Impact of Bias Temperature Instability on Soft Error Susceptibility

In this paper, we address the issue of analyzing the effects of aging mechanisms on ICs' soft error (SE) susceptibility. In particular, we consider bias temperature instability (BTI), namely negative BTI in pMOS transistors and positive BTI in nMOS transistors that are recognized as the most critical aging mechanisms reducing the reliability of ICs. We show that BTI reduces significantly the critical charge of nodes of combinational circuits during their in-field operation, thus increasing the SE susceptibility of the whole IC. We then propose a time dependent model for SE susceptibility evaluation, enabling the use of adaptive SE hardening approaches, based on the ICs lifetime

Reconfigurable negative bit line collapsed supply write-assist for 9T-ST static random access memory cell

This paper presents a reconfigurable negative bit line collapsed supply (RNBLCS) write driver circuit for the 9T Schmitt trigger-based static random-access memory (SRAM) cell (9T-ST), significantly improving write performance for real-time memory applications. In deep sub-micron technology, increasing device parameter deviations significantly reduce SRAM cells' write-ability. The proposed RNBLCS write-assist driver for 9T-ST SRAM cell has 0.84×, 0.48×, 0.27× optimized write access delay and 1.05×, 1.08×, 1.19× improvement in write static noise margin (WSNM), 1.05×, 1.13×, and 1.39× improvement in write margin (WM), 0.96×, 0.89× and 0.72× minimum write trip-point (WTP) from transient-negative bit line (Tran-NBL), capacitive charge sharing (CCS), and conventional write circuits respectively. The proposed RNBLCS is functionally verified using a synopsys custom compiler with a 16 nm BSIM4 model card for bulk complementary metal-oxide semiconductor (CMOS)

Digital Timing Control in SRAMs for Yield Enhancement and Graceful Aging Degradation

Embedded SRAMs can occupy the majority of the chip area in SOCs. The increase in process variation and aging degradation due to technology scaling can severely compromise the integrity of SRAM memory cells, hence resulting in cell failures. Enough cell failures in a memory can lead to it being rejected during initial testing, and hence decrease the manufacturing yield. Or, as a result of long-term applied stress, lead to in-field system failures. Certain types of cell failures can be mitigated through improved timing control. Post-fabrication programmable timing can allow for after-the-fact calibration of timing signals on a per die basis. This allows for a SRAM's timing signals to be generated based on the characteristics specific to the individual chip, thus allowing for an increase in yield and reduction in in-field system failures. In this thesis, a delay line based SRAM timing block with digitally programmable timing signals has been implemented in a 180 nm CMOS technology. Various timing-related cell failure mechanisms including: 1). Operational Read Failures, 2). Cell Stability Failures, and 3). Power Envelope Failures are investigated. Additionally, the major contributing factors for process variation and device aging degradation are discussed in the context of SRAMs. Simulations show that programmable timing can be used to reduce cell failure rates by over 50%

Aging-Aware Request Scheduling for Non-Volatile Main Memory

Modern computing systems are embracing non-volatile memory (NVM) to implement high-capacity and low-cost main memory. Elevated operating voltages of NVM accelerate the aging of CMOS transistors in the peripheral circuitry of each memory bank. Aggressive device scaling increases power density and temperature, which further accelerates aging, challenging the reliable operation of NVM-based main memory. We propose HEBE, an architectural technique to mitigate the circuit aging-related problems of NVM-based main memory. HEBE is built on three contributions. First, we propose a new analytical model that can dynamically track the aging in the peripheral circuitry of each memory bank based on the bank's utilization. Second, we develop an intelligent memory request scheduler that exploits this aging model at run time to de-stress the peripheral circuitry of a memory bank only when its aging exceeds a critical threshold. Third, we introduce an isolation transistor to decouple parts of a peripheral circuit operating at different voltages, allowing the decoupled logic blocks to undergo long-latency de-stress operations independently and off the critical path of memory read and write accesses, improving performance. We evaluate HEBE with workloads from the SPEC CPU2017 Benchmark suite. Our results show that HEBE significantly improves both performance and lifetime of NVM-based main memory.Comment: To appear in ASP-DAC 202

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

A 128Kb RAM Design with Capacitor-Based Offset Compensation and Double-Diode based Read Assist Circuits at Low VDD

788-793Low power static random access memory (SRAM) takes significant portion of area on chip in all modern SOCs and emerging Computing-in-memory applications for edge devices in IoT. This work proposes novel readability assist with the double-diode based word line under drive (WLUD) has been effective improving the read-static noise-margin (RSNM) by 26–46%and proposed a capacitor based current controlled sense amplifier offset compensation scheme. This scheme achieves 4X reduction in standard deviation of offset voltage over conventional sense amplifier design with 1.1% and 2.9% of area, power overheads respectively with 90 nm CMOS technology at 0.5–1.0 V supply voltages

A 128Kb RAM Design with Capacitor-Based Offset Compensation and Double-Diode based Read Assist Circuits at Low VDD

Low power static random access memory (SRAM) takes significant portion of area on chip in all modern SOCs and emerging Computing-in-memory applications for edge devices in IoT. This work proposes novel readability assist with the double-diode based word line under drive (WLUD) has been effective improving the read-static noise-margin (RSNM) by 26–46%and proposed a capacitor based current controlled sense amplifier offset compensation scheme. This scheme achieves 4X reduction in standard deviation of offset voltage over conventional sense amplifier design with 1.1% and 2.9% of area, power overheads respectively with 90 nm CMOS technology at 0.5–1.0 V supply voltages

Improving the Reliability of Microprocessors under BTI and TDDB Degradations

Reliability is a fundamental challenge for current and future microprocessors with advanced nanoscale technologies. With smaller gates, thinner dielectric and higher temperature microprocessors are vulnerable under aging mechanisms such as Bias Temperature Instability (BTI) and Temperature Dependent Dielectric Breakdown (TDDB). Under continuous stress both parametric and functional errors occur, resulting compromised microprocessor lifetime. In this thesis, based on the thorough study on BTI and TDDB mechanisms, solutions are proposed to mitigating the aging processes on memory based and random logic structures in modern out-of-order microprocessors. A large area of processor core is occupied by memory based structure that is vulnerable to BTI induced errors. The problem is exacerbated when PBTI degradation in NMOS is as severe as NBTI in PMOS in high-k metal gate technology. Hence a novel design is proposed to recover 4 internal gates within a SRAM cell simultaneously to mitigate both NBTI and PBTI effects. This technique is applied to both the L2 cache banks and the busy function units with storage cells in out-of-order pipeline in two different ways. For the L2 cache banks, redundant cache bank is added exclusively for proactive recovery rotation. For the critical and busy function units in out-of-order pipelines, idle cycles are exploited at per-buffer-entry level. Different from memory based structures, combinational logic structures such as function units in execution stage can not use low overhead redundancy to tolerate errors due to their irregular structure. A design framework that aims to improve the reliability of the vulnerable functional units of a processor core is designed and implemented. The approach is designing a generic function unit (GFU) that can be reconfigured to replace a particular functional unit (FU) while it is being recovered for improved lifetime. Although flexible, the GFU is slower than the original target FUs. So GFU is carefully designed so as to minimize the performance loss when it is in-use. More schemes are also designed to avoid using the GFU on performance critical paths of a program execution

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