Scalable Energy-Recovery Architectures.

Energy efficiency is a critical challenge for today's integrated circuits, especially for high-end digital signal processing and communications that require both high throughput and low energy dissipation for extended battery life. Charge-recovery logic recovers and reuses charge using inductive elements and has the potential to achieve order-of-magnitude improvement in energy efficiency while maintaining high performance. However, the lack of large-scale high-speed silicon demonstrations and inductor area overheads are two major concerns. This dissertation focuses on scalable charge-recovery designs. We present a semi-automated design flow to enable the design of large-scale charge-recovery chips. We also present a new architecture that uses in-package inductors, eliminating the area overheads caused by the use of integrated inductors in high-performance charge-recovery chips. To demonstrate our semi-automated flow, which uses custom-designed standard-cell-like dynamic cells, we have designed a 576-bit charge-recovery low-density parity-check (LDPC) decoder chip. Functioning correctly at clock speeds above 1 GHz, this prototype is the first-ever demonstration of a GHz-speed charge-recovery chip of significant complexity. In terms of energy consumption, this chip improves over recent state-of-the-art LDPCs by at least 1.3 times with comparable or better area efficiency. To demonstrate our architecture for eliminating inductor overheads, we have designed a charge-recovery LDPC decoder chip with in-package inductors. This test-chip has been fabricated in a 65nm CMOS flip-chip process. A custom 6-layer FC-BGA package substrate has been designed with 16 inductors embedded in the fifth layer of the package substrate, yielding higher Q and significantly improving area efficiency and energy efficiency compared to their on-chip counterparts. From measurements, this chip achieves at least 2.3 times lower energy consumption with better area efficiency over state-of-the-art published designs.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/116653/1/terryou_1.pd

An Adiabatic Capacitive Artificial Neuron With RRAM-Based Threshold Detection for Energy-Efficient Neuromorphic Computing

In the quest for low power, bio-inspired computation both memristive and memcapacitive-based Artificial Neural Networks (ANN) have been the subjects of increasing focus for hardware implementation of neuromorphic computing. One step further, regenerative capacitive neural networks, which call for the use of adiabatic computing, offer a tantalising route towards even lower energy consumption, especially when combined with `memimpedace' elements. Here, we present an artificial neuron featuring adiabatic synapse capacitors to produce membrane potentials for the somas of neurons; the latter implemented via dynamic latched comparators augmented with Resistive Random-Access Memory (RRAM) devices. Our initial 4-bit adiabatic capacitive neuron proof-of-concept example shows 90% synaptic energy saving. At 4 synapses/soma we already witness an overall 35% energy reduction. Furthermore, the impact of process and temperature on the 4-bit adiabatic synapse shows a maximum energy variation of 30% at 100 degree Celsius across the corners without any functionality loss. Finally, the efficacy of our adiabatic approach to ANN is tested for 512 & 1024 synapse/neuron for worst and best case synapse loading conditions and variable equalising capacitance's quantifying the expected trade-off between equalisation capacitance and range of optimal power-clock frequencies vs. loading (i.e. the percentage of active synapses).Comment: This work has been accepted to the IEEE TCAS-

New Logic Synthesis As Nanotechnology Enabler (invited paper)

Nanoelectronics comprises a variety of devices whose electrical properties are more complex as compared to CMOS, thus enabling new computational paradigms. The potentially large space for innovation has to be explored in the search for technologies that can support large-scale and high- performance circuit design. Within this space, we analyze a set of emerging technologies characterized by a similar computational abstraction at the design level, i.e., a binary comparator or a majority voter. We demonstrate that new logic synthesis techniques, natively supporting this abstraction, are the technology enablers. We describe models and data-structures for logic design using emerging technologies and we show results of applying new synthesis algorithms and tools. We conclude that new logic synthesis methods are required to both evaluate emerging technologies and to achieve the best results in terms of area, power and performance

