing the aging degradation, the readout should account for voltage and temperature fluctuations. This would allow testing during in-field operation, while the circuits achieve area-efficiency. This research had two stages. One result of the first stage was a silicon test chip that was a compact temperature sensor. It involved a family of PTAT+CTAT sensor front-ends that unitized only 6 to 8 conventional CMOS logic devices, yielding a smaller sized chip. The sensor demonstrates accuracy within the target and achieves a 14.3x smaller foot print than preceding published designs. The second product of the first stage was a PMOS aging sensor used in 6T SRAM circuits. The test chip has a real SRAM array, integrated with the proposed PMOS NBTI sensor. It can sense real PMOS NBTI effects in any bit cell (in-situ) and provide robust readings of temperature and voltage (in-field). Intensive aging tests validated the proposed sensing technique. The second stage was focused on implementing the in-situ and in-field sensing techniques in a real processor. The MIPS microprocessor had a modified instruction cache (I$) and instruction set architecture. With the addition of new instruction aging sensing and minor modification of the circuits, the processor can execute aging sensing opportunistically to evaluate the aging level of its instruction cache. A software framework was developed and verified to estimate the retention voltage of the instruction cache over the lifetime of the chip. An area-efficient SoC was developed that could transform the instruction cache into an ambient temperature sensor. It had a physically unclonable function (PUF), and it was built with an area-saving technique similar to the earlier work. This thesis has four chapters. They are presented in chronological and they are aligned with the research described above

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

Electronic Nanodevices

The start of high-volume production of field-effect transistors with a feature size below 100 nm at the end of the 20th century signaled the transition from microelectronics to nanoelectronics. Since then, downscaling in the semiconductor industry has continued until the recent development of sub-10 nm technologies. The new phenomena and issues as well as the technological challenges of the fabrication and manipulation at the nanoscale have spurred an intense theoretical and experimental research activity. New device structures, operating principles, materials, and measurement techniques have emerged, and new approaches to electronic transport and device modeling have become necessary. Examples are the introduction of vertical MOSFETs in addition to the planar ones to enable the multi-gate approach as well as the development of new tunneling, high-electron mobility, and single-electron devices. The search for new materials such as nanowires, nanotubes, and 2D materials for the transistor channel, dielectrics, and interconnects has been part of the process. New electronic devices, often consisting of nanoscale heterojunctions, have been developed for light emission, transmission, and detection in optoelectronic and photonic systems, as well for new chemical, biological, and environmental sensors. This Special Issue focuses on the design, fabrication, modeling, and demonstration of nanodevices for electronic, optoelectronic, and sensing applications