IMAC-Sim: A Circuit-level Simulator For In-Memory Analog Computing Architectures

With the increased attention to memristive-based in-memory analog computing (IMAC) architectures as an alternative for energy-hungry computer systems for machine learning applications, a tool that enables exploring their device- and circuit-level design space can significantly boost the research and development in this area. Thus, in this paper, we develop IMAC-Sim, a circuit-level simulator for the design space exploration of IMAC architectures. IMAC-Sim is a Python-based simulation framework, which creates the SPICE netlist of the IMAC circuit based on various device- and circuit-level hyperparameters selected by the user, and automatically evaluates the accuracy, power consumption, and latency of the developed circuit using a user-specified dataset. Moreover, IMAC-Sim simulates the interconnect parasitic resistance and capacitance in the IMAC architectures and is also equipped with horizontal and vertical partitioning techniques to surmount these reliability challenges. IMAC-Sim is a flexible tool that supports a broad range of device- and circuit-level hyperparameters. In this paper, we perform controlled experiments to exhibit some of the important capabilities of the IMAC-Sim, while the entirety of its features is available for researchers via an open-source tool

Novel dual-threshold voltage FinFETs for circuit design and optimization

A great research effort has been invested on finding alternatives to CMOS that have better process variation and subthreshold leakage. From possible candidates, FinFET is the most compatible with respect to CMOS and it has shown promising leakage and speed performance. This thesis introduces basic characteristics of FinFETs and the effects of FinFET physical parameters on their performance are explained quantitatively. I show how dual- V th independent-gate FinFETs can be fabricated by optimizing their physical parameters. Optimum values for these physical parameters are derived using the physics-based University of Florida SPICE model for double-gate devices, and the optimized FinFETs are simulated and validated using Sentaurus TCAD simulations. Dual-14, FinFETs with independent gates enable series and parallel merge transformations in logic gates, realizing compact low power alternative gates with competitive performance and reduced input capacitance in comparison to conventional FinFET gates. Furthermore, they also enable the design of a new class of compact logic gates with higher expressive power and flexibility than CMOS gates. Synthesis results for 16 benchmark circuits from the ISCAS and OpenSPARC suites indicate that on average at 2GHz and 75°C, the library that contains the novel gates reduces total power and the number of fins by 36% and 37% respectively, over a conventional library that does not have novel gates in the 32nm technology

Phase Noise Analyses and Measurements in the Hybrid Memristor-CMOS Phase-Locked Loop Design and Devices Beyond Bulk CMOS

Phase-locked loop (PLLs) has been widely used in analog or mixed-signal integrated circuits. Since there is an increasing market for low noise and high speed devices, PLLs are being employed in communications. In this dissertation, we investigated phase noise, tuning range, jitter, and power performances in different architectures of PLL designs. More energy efficient devices such as memristor, graphene, transition metal di-chalcogenide (TMDC) materials and their respective transistors are introduced in the design phase-locked loop. Subsequently, we modeled phase noise of a CMOS phase-locked loop from the superposition of noises from its building blocks which comprises of a voltage-controlled oscillator, loop filter, frequency divider, phase-frequency detector, and the auxiliary input reference clock. Similarly, a linear time-invariant model that has additive noise sources in frequency domain is used to analyze the phase noise. The modeled phase noise results are further compared with the corresponding phase-locked loop designs in different n-well CMOS processes. With the scaling of CMOS technology and the increase of the electrical field, the problem of short channel effects (SCE) has become dominant, which causes decay in subthreshold slope (SS) and positive and negative shifts in the threshold voltages of nMOS and pMOS transistors, respectively. Various devices are proposed to continue extending Moore\u27s law and the roadmap in semiconductor industry. We employed tunnel field effect transistor owing to its better performance in terms of SS, leakage current, power consumption etc. Applying an appropriate bias voltage to the gate-source region of TFET causes the valence band to align with the conduction band and injecting the charge carriers. Similarly, under reverse bias, the two bands are misaligned and there is no injection of carriers. We implemented graphene TFET and MoS2 in PLL design and the results show improvements in phase noise, jitter, tuning range, and frequency of operation. In addition, the power consumption is greatly reduced due to the low supply voltage of tunnel field effect transistor

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

Understanding the Potential and Limitations of Tunnel FETs for Low-Voltage Analog/Mixed-Signal Circuits

In this paper, the analog/mixed-signal performance is evaluated at device and circuit levels for a III-V nanowire tunnel field effect transistor (TFET) technology platform and compared against the predictive model for FinFETs at the 10-nm technology node. The advantages and limits of TFETs over their FinFET counterparts are discussed in detail, considering the main analog figures of merits, as well as the implementation of low-voltage track and-hold (T/H) and comparator circuits. It is found that the higher output resistance offered by TFET-based designs allows achieving significantly higher intrinsic voltage gain and higher maximum-oscillation frequency at low current levels. TFET-based T/H circuits have better accuracy and better hold performance by using the dummy switch solution for the mitigation of the charge injection. Among the comparator circuits, the TFET-based conventional dynamic architecture exhibits the best performance while keeping lower area occupation with respect to the more complex double-tail circuits. Moreover, it outperforms all the FinFET counterparts over a wide range of supply voltage when considering low values of the common-mode voltage

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