On Improving Robustness of Hardware Security Primitives and Resistance to Reverse Engineering Attacks

The continued growth of information technology (IT) industry and proliferation of interconnected devices has aggravated the problem of ensuring security and necessitated the need for novel, robust solutions. Physically unclonable functions (PUFs) have emerged as promising secure hardware primitives that can utilize the disorder introduced during manufacturing process to generate unique keys. They can be utilized as \textit{lightweight} roots-of-trust for use in authentication and key generation systems. Unlike insecure non-volatile memory (NVM) based key storage systems, PUFs provide an advantage -- no party, including the manufacturer, should be able to replicate the physical disorder and thus, effectively clone the PUF. However, certain practical problems impeded the widespread deployment of PUFs. This dissertation addresses such problems of (i) reliability and (ii) unclonability. Also, obfuscation techniques have proven necessary to protect intellectual property in the presence of an untrusted supply chain and are needed to aid against counterfeiting. This dissertation explores techniques utilizing layout and logic-aware obfuscation. Collectively, we present secure and cost-effective solutions to address crucial hardware security problems

プレーナーガタオヨビフィンフェットガタエスラムニオケルチジョウホウシャセンキインシングルイベントアップセットニカンスルジッケンテキケンキュウ

T. Kato et al., "Muon-Induced Single-Event Upsets in 20-nm SRAMs: Comparative Characterization With Neutrons and Alpha Particles," in IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 68, no. 7, pp. 1436-1444, July 2021, doi: 10.1109/TNS.2021.3082559

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

Statistical analysis and design of subthreshold operation memories

This thesis presents novel methods based on a combination of well-known statistical techniques for faster estimation of memory yield and their application in the design of energy-efficient subthreshold memories. The emergence of size-constrained Internet-of-Things (IoT) devices and proliferation of the wearable market has brought forward the challenge of achieving the maximum energy efficiency per operation in these battery operated devices. Achieving this sought-after minimum energy operation is possible under sub-threshold operation of the circuit. However, reliable memory operation is currently unattainable at these ultra-low operating voltages because of the memory circuit's vanishing noise margins which shrink further in the presence of random process variations. The statistical methods, presented in this thesis, make the yield optimization of the sub-threshold memories computationally feasible by reducing the SPICE simulation overhead. We present novel modifications to statistical sampling techniques that reduce the SPICE simulation overhead in estimating memory failure probability. These sampling scheme provides 40x reduction in finding most probable failure point and 10x reduction in estimating failure probability using the SPICE simulations compared to the existing proposals. We then provide a novel method to create surrogate models of the memory margins with better extrapolation capability than the traditional regression methods. These models, based on Gaussian process regression, encode the sensitivity of the memory margins with respect to each individual threshold variation source in a one-dimensional kernel. We find that our proposed additive kernel based models have 32% smaller out-of-sample error (that is, better extrapolation capability outside training set) than using the six-dimensional universal kernel like Radial Basis Function (RBF). The thesis also explores the topological modifications to the SRAM bitcell to achieve faster read operation at the sub-threshold operating voltages. We present a ten-transistor SRAM bitcell that achieves 2x faster read operation than the existing ten-transistor sub-threshold SRAM bitcells, while ensuring similar noise margins. The SRAM bitcell provides 70% reduction in dynamic energy at the cost of 42% increase in the leakage energy per read operation. Finally, we investigate the energy efficiency of the eDRAM gain-cells as an alternative to the SRAM bitcells in the size-constrained IoT devices. We find that reducing their write path leakage current is the only way to reduce the read energy at Minimum Energy operation Point (MEP). Further, we study the effect of transistor up-sizing under the presence of threshold voltage variations on the mean MEP read energy by performing statistical analysis based on the ANOVA test of the full-factorial experimental design.Esta tesis presenta nuevos métodos basados en una combinación de técnicas estadísticas conocidas para la estimación rápida del rendimiento de la memoria y su aplicación en el diseño de memorias de energia eficiente de sub-umbral. La aparición de los dispositivos para el Internet de las cosas (IOT) y la proliferación del mercado portátil ha presentado el reto de lograr la máxima eficiencia energética por operación de estos dispositivos operados con baterias. La eficiencia de energía es posible si se considera la operacion por debajo del umbral de los circuitos. Sin embargo, la operación confiable de memoria es actualmente inalcanzable en estos bajos niveles de voltaje debido a márgenes de ruido de fuga del circuito de memoria, los cuales se pueden reducir aún más en presencia de variaciones randomicas de procesos. Los métodos estadísticos, que se presentan en esta tesis, hacen que la optimización del rendimiento de las memorias por debajo del umbral computacionalmente factible mediante la simulación SPICE. Presentamos nuevas modificaciones a las técnicas de muestreo estadístico que reducen la sobrecarga de simulación SPICE en la estimación de la probabilidad de fallo de memoria. Estos esquemas de muestreo proporciona una reducción de 40 veces en la búsqueda de puntos de fallo más probable, y 10 veces la reducción en la estimación de la probabilidad de fallo mediante las simulaciones SPICE en comparación con otras propuestas existentes. A continuación, se proporciona un método novedoso para crear modelos sustitutos de los márgenes de memoria con una mejor capacidad de extrapolación que los métodos tradicionales de regresión. Estos modelos, basados en el proceso de regresión Gaussiano, codifican la sensibilidad de los márgenes de memoria con respecto a cada fuente de variación de umbral individual en un núcleo de una sola dimensión. Los modelos propuestos, basados en kernel aditivos, tienen un error 32% menor que el error out-of-sample (es decir, mejor capacidad de extrapolación fuera del conjunto de entrenamiento) en comparacion con el núcleo universal de seis dimensiones como la función de base radial (RBF). La tesis también explora las modificaciones topológicas a la celda binaria SRAM para alcanzar velocidades de lectura mas rapidas dentro en el contexto de operaciones en el umbral de tensiones de funcionamiento. Presentamos una celda binaria SRAM de diez transistores que consigue aumentar en 2 veces la operación de lectura en comparacion con las celdas sub-umbral de SRAM de diez transistores existentes, garantizando al mismo tiempo los márgenes de ruido similares. La celda binaria SRAM proporciona una reducción del 70% en energía dinámica a costa del aumento del 42% en la energía de fuga por las operaciones de lectura. Por último, se investiga la eficiencia energética de las células de ganancia eDRAM como una alternativa a los bitcells SRAM en los dispositivos de tamaño limitado IOT. Encontramos que la reducción de la corriente de fuga en el path de escritura es la única manera de reducir la energía de lectura en el Punto Mínimo de Energía (MEP). Además, se estudia el efecto del transistor de dimensionamiento en virtud de la presencia de variaciones de voltaje de umbral en la media de energia de lecture MEP mediante el análisis estadístico basado en la prueba de ANOVA del diseño experimental factorial completo.Postprint (published version