New Data Structures and Algorithms for Logic Synthesis and Verification

The strong interaction between Electronic Design Automation (EDA) tools and Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) technology contributed substantially to the advancement of modern digital electronics. The continuous downscaling of CMOS Field Effect Transistor (FET) dimensions enabled the semiconductor industry to fabricate digital systems with higher circuit density at reduced costs. To keep pace with technology, EDA tools are challenged to handle both digital designs with growing functionality and device models of increasing complexity. Nevertheless, whereas the downscaling of CMOS technology is requiring more complex physical design models, the logic abstraction of a transistor as a switch has not changed even with the introduction of 3D FinFET technology. As a consequence, modern EDA tools are fine tuned for CMOS technology and the underlying design methodologies are based on CMOS logic primitives, i.e., negative unate logic functions. While it is clear that CMOS logic primitives will be the ultimate building blocks for digital systems in the next ten years, no evidence is provided that CMOS logic primitives are also the optimal basis for EDA software. In EDA, the efficiency of methods and tools is measured by different metrics such as (i) the result quality, for example the performance of a digital circuit, (ii) the runtime and (iii) the memory footprint on the host computer. With the aim to optimize these metrics, the accordance to a specific logic model is no longer important. Indeed, the key to the success of an EDA technique is the expressive power of the logic primitives handling and solving the problem, which determines the capability to reach better metrics. In this thesis, we investigate new logic primitives for electronic design automation tools. We improve the efficiency of logic representation, manipulation and optimization tasks by taking advantage of majority and biconditional logic primitives. We develop synthesis tools exploiting the majority and biconditional expressiveness. Our tools show strong results as compared to state-of-the-art academic and commercial synthesis tools. Indeed, we produce the best results for several public benchmarks. On top of the enhanced synthesis power, our methods are the natural and native logic abstraction for circuit design in emerging nanotechnologies, where majority and biconditional logic are the primitive gates for physical implementation. We accelerate formal methods by (i) studying properties of logic circuits and (ii) developing new frameworks for logic reasoning engines. We prove non-trivial dualities for the property checking problem in logic circuits. Our findings enable sensible speed-ups in solving circuit satisfiability. We develop an alternative Boolean satisfiability framework based on majority functions. We prove that the general problem is still intractable but we show practical restrictions that can be solved efficiently. Finally, we focus on reversible logic where we propose a new equivalence checking approach. We exploit the invertibility of computation and the functionality of reversible gates in the formulation of the problem. This enables one order of magnitude speed up, as compared to the state-of-the-art solution. We argue that new approaches to solve EDA problems are necessary, as we have reached a point of technology where keeping pace with design goals is tougher than ever

QUANTUM COMPUTING AND HPC TECHNIQUES FOR SOLVING MICRORHEOLOGY AND DIMENSIONALITY REDUCTION PROBLEMS

Tesis doctoral en período de exposición públicaDoctorado en Informática (RD99/11)(8908

Adiabatic technique based low power synchronous counter design

The performance of integrated circuits is evaluated by their design architecture, which ensures high reliability and optimizes energy. The majority of the system-level architectures consist of sequential circuits. Counters are fundamental blocks in numerous very large-scale integration (VLSI) applications. The T-flip-flop is an important block in synchronous counters, and its high-power consumption impacts the overall effectiveness of the system. This paper calculates the power dissipation (PD), power delay product (PDP), and latency of the presented T flip-flop. To create a 2-bit synchronous counter based on the novel T flip-flops, a performance matrix such as PD, latency, and PDP is analyzed. The analysis is carried out at 100 and 10 MHz frequencies with varying temperatures and operating voltages. It is observed that the presented counter design has a lesser power requirement and PDP compared to the existing counter architectures. The proposed T-flip-flop design at the 45 nm technology node shows an improvement of 30%, 76%, and 85% in latency, PD, and PDP respectively to the 180 nm node at 10 MHz frequency. Similarly, the proposed counter at the 45 nm technology node shows 96% and 97% improvement in power dissipation, delay, and PDP respectively compared to the 180 nm at 10 MHz frequency

Printed Electronics-Based Physically Unclonable Functions for Lightweight Security in the Internet of Things

