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

Product assurance technology for custom LSI/VLSI electronics

The technology for obtaining custom integrated circuits from CMOS-bulk silicon foundries using a universal set of layout rules is presented. The technical efforts were guided by the requirement to develop a 3 micron CMOS test chip for the Combined Release and Radiation Effects Satellite (CRRES). This chip contains both analog and digital circuits. The development employed all the elements required to obtain custom circuits from silicon foundries, including circuit design, foundry interfacing, circuit test, and circuit qualification

A Structured Design Methodology for High Performance VLSI Arrays

abstract: The geometric growth in the integrated circuit technology due to transistor scaling also with system-on-chip design strategy, the complexity of the integrated circuit has increased manifold. Short time to market with high reliability and performance is one of the most competitive challenges. Both custom and ASIC design methodologies have evolved over the time to cope with this but the high manual labor in custom and statistic design in ASIC are still causes of concern. This work proposes a new circuit design strategy that focuses mostly on arrayed structures like TLB, RF, Cache, IPCAM etc. that reduces the manual effort to a great extent and also makes the design regular, repetitive still achieving high performance. The method proposes making the complete design custom schematic but using the standard cells. This requires adding some custom cells to the already exhaustive library to optimize the design for performance. Once schematic is finalized, the designer places these standard cells in a spreadsheet, placing closely the cells in the critical paths. A Perl script then generates Cadence Encounter compatible placement file. The design is then routed in Encounter. Since designer is the best judge of the circuit architecture, placement by the designer will allow achieve most optimal design. Several designs like IPCAM, issue logic, TLB, RF and Cache designs were carried out and the performance were compared against the fully custom and ASIC flow. The TLB, RF and Cache were the part of the HEMES microprocessor.Dissertation/ThesisPh.D. Electrical Engineering 201

Multi-core devices for safety-critical systems: a survey

Multi-core devices are envisioned to support the development of next-generation safety-critical systems, enabling the on-chip integration of functions of different criticality. This integration provides multiple system-level potential benefits such as cost, size, power, and weight reduction. However, safety certification becomes a challenge and several fundamental safety technical requirements must be addressed, such as temporal and spatial independence, reliability, and diagnostic coverage. This survey provides a categorization and overview at different device abstraction levels (nanoscale, component, and device) of selected key research contributions that support the compliance with these fundamental safety requirements.This work has been partially supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness under grant TIN2015-65316-P, Basque Government under grant KK-2019-00035 and the HiPEAC Network of Excellence. The Spanish Ministry of Economy and Competitiveness has also partially supported Jaume Abella under Ramon y Cajal postdoctoral fellowship (RYC-2013-14717).Peer ReviewedPostprint (author's final draft

MCU Tolerance in SRAMs through Low Redundancy Triple Adjacent Error Correction

(c) 2015 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other users, including reprinting/ republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted components of this work in other works.[EN] Static random access memories (SRAMs) are key in electronic systems. They are used not only as standalone devices, but also embedded in application specific integrated circuits. One key challenge for memories is their susceptibility to radiation-induced soft errors that change the value of memory cells. Error correction codes (ECCs) are commonly used to ensure correct data despite soft errors effects in semiconductor memories. Single error correction/double error detection (SEC-DED) codes have been traditionally the preferred choice for data protection in SRAMs. During the last decade, the percentage of errors that affect more than one memory cell has increased substantially, mainly due to multiple cell upsets (MCUs) caused by radiation. The bits affected by these errors are physically close. To mitigate their effects, ECCs that correct single errors and double adjacent errors have been proposed. These codes, known as single error correction/double adjacent error correction (SEC-DAEC), require the same number of parity bits as traditional SEC-DED codes and a moderate increase in the decoder complexity. However, MCUs are not limited to double adjacent errors, because they affect more bits as technology scales. In this brief, new codes that can correct triple adjacent errors and 3-bit burst errors are presented. They have been implemented using a 45-nm library and compared with previous proposals, showing that our codes have better error protection with a moderate overhead and low redundancy.This work was supported in part by the Universitat Politecnica de Valencia, Valencia, Spain, through the DesTT Research Project under Grant SP20120806; in part by the Spanish Ministry of Science and Education under Project AYA-2009-13300-C03; in part by the Arenes Research Project under Grant TIN2012-38308-C02-01; and in part by the Research Project entitled Manufacturable and Dependable Multicore Architectures at Nanoscale within the framework of COST ICT Action under Grant 1103.Saiz-Adalid, L.; Reviriego, P.; Gil, P.; Pontarelli, S.; Maestro, JA. (2015). MCU Tolerance in SRAMs through Low Redundancy Triple Adjacent Error Correction. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems. 23(10):2332-2336. https://doi.org/10.1109/TVLSI.2014.2357476S23322336231

New Design Techniques for Dynamic Reconfigurable Architectures

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Fault and Defect Tolerant Computer Architectures: Reliable Computing With Unreliable Devices

This research addresses design of a reliable computer from unreliable device technologies. A system architecture is developed for a fault and defect tolerant (FDT) computer. Trade-offs between different techniques are studied and yield and hardware cost models are developed. Fault and defect tolerant designs are created for the processor and the cache memory. Simulation results for the content-addressable memory (CAM)-based cache show 90% yield with device failure probabilities of 3 x 10(-6), three orders of magnitude better than non fault tolerant caches of the same size. The entire processor achieves 70% yield with device failure probabilities exceeding 10(-6). The required hardware redundancy is approximately 15 times that of a non-fault tolerant design. While larger than current FT designs, this architecture allows the use of devices much more likely to fail than silicon CMOS. As part of model development, an improved model is derived for NAND Multiplexing. The model is the first accurate model for small and medium amounts of redundancy. Previous models are extended to account for dependence between the inputs and produce more accurate results