Test and Diagnosis of Integrated Circuits

The ever-increasing growth of the semiconductor market results in an increasing complexity of digital circuits. Smaller, faster, cheaper and low-power consumption are the main challenges in semiconductor industry. The reduction of transistor size and the latest packaging technology (i.e., System-On-a-Chip, System-In-Package, Trough Silicon Via 3D Integrated Circuits) allows the semiconductor industry to satisfy the latest challenges. Although producing such advanced circuits can benefit users, the manufacturing process is becoming finer and denser, making chips more prone to defects.The work presented in the HDR manuscript addresses the challenges of test and diagnosis of integrated circuits. It covers:- Power aware test;- Test of Low Power Devices;- Fault Diagnosis of digital circuits

Role of Computational Fluid Dynamics and Wind Tunnels in Aeronautics R and D

The purpose of this report is to investigate the status and future projections for the question of supplantation of wind tunnels by computation in design and to intuit the potential impact of computation approaches on wind-tunnel utilization all with an eye toward reducing the infrastructure cost at aeronautics R&D centers. Wind tunnels have been closing for myriad reasons, and such closings have reduced infrastructure costs. Further cost reductions are desired, and the work herein attempts to project which wind-tunnel capabilities can be replaced in the future and, if possible, the timing of such. If the possibility exists to project when a facility could be closed, then maintenance and other associated costs could be rescheduled accordingly (i.e., before the fact) to obtain an even greater infrastructure cost reduction

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

Thermal Management for Dependable On-Chip Systems

This thesis addresses the dependability issues in on-chip systems from a thermal perspective. This includes an explanation and analysis of models to show the relationship between dependability and tempature. Additionally, multiple novel methods for on-chip thermal management are introduced aiming to optimize thermal properties. Analysis of the methods is done through simulation and through infrared thermal camera measurements

Securing Critical Infrastructures

1noL'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmentopen677. INGEGNERIA INFORMATInoopenCarelli, Albert

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

Harnessing Simulation Acceleration to Solve the Digital Design Verification Challenge.

Today, design verification is by far the most resource and time-consuming activity of any new digital integrated circuit development. Within this area, the vast majority of the verification effort in industry relies on simulation platforms, which are implemented either in hardware or software. A "simulator" includes a model of each component of a design and has the capability of simulating its behavior under any input scenario provided by an engineer. Thus, simulators are deployed to evaluate the behavior of a design under as many input scenarios as possible and to identify and debug all incorrect functionality. Two features are critical in simulators for the validation effort to be effective: performance and checking/debugging capabilities. A wide range of simulator platforms are available today: on one end of the spectrum there are software-based simulators, providing a very rich software infrastructure for checking and debugging the design's functionality, but executing only at 1-10 simulation cycles per second (while actual chips operate at GHz speeds). At the other end of the spectrum, there are hardware-based platforms, such as accelerators, emulators and even prototype silicon chips, providing higher performances by 4 to 9 orders of magnitude, at the cost of very limited or non-existent checking/debugging capabilities. As a result, today, simulation-based validation is crippled: one can either have satisfactory performance on hardware-accelerated platforms or critical infrastructures for checking/debugging on software simulators, but not both. This dissertation brings together these two ends of the spectrum by presenting solutions that offer high-performance simulation with effective checking and debugging capabilities. Specifically, it addresses the performance challenge of software simulators by leveraging inexpensive off-the-shelf graphics processors as massively parallel execution substrates, and then exposing the parallelism inherent in the design model to that architecture. For hardware-based platforms, the dissertation provides solutions that offer enhanced checking and debugging capabilities by abstracting the relevant data to be logged during simulation so to minimize the cost of collection, transfer and processing. Altogether, the contribution of this dissertation has the potential to solve the challenge of digital design verification by enabling effective high-performance simulation-based validation.PHDComputer Science and EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/99781/1/dchatt_1.pd