Die moderne Gesellschaft strebt mehr denn je nach digitaler Konnektivität - überall und zu jeder Zeit - was zu Megatrends wie dem Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) führt. Bereits heute kommunizieren und interagieren „Dinge“ autonom miteinander und werden in Netzwerken verwaltet. In Zukunft werden Menschen, Daten und Dinge miteinander verbunden sein, was auch als Internet von Allem (Internet of Everything, IoE) bezeichnet wird. Milliarden von Geräten werden in unserer täglichen Umgebung allgegenwärtig sein und über das Internet in Verbindung stehen. Als aufstrebende Technologie ist die gedruckte Elektronik (Printed Electronics, PE) ein Schlüsselelement für das IoE, indem sie neuartige Gerätetypen mit freien Formfaktoren, neuen Materialien auf einer Vielzahl von Substraten mit sich bringt, die flexibel, transparent und biologisch abbaubar sein können. Darüber hinaus ermöglicht PE neue Freiheitsgrade bei der Anpassbarkeit von Schaltkreisen sowie die kostengünstige und großflächige Herstellung am Einsatzort. Diese einzigartigen Eigenschaften von PE ergänzen herkömmliche Technologien auf Siliziumbasis. Additive Fertigungsprozesse ermöglichen die Realisierung von vielen zukunftsträchtigen Anwendungen wie intelligente Objekte, flexible Displays, Wearables im Gesundheitswesen, umweltfreundliche Elektronik, um einige zu nennen. Aus der Sicht des IoE ist die Integration und Verbindung von Milliarden heterogener Geräte und Systeme eine der größten zu lösenden Herausforderungen. Komplexe Hochleistungsgeräte interagieren mit hochspezialisierten, leichtgewichtigen elektronischen Geräten, wie z.B. Smartphones mit intelligenten Sensoren. Daten werden in der Regel kontinuierlich gemessen, gespeichert und mit benachbarten Geräten oder in der Cloud ausgetauscht. Dabei wirft die Fülle an gesammelten und verarbeiteten Daten Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes und der Sicherheit auf. Herkömmliche kryptografische Operationen basieren typischerweise auf deterministischen Algorithmen, die eine hohe Schaltungs- und Systemkomplexität erfordern, was sie wiederum für viele leichtgewichtige Geräte ungeeignet macht. Es existieren viele Anwendungsbereiche, in denen keine komplexen kryptografischen Operationen erforderlich sind, wie z.B. bei der Geräteidentifikation und -authentifizierung. Dabei hängt das Sicherheitslevel hauptsächlich von der Qualität der Entropiequelle und der Vertrauenswürdigkeit der abgeleiteten Schlüssel ab. Statistische Eigenschaften wie die Einzigartigkeit (Uniqueness) der Schlüssel sind von großer Bedeutung, um einzelne Entitäten genau unterscheiden zu können. In den letzten Jahrzehnten hat die Hardware-intrinsische Sicherheit, insbesondere Physically Unclonable Functions (PUFs), eine große Strahlkraft hinsichtlich der Bereitstellung von Sicherheitsfunktionen für IoT-Geräte erlangt. PUFs verwenden ihre inhärenten Variationen, um gerätespezifische eindeutige Kennungen abzuleiten, die mit Fingerabdrücken in der Biometrie vergleichbar sind. Zu den größten Potenzialen dieser Technologie gehören die Verwendung einer echten Zufallsquelle, die Ableitung von Sicherheitsschlüsseln nach Bedarf sowie die inhärente Schlüsselspeicherung. In Kombination mit den einzigartigen Merkmalen der PE-Technologie werden neue Möglichkeiten eröffnet, um leichtgewichtige elektronische Geräte und Systeme abzusichern. Obwohl PE noch weit davon entfernt ist, so ausgereift und zuverlässig wie die Siliziumtechnologie zu sein, wird in dieser Arbeit gezeigt, dass PE-basierte PUFs vielversprechende Sicherheitsprimitiven für die Schlüsselgenerierung zur eindeutigen Geräteidentifikation im IoE sind. Dabei befasst sich diese Arbeit in erster Linie mit der Entwicklung, Untersuchung und Bewertung von PE-basierten PUFs, um