Miniaturized Transistors

What is the future of CMOS? Sustaining increased transistor densities along the path of Moore's Law has become increasingly challenging with limited power budgets, interconnect bandwidths, and fabrication capabilities. In the last decade alone, transistors have undergone significant design makeovers; from planar transistors of ten years ago, technological advancements have accelerated to today's FinFETs, which hardly resemble their bulky ancestors. FinFETs could potentially take us to the 5-nm node, but what comes after it? From gate-all-around devices to single electron transistors and two-dimensional semiconductors, a torrent of research is being carried out in order to design the next transistor generation, engineer the optimal materials, improve the fabrication technology, and properly model future devices. We invite insight from investigators and scientists in the field to showcase their work in this Special Issue with research papers, short communications, and review articles that focus on trends in micro- and nanotechnology from fundamental research to applications

Improving the Reliability of Microprocessors under BTI and TDDB Degradations

Reliability is a fundamental challenge for current and future microprocessors with advanced nanoscale technologies. With smaller gates, thinner dielectric and higher temperature microprocessors are vulnerable under aging mechanisms such as Bias Temperature Instability (BTI) and Temperature Dependent Dielectric Breakdown (TDDB). Under continuous stress both parametric and functional errors occur, resulting compromised microprocessor lifetime. In this thesis, based on the thorough study on BTI and TDDB mechanisms, solutions are proposed to mitigating the aging processes on memory based and random logic structures in modern out-of-order microprocessors. A large area of processor core is occupied by memory based structure that is vulnerable to BTI induced errors. The problem is exacerbated when PBTI degradation in NMOS is as severe as NBTI in PMOS in high-k metal gate technology. Hence a novel design is proposed to recover 4 internal gates within a SRAM cell simultaneously to mitigate both NBTI and PBTI effects. This technique is applied to both the L2 cache banks and the busy function units with storage cells in out-of-order pipeline in two different ways. For the L2 cache banks, redundant cache bank is added exclusively for proactive recovery rotation. For the critical and busy function units in out-of-order pipelines, idle cycles are exploited at per-buffer-entry level. Different from memory based structures, combinational logic structures such as function units in execution stage can not use low overhead redundancy to tolerate errors due to their irregular structure. A design framework that aims to improve the reliability of the vulnerable functional units of a processor core is designed and implemented. The approach is designing a generic function unit (GFU) that can be reconfigured to replace a particular functional unit (FU) while it is being recovered for improved lifetime. Although flexible, the GFU is slower than the original target FUs. So GFU is carefully designed so as to minimize the performance loss when it is in-use. More schemes are also designed to avoid using the GFU on performance critical paths of a program execution