Physics-Based Electromigration Modeling and Analysis and Optimization

Long-term reliability is a major concern in modern VLSI design. Literature has shown that reliability gets worse as technology advances. It is expected that the future VLSI systems would have shorter reliability-induced lifetime comparing with previous generations. Being one of the most serious reliability effects, electromigration (EM) is a physical phenomenon of the migration of metal atoms due to the momentum exchange between atoms and the conducting electrons. It can cause wire resistance change or open circuit and result in functional failure of the circuit. Power-ground networks are the most vulnerable part to EM effect among all the interconnect wires since the current flow on this part is the largest on the chip. With new generation oftechnology node and aggressive design strategies, more accurate and efficient EM models are required. However, traditional EM approaches are very conservative and cannot meet current aggressive design strategies. Besides circuit level, EM also need to be thoroughly studied in system level due to limited power and temperature budgets among cores on chip. This research focuses on developing physical level EM model for VLSI circuits and system level EM optimization for multi-core systems in order to overcome the aforementioned problems. Specifically, for physical level, we develop two EM immortality check methods and a power grid EM check method. Firstly, a voltage based EM immortality analysis has been developed. Immortality condition in nucleation phase can be determined fast and accurately for multi-segment interconnect wires. Secondly, a saturation volume based incubation phase immortality check method has been proposed. This method can further reduce the redundancy in VLSI circuit design by immortality check in multiphase. Furthermore, both immortality check methods are integrated into a new power grid EM check methodology (EMspice) as filter for EM analysis. These filters can accelerate the simulation by filtering out immortal trees so that we only need to do simulation on fewer trees that are mortal. Coupled EM simulation considering both hydrostatic stress and electronic current/voltage in the power grid network will be applied to these mortal trees. This tool can work seamlessly with commercial synthesis flow. Besides physical level reliability models, system level reliability optimization is also discussed in this research. A deep reinforcement learning based EM optimization has been proposed for multi-core system. Both long term reliability effect (hard error) and transient soft error are considered. Energy can be optimized with all the reliability and other constraints fast and accurately compared to existing reliability management techniques. Last but not least, a scheduling based reliability optimization method for multi-core systems has been proposed. NBTI, HCI and EM are considered jointly. Lifetime of the system can be improved significantly compared to traditional methods which mainly focus on utilization

Designs for increasing reliability while reducing energy and increasing lifetime

In the last decades, the computing technology experienced tremendous developments. For instance, transistors' feature size shrank to half at every two years as consistently from the first time Moore stated his law. Consequently, number of transistors and core count per chip doubles at each generation. Similarly, petascale systems that have the capability of processing more than one billion calculation per second have been developed. As a matter of fact, exascale systems are predicted to be available at year 2020. However, these developments in computer systems face a reliability wall. For instance, transistor feature sizes are getting so small that it becomes easier for high-energy particles to temporarily flip the state of a memory cell from 1-to-0 or 0-to-1. Also, even if we assume that fault-rate per transistor stays constant with scaling, the increase in total transistor and core count per chip will significantly increase the number of faults for future desktop and exascale systems. Moreover, circuit ageing is exacerbated due to increased manufacturing variability and thermal stresses, therefore, lifetime of processor structures are becoming shorter. On the other side, due to the limited power budget of the computer systems such that mobile devices, it is attractive to scale down the voltage. However, when the voltage level scales to beyond the safe margin especially to the ultra-low level, the error rate increases drastically. Nevertheless, new memory technologies such as NAND flashes present only limited amount of nominal lifetime, and when they exceed this lifetime, they can not guarantee storing of the data correctly leading to data retention problems. Due to these issues, reliability became a first-class design constraint for contemporary computing in addition to power and performance. Moreover, reliability even plays increasingly important role when computer systems process sensitive and life-critical information such as health records, financial information, power regulation, transportation, etc. In this thesis, we present several different reliability designs for detecting and correcting errors occurring in processor pipelines, L1 caches and non-volatile NAND flash memories due to various reasons. We design reliability solutions in order to serve three main purposes. Our first goal is to improve the reliability of computer systems by detecting and correcting random and non-predictable errors such as bit flips or ageing errors. Second, we aim to reduce the energy consumption of the computer systems by allowing them to operate reliably at ultra-low voltage level. Third, we target to increase the lifetime of new memory technologies by implementing efficient and low-cost reliability schemes