Sicherheitsfunktionen für ressourcenbeschränkte gedruckte Geräte und Systeme bereitzustellen. Im ersten Beitrag dieser Arbeit stellen wir das skalierbare, auf gedruckter Elektronik basierende Differential Circuit PUF (DiffC-PUF) Design vor, um sichere Schlüssel für Sicherheitsanwendungen für ressourcenbeschränkte Geräte bereitzustellen. Die DiffC-PUF ist als hybride Systemarchitektur konzipiert, die siliziumbasierte und gedruckte Komponenten enthält. Es wird eine eingebettete PUF-Plattform entwickelt, um die Charakterisierung von siliziumbasierten und gedruckten PUF-Cores in großem Maßstab zu ermöglichen. Im zweiten Beitrag dieser Arbeit werden siliziumbasierte PUF-Cores auf Basis diskreter Komponenten hergestellt und statistische Tests unter realistischen Betriebsbedingungen durchgeführt. Eine umfassende experimentelle Analyse der PUF-Sicherheitsmetriken wird vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die DiffC-PUF auf Siliziumbasis nahezu ideale Werte für die Uniqueness- und Reliability-Metriken aufweist. Darüber hinaus werden die Identifikationsfähigkeiten der DiffC-PUF untersucht, und es stellte sich heraus, dass zusätzliches Post-Processing die Identifizierbarkeit des Identifikationssystems weiter verbessern kann. Im dritten Beitrag dieser Arbeit wird zunächst ein Evaluierungsworkflow zur Simulation von DiffC-PUFs basierend auf gedruckter Elektronik vorgestellt, welche auch als Hybrid-PUFs bezeichnet werden. Hierbei wird eine Python-basierte Simulationsumgebung vorgestellt, welche es ermöglicht, die Eigenschaften und Variationen gedruckter PUF-Cores basierend auf Monte Carlo (MC) Simulationen zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Sicherheitsmetriken im besten Betriebspunkt nahezu ideal sind. Des Weiteren werden angefertigte PE-basierte PUF-Cores für statistische Tests unter verschiedenen Betriebsbedingungen, einschließlich Schwankungen der Umgebungstemperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit und der Versorgungsspannung betrieben. Die experimentell bestimmten Resultate der Uniqueness-, Bit-Aliasing- und Uniformity-Metriken stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein. Der experimentell ermittelte durchschnittliche Reliability-Wert ist relativ niedrig, was durch die fehlende Passivierung und Einkapselung der gedruckten Transistoren erklärt werden kann. Die Untersuchung der Identifikationsfähigkeiten basierend auf den PUF-Responses zeigt, dass die Hybrid-PUF ohne zusätzliches Post-Processing nicht für kryptografische Anwendungen geeignet ist. Die Ergebnisse zeigen aber auch, dass sich die Hybrid-PUF zur Geräteidentifikation eignet. Der letzte Beitrag besteht darin, in die Perspektive eines Angreifers zu wechseln. Um die Sicherheitsfähigkeiten der Hybrid-PUF beurteilen zu können, wird eine umfassende Sicherheitsanalyse nach Art einer Kryptoanalyse durchgeführt. Die Analyse der Entropie der Hybrid-PUF zeigt, dass seine Anfälligkeit für Angriffe auf Modellbasis hauptsächlich von der eingesetzten Methode zur Generierung der PUF-Challenges abhängt. Darüber hinaus wird ein Angriffsmodell eingeführt, um die Leistung verschiedener mathematischer Klonangriffe auf der Grundlage von abgehörten Challenge-Response Pairs (CRPs) zu bewerten. Um die Hybrid-PUF zu klonen, wird ein Sortieralgorithmus eingeführt und mit häufig verwendeten Classifiers für überwachtes maschinelles Lernen (ML) verglichen, einschließlich logistischer Regression (LR), Random Forest (RF) sowie Multi-Layer Perceptron (MLP). Die Ergebnisse zeigen, dass die Hybrid-PUF anfällig für modellbasierte Angriffe ist. Der Sortieralgorithmus profitiert von kürzeren Trainingszeiten im Vergleich zu den ML-Algorithmen. Im Falle von fehlerhaft abgehörten CRPs übertreffen die ML-Algorithmen den Sortieralgorithmus