Circuits and Systems Advances in Near Threshold Computing

Modern society is witnessing a sea change in ubiquitous computing, in which people have embraced computing systems as an indispensable part of day-to-day existence. Computation, storage, and communication abilities of smartphones, for example, have undergone monumental changes over the past decade. However, global emphasis on creating and sustaining green environments is leading to a rapid and ongoing proliferation of edge computing systems and applications. As a broad spectrum of healthcare, home, and transport applications shift to the edge of the network, near-threshold computing (NTC) is emerging as one of the promising low-power computing platforms. An NTC device sets its supply voltage close to its threshold voltage, dramatically reducing the energy consumption. Despite showing substantial promise in terms of energy efficiency, NTC is yet to see widescale commercial adoption. This is because circuits and systems operating with NTC suffer from several problems, including increased sensitivity to process variation, reliability problems, performance degradation, and security vulnerabilities, to name a few. To realize its potential, we need designs, techniques, and solutions to overcome these challenges associated with NTC circuits and systems. The readers of this book will be able to familiarize themselves with recent advances in electronics systems, focusing on near-threshold computing

Methods to improve the reliability and resiliency of near/sub-threshold digital circuits

Energy consumption is one of the primary bottlenecks to both large and small scale modern compute platforms. Reducing the operating voltage of digital circuits to voltages where the supply voltage is near or below the threshold of the transistors has recently gained attention as a method to reduce the energy required for computations by as much as 6 times. However, when operating at near/sub-threshold voltages (where the supply voltage is near or below the threshold of the transistors), imperfections in transistor manufacturing, changes in temperature, and other difficult-to-predict factors cause wide variations in the timing of Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) circuits due to an increased sensitivity at lower voltages. These increased variations result in poor aggregate performance and cause increased rates of error occurrence in computation. This work introduces several new methods to improve the reliability of near/sub-threshold circuits. The first is a design automation technique that is used to aid in low-voltage digital standard cell synthesis. Second, two circuit-level techniques are also introduced that aim to improve the reliability and resiliency of digital circuits by means of completion/error detection. These techniques are shown to improve speed and lower energy consumption at low overheads compared to previous methods. Most importantly, these circuit-level methods are specifically designed to operate at low voltages and can themselves tolerate variations and operation in harsh environments. Finally, a test-chip prototype designed in 65nm-CMOS demonstrates the practicality and feasibility of a proposed current sensing error detector

Exploiting Adaptive Techniques to Improve Processor Energy Efficiency

Rapid device-miniaturization keeps on inducing challenges in building energy efficient microprocessors. As the size of the transistors continuously decreasing, more uncertainties emerge in their operations. On the other hand, integrating more and more transistors on a single chip accentuates the need to lower its supply-voltage. This dissertation investigates one of the primary device uncertainties - timing error, in microprocessor performance bottleneck in NTC era. Then it proposes various innovative techniques to exploit these opportunities to maintain processor energy efficiency, in the context of emerging challenges. Evaluated with the cross-layer methodology, the proposed approaches achieve substantial improvements in processor energy efficiency, compared to other start-of-art techniques

Toward Reliable, Secure, and Energy-Efficient Multi-Core System Design

Computer hardware researchers have perennially focussed on improving the performance of computers while stipulating the energy consumption under a strict budget. While several innovations over the years have led to high performance and energy efficient computers, more challenges have also emerged as a fallout. For example, smaller transistor devices in modern multi-core systems are afflicted with several reliability and security concerns, which were inconceivable even a decade ago. Tackling these bottlenecks happens to negatively impact the power and performance of the computers. This dissertation explores novel techniques to gracefully solve some of the pressing challenges of the modern computer design. Specifically, the proposed techniques improve the reliability of on-chip communication fabric under a high power supply noise, increase the energy-efficiency of low-power graphics processing units, and demonstrate an unprecedented security loophole of the low-power computing paradigm through rigorous hardware-based experiments

Challenges and Opportunities in Near-Threshold DNN Accelerators around Timing Errors

AI evolution is accelerating and Deep Neural Network (DNN) inference accelerators are at the forefront of ad hoc architectures that are evolving to support the immense throughput required for AI computation. However, much more energy efficient design paradigms are inevitable to realize the complete potential of AI evolution and curtail energy consumption. The Near-Threshold Computing (NTC) design paradigm can serve as the best candidate for providing the required energy efficiency. However, NTC operation is plagued with ample performance and reliability concerns arising from the timing errors. In this paper, we dive deep into DNN architecture to uncover some unique challenges and opportunities for operation in the NTC paradigm. By performing rigorous simulations in TPU systolic array, we reveal the severity of timing errors and its impact on inference accuracy at NTC. We analyze various attributes—such as data–delay relationship, delay disparity within arithmetic units, utilization pattern, hardware homogeneity, workload characteristics—and uncover unique localized and global techniques to deal with the timing errors in NTC

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

A novel deep submicron bulk planar sizing strategy for low energy subthreshold standard cell libraries

Engineering andPhysical Science ResearchCouncil (EPSRC) and Arm Ltd for providing funding in the form of grants and studentshipsThis work investigates bulk planar deep submicron semiconductor physics in an attempt to improve standard cell libraries aimed at operation in the subthreshold regime and in Ultra Wide Dynamic Voltage Scaling schemes. The current state of research in the field is examined, with particular emphasis on how subthreshold physical effects degrade robustness, variability and performance. How prevalent these physical effects are in a commercial 65nm library is then investigated by extensive modeling of a BSIM4.5 compact model. Three distinct sizing strategies emerge, cells of each strategy are laid out and post-layout parasitically extracted models simulated to determine the advantages/disadvantages of each. Full custom ring oscillators are designed and manufactured. Measured results reveal a close correlation with the simulated results, with frequency improvements of up to 2.75X/2.43X obs erved for RVT/LVT devices respectively. The experiment provides the first silicon evidence of the improvement capability of the Inverse Narrow Width Effect over a wide supply voltage range, as well as a mechanism of additional temperature stability in the subthreshold regime. A novel sizing strategy is proposed and pursued to determine whether it is able to produce a superior complex circuit design using a commercial digital synthesis flow. Two 128 bit AES cores are synthesized from the novel sizing strategy and compared against a third AES core synthesized from a state-of-the-art subthreshold standard cell library used by ARM. Results show improvements in energy-per-cycle of up to 27.3% and frequency improvements of up to 10.25X. The novel subthreshold sizing strategy proves superior over a temperature range of 0 °C to 85 °C with a nominal (20 °C) improvement in energy-per-cycle of 24% and frequency improvement of 8.65X. A comparison to prior art is then performed. Valid cases are presented where the proposed sizing strategy would be a candidate to produce superior subthreshold circuits