Design of Negative Bias Temperature Instability (NBTI) Tolerant Register File

Degradation of transistor parameter values due to Negative Bias Temperature Instability (NBTI) has emerged as a major reliability problem in current and future technology generations. NBTI Aging of a Static Random Access Memory (SRAM) cell leads to a lower noise margin, thereby increasing the failure rate. The register file, which consists of an array of SRAM cells, can suffer from data loss, leading to a system failure. In this work, we study the source of NBTI stress in an architecture and physical register file. Based on our study, we modified the register file structure to reduce the NBTI degradation and improve the overall system reliability. Having evaluated new register file structures, we find that our techniques substantially improve reliability of the register files. The new register files have small overhead, while in some cases they provide saving in area and power

Cross-Layer Resiliency Modeling and Optimization: A Device to Circuit Approach

The never ending demand for higher performance and lower power consumption pushes the VLSI industry to further scale the technology down. However, further downscaling of technology at nano-scale leads to major challenges. Reduced reliability is one of them, arising from multiple sources e.g. runtime variations, process variation, and transient errors. The objective of this thesis is to tackle unreliability with a cross layer approach from device up to circuit level

Cross-Layer Approaches for an Aging-Aware Design of Nanoscale Microprocessors

Thanks to aggressive scaling of transistor dimensions, computers have revolutionized our life. However, the increasing unreliability of devices fabricated in nanoscale technologies emerged as a major threat for the future success of computers. In particular, accelerated transistor aging is of great importance, as it reduces the lifetime of digital systems. This thesis addresses this challenge by proposing new methods to model, analyze and mitigate aging at microarchitecture-level and above

Exploiting heterogeneity in Chip-Multiprocessor Design

In the past decade, semiconductor manufacturers are persistent in building faster and smaller transistors in order to boost the processor performance as projected by Moore’s Law. Recently, as we enter the deep submicron regime, continuing the same processor development pace becomes an increasingly difficult issue due to constraints on power, temperature, and the scalability of transistors. To overcome these challenges, researchers propose several innovations at both architecture and device levels that are able to partially solve the problems. These diversities in processor architecture and manufacturing materials provide solutions to continuing Moore’s Law by effectively exploiting the heterogeneity, however, they also introduce a set of unprecedented challenges that have been rarely addressed in prior works. In this dissertation, we present a series of in-depth studies to comprehensively investigate the design and optimization of future multi-core and many-core platforms through exploiting heteroge-neities. First, we explore a large design space of heterogeneous chip multiprocessors by exploiting the architectural- and device-level heterogeneities, aiming to identify the optimal design patterns leading to attractive energy- and cost-efficiencies in the pre-silicon stage. After this high-level study, we pay specific attention to the architectural asymmetry, aiming at developing a heterogeneity-aware task scheduler to optimize the energy-efficiency on a given single-ISA heterogeneous multi-processor. An advanced statistical tool is employed to facilitate the algorithm development. In the third study, we shift our concentration to the device-level heterogeneity and propose to effectively leverage the advantages provided by different materials to solve the increasingly important reliability issue for future processors