Design of Resistive Synaptic Devices and Array Architectures for Neuromorphic Computing

abstract: Over the past few decades, the silicon complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology has been greatly scaled down to achieve higher performance, density and lower power consumption. As the device dimension is approaching its fundamental physical limit, there is an increasing demand for exploration of emerging devices with distinct operating principles from conventional CMOS. In recent years, many efforts have been devoted in the research of next-generation emerging non-volatile memory (eNVM) technologies, such as resistive random access memory (RRAM) and phase change memory (PCM), to replace conventional digital memories (e.g. SRAM) for implementation of synapses in large-scale neuromorphic computing systems. Essentially being compact and “analog”, these eNVM devices in a crossbar array can compute vector-matrix multiplication in parallel, significantly speeding up the machine/deep learning algorithms. However, non-ideal eNVM device and array properties may hamper the learning accuracy. To quantify their impact, the sparse coding algorithm was used as a starting point, where the strategies to remedy the accuracy loss were proposed, and the circuit-level design trade-offs were also analyzed. At architecture level, the parallel “pseudo-crossbar” array to prevent the write disturbance issue was presented. The peripheral circuits to support various parallel array architectures were also designed. One key component is the read circuit that employs the principle of integrate-and-fire neuron model to convert the analog column current to digital output. However, the read circuit is not area-efficient, which was proposed to be replaced with a compact two-terminal oscillation neuron device that exhibits metal-insulator-transition phenomenon. To facilitate the design exploration, a circuit-level macro simulator “NeuroSim” was developed in C++ to estimate the area, latency, energy and leakage power of various neuromorphic architectures. NeuroSim provides a wide variety of design options at the circuit/device level. NeuroSim can be used alone or as a supporting module to provide circuit-level performance estimation in neural network algorithms. A 2-layer multilayer perceptron (MLP) simulator with integration of NeuroSim was demonstrated to evaluate both the learning accuracy and circuit-level performance metrics for the online learning and offline classification, as well as to study the impact of eNVM reliability issues such as data retention and write endurance on the learning performance.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

Characterisation of single event effects and total ionising dose effects of an intel atom microprocessor

The rapid advancements of COTS microprocessors compared to radiation hardened microprocessors has attracted the interest of system designers within the aerospace sector. COTS microprocessors offer higher performance with lower energy requirements, both of which are desired characteristics for microprocessors used in spacecraft. COTS microprocessors, however, are much more susceptible to radiation damage therefore their SEE and TID responses needs to be evaluated before they can be incorporated into spacecraft. This thesis presents the process followed to evaluate said characteristics of a COTS Intel Atom E3815 microprocessor mounted on a DE3815TYBE single board PC. Evaluation of the SEE response was carried out at NRF iThemba Labs in Cape Town, South Africa where the device was irradiated by a proton beam at 55.58 MeV and with varying beam currents. The device showed a higher sensitivity to functional interrupts when running with the onboard cache on compared to when running with the cache off, as would be expected. The cross-sections, respectively, are: 4.5 10−10 2 and 2.8 10−10 2. TID testing on the other hand was carried out at the irradiation chamber of FruitFly Africa in Stellenbosch, South Africa. The test device was irradiated by gamma radiation from a Cobalt-60 source at a dose rate of 9.7kRad/h and to a total dose of 67.25kRad. Noticeable TID degradation, in the form of leakage currents, was observed once a total dose of about 20kRad was absorbed. The device then completely failed once a total dose of approximately 32kRad was absorbed. These results suggest that the E3815 microprocessor would not be suitable for long term missions that require higher TID survivability. The processor could however be considered for short term missions launched into polar or high incline orbits where the dose rate is relatively low, and the mission is capable of tolerating functional interrupts