Improved state integrity of flip-flops for voltage scaled retention under PVT variation

Through measurements from 82 test chips, each with a state retention block of 8192 flip-flops, implemented using 65-nm design library, we demonstrate that state integrity of a flip-flop is sensitive to process, voltage, and temperature (PVT) variation. It has been found at 25?C that First Failure Voltage (FFV) of flip-flops varies from die to die, ranging from 245-mV to 315-mV, with 79% of total dies exhibiting single bit failure at FFV, while the rest show multi-bit failure. In terms of temperature variation, it has been found that FFV increases by up to 30-mV with increase in temperature from 25?C to 79?C, demonstrating its sensitivity to temperature variation. This work proposes a PVT-aware state-protection technique to ensure state integrity of flip-flops, while achieving maximum leakage savings. The proposed technique consists of characterization algorithm to determine minimum state retention voltage (MRV) of each die, and employs horizontal and vertical parity for error detection and single bit error correction. In case of error detection, it dynamically adjusts MRV per die to avoid subsequent errors. Silicon results show that at characterized MRV, flip-flop state integrity is preserved, while achieving up to 17.6% reduction in retention voltage across 82-dies

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

Monolithic parallel processor, phase 1A

A four-bit parallel processor LSI array was designed and fabricated using COS/MOS integrated-circuit technology. The design features include the provision for interconnecting groups of parallel-processor chips to form an expanded processor of any desired word length. This 800-transistor "computer on a chip' circuit has the logic capability of a medium-size, medium-speed, general-purpose computer suitable for sophisticated scientific data processing. The ability to fabricate this device repetitively was demonstrated

A solid-state digital temperature recorder for space use

A solid-state, digital, temperature recorder has been developed for use in space experiments. The recorder is completely self-contained and includes a temperature sensor; all necessary electronics for signal conditioning, processing, storing, control and timing; and a battery power supply. No electrical interfacing with the particular spacecraft on which the unit is used is required. The recorder is small, light, and sturdy, and has no moving parts. It uses only biocompatible materials and has passed vibration and shock spaceflight qualification tests. The unit is capable of storing 2048, -10 to +45 C, 8-bit temperature measurements taken at intervals selectable by factors of 2 from 1.875 to 240 min; data can be retained for at least 6 months. The basic recorder can be simplified to accommodate a variety of applications by adding memory to allow more data to be recorded, by changing the front end to permit measurements other than temperature to be made, and by using different batteries to realize various operating periods. Stored flight data are read out from the recorder by means of a ground read-out unit

Energy Consumption Evaluation of Flip-Flops for Dynamic Voltage Scaling Systems and Circulating-Temperature Applications

CMOS circuit technology has developed with a help of transistor scaling. In past decades, previous studies found that operating environment of digital system affects circuit performance significantly. For example, extensive research has been performed to learn temperature dependency of CMOS circuits and optimize their performance at given temperature. Adaptive voltage scaling (AVS) is one of the important techniques, responses to operating temperature and dynamically change supply voltage of digital circuits to optimize circuit performance. AVS can enable energy optimization for a system experiencing significant temperature variation, including a space satellite. However, inappropriate AVS results in functional failure in an extreme condition, which can cause substantial problem for a critical mission. This work proposes technique to evaluate recently published flip-flops considering their power-delay product (PDP) and reliability for an AVS system operating under circulating temperature. The 8 flip-flops are evaluated under different temperature and supply voltage. Their PDPs are compared assuming that temperature changes linearly. Functional reliability is quantitatively evaluated using corner and Monte-Carlo simulations, and failure mechanisms of flip-flops are discussed as well

Latch-based RISC-V core with popcount instruction for CNN acceleration

Energy-efficiency is essential for vast majority of mobile and embedded battery-powered systems. Internet-of-Things paradigm combines requirements for high computational capabilities, extreme energy-efficiency and low-cost. Increasing manufacturing process variations pose formidable challenges for deep-submicron integrated circuit designs. The effects of variation are further exacerbated by lowered voltages in energy-efficient designs. Compared to traditional flip-flop-based design, latch-based design offers area, energy-efficiency and variation tolerance benefits at the cost of increased timing behavior complexity. A method for converting flip-flop-based processor core to latch-based core at register-transfer-level is presented in this work. Convolutional neural networks have enabled image recognition in the field of computer vision at unprecedented accuracy. Performance and memory requirements of canonical convolutional neural networks have been out of reach for low-cost IoT devices. In collaboration with Tampere University, a custom popcount instruction was added to the cores for accelerating IoT optimized vehicle classification convolutional neural network. This work compares simulation results from synthesized flip-flop-based and latch-based versions of a SCR1 RISC-V processor core and the effects of custom instruction for CNN acceleration. The latch core achieved roughly 50\% smaller energy per operation than the flip-flop core and 2.1x speedup was observed in the execution of the CNN when using the custom instruction