Circuit Design of SRAM Physically Unclonable Functions

A Physically Unclonable Function (PUF) is an entity that reliably provides a unique response to a given challenge and cannot be easily duplicated physically. PUFs are an alternative to using non-volatile memory (NVM) for secure key storage. NVMs are susceptible to reverse engineering and side channel attacks that can extract sensitive data. PUFs take advantage of random physical variations that are introduced during manufacturing. PUFs can be used to create digital fingerprints as secret keys for cryptographic algorithms or for device authentication. SRAM PUFs, in particular, are of great interest due to their omnipresence in electronics. One of the weaknesses of SRAM PUFs is their reliability as noise and other environmental effects reduce the reproducibility of the PUF. This thesis provides an in depth analysis of the 6T SRAM PUF and 8T soft error robust SRAM PUF at the transistor level and provides a methodology to design a reliable PUF. We hypothesize that the VGS of pull up and pull down transistors during the power up phase affects PUF reliability. Transistors with a larger VGS have higher drive strength and more influence over the start-up value of the PUF. Changing the sizing ratio of PMOS to NMOS devices changes the VGS. Nominal simulations recorded VGS in relation to the VDD ramp-up to predict which devices have a higher influence on start up values. Two types of PUF schemes: VDD manipulation and GND manipulation are simulated. Monte Carlo simulations are performed within the Cadence Virtuoso environment using TSMC general purpose CMOS kit. The reliability metric is called the assured response which is the number of Monte Carlo samples that show a consistent response over 100 power ups. The results from VGS dependency analysis and isolated mismatch show a clear trend between VGS and the type of device that determines PUF reliability. Devices with higher VGS during VGS dependency analysis show a larger drop in assured response when their mismatch is disabled in the isolated mismatch simulation. Sizing sweeps show that skewed designs have higher assured response than less skewed designs. This is because smaller transistors have poor matching properties and relatively higher VGS which contribute to improved reliability. VDD manipulation and GND manipulation showed similar levels of reliability while 6T performed better than 8T. In an effort to improve the 8T PUF, a split VDD scheme is proposed which introduces a delay between two VDD signals in the cell. This shows a 3% improvement over a skewed 6T VDD design which was previously the best performer

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

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

Integrated Circuit Wear-out Prediction and Recycling Detection using Radio-Frequency Distinct Native Attribute Features

Radio Frequency Distinct Native Attribute (RF-DNA) has shown promise for detecting differences in Integrated Circuits(IC) using features extracted from a devices Unintentional Radio Emissions (URE). This ability of RF-DNA relies upon process variation imparted to a semiconductor device during manufacturing. However, internal components in modern ICs electronically age and wear out over their operational lifetime. RF-DNA techniques are adopted from prior work and applied to MSP430 URE to address the following research goals: 1) Does device wear-out impact RF-DNA device discriminability?, 2) Can device age be continuously estimated by monitoring changes in RF-DNA features?, and 3) Can device age state (e.g., new vs. used) be reliably estimated? Conclusions include: 1) device wear-out does impact RF-DNA, with up to a 16 change in discriminability over the range of accelerated ages considered, 2) continuous(hour-by-hour) age estimation was most challenging and generally not supported, and 3) binary new vs. used age estimation was successful with 78.7 to 99.9 average discriminability for all device-age combinations considered

A Holistic Solution for Reliability of 3D Parallel Systems

As device scaling slows down, emerging technologies such as 3D integration and carbon nanotube field-effect transistors are among the most promising solutions to increase device density and performance. These emerging technologies offer shorter interconnects, higher performance, and lower power. However, higher levels of operating temperatures and current densities project significantly higher failure rates. Moreover, due to the infancy of the manufacturing process, high variation, and defect densities, chip designers are not encouraged to consider these emerging technologies as a stand-alone replacement for Silicon-based transistors. The goal of this dissertation is to introduce new architectural and circuit techniques that can work around high-fault rates in the emerging 3D technologies, improving performance and reliability comparable to Silicon. We propose a new holistic approach to the reliability problem that addresses the necessary aspects of an effective solution such as detection, diagnosis, repair, and prevention synergically for a practical solution. By leveraging 3D fabric layouts, it proposes the underlying architecture to efficiently repair the system in the presence of faults. This thesis presents a fault detection scheme by re-executing instructions on idle identical units that distinguishes between transient and permanent faults while localizing it to the granularity of a pipeline stage. Furthermore, with the use of a dynamic and adaptive reconfiguration policy based on activity factors and temperature variation, we propose a framework that delivers a significant improvement in lifetime management to prevent faults due to aging. Finally, a design framework that can be used for large-scale chip production while mitigating yield and variation failures to bring up Carbon Nano Tube-based technology is presented. The proposed framework is capable of efficiently supporting high-variation technologies by providing protection against manufacturing defects at different granularities: module and pipeline-stage levels.PHDComputer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/168118/1/javadb_1.pd