Effect of Clock and Power Gating on Power Distribution Network Noise in 2D and 3D Integrated Circuits

In this work, power supply noise contribution, at a particular node on the power grid, from clock/power gated blocks is maximized at particular time and the synthetic gating patterns of the blocks that result in the maximum noise is obtained for the interval 0 to target time. We utilize wavelet based analysis as wavelets are a natural way of characterizing the time-frequency behavior of the power grid. The gating patterns for the blocks and the maximum supply noise at the Point of Interest at the specified target time obtained via a Linear Programming (LP) formulation (clock gating) and Genetic Algorithm based problem formulation (Power Gating)

Scalable Analysis, Verification and Design of IC Power Delivery

Due to recent aggressive process scaling into the nanometer regime, power delivery network design faces many challenges that set more stringent and specific requirements to the EDA tools. For example, from the perspective of analysis, simulation efficiency for large grids must be improved and the entire network with off-chip models and nonlinear devices should be able to be analyzed. Gated power delivery networks have multiple on/off operating conditions that need to be fully verified against the design requirements. Good power delivery network designs not only have to save the wiring resources for signal routing, but also need to have the optimal parameters assigned to various system components such as decaps, voltage regulators and converters. This dissertation presents new methodologies to address these challenging problems. At first, a novel parallel partitioning-based approach which provides a flexible network partitioning scheme using locality is proposed for power grid static analysis. In addition, a fast CPU-GPU combined analysis engine that adopts a boundary-relaxation method to encompass several simulation strategies is developed to simulate power delivery networks with off-chip models and active circuits. These two proposed analysis approaches can achieve scalable simulation runtime. Then, for gated power delivery networks, the challenge brought by the large verification space is addressed by developing a strategy that efficiently identifies a number of candidates for the worst-case operating condition. The computation complexity is reduced from O(2^N) to O(N). At last, motivated by a proposed two-level hierarchical optimization, this dissertation presents a novel locality-driven partitioning scheme to facilitate divide-and-conquer-based scalable wire sizing for large power delivery networks. Simultaneous sizing of multiple partitions is allowed which leads to substantial runtime improvement. Moreover, the electric interactions between active regulators/converters and passive networks and their influences on key system design specifications are analyzed comprehensively. With the derived design insights, the system-level co-design of a complete power delivery network is facilitated by an automatic optimization flow. Results show significant performance enhancement brought by the co-design

Cross-Layer Automated Hardware Design for Accuracy-Configurable Approximate Computing

Approximate Computing trades off computation accuracy against performance or energy efficiency. It is a design paradigm that arose in the last decade as an answer to diminishing returns from Dennard\u27s scaling and a shift in the prominent workloads. A range of modern workloads, categorized mainly as recognition, mining, and synthesis, features an inherent tolerance to approximations. Their characteristics, such as redundancies in their input data and robust-to-noise algorithms, allow them to produce outputs of acceptable quality, despite an approximation in some of their computations. Approximate Computing leverages the application tolerance by relaxing the exactness in computation towards primary design goals of increasing performance or improving energy efficiency. Existing techniques span across the abstraction layers of computer systems where cross-layer techniques are shown to offer a larger design space and yield higher savings. Currently, the majority of the existing work aims at meeting a single accuracy. The extent of approximation tolerance, however, significantly varies with a change in input characteristics and applications. In this dissertation, methods and implementations are presented for cross-layer and automated design of accuracy-configurable Approximate Computing to maximally exploit the performance and energy benefits. In particular, this dissertation addresses the following challenges and introduces novel contributions: A main Approximate Computing category in hardware is to scale either voltage or frequency beyond the safe limits for power or performance benefits, respectively. The rationale is that timing errors would be gradual and for an initial range tolerable. This scaling enables a fine-grain accuracy-configurability by varying the timing error occurrence. However, conventional synthesis tools aim at meeting a single delay for all paths within the circuit. Subsequently, with voltage or frequency scaling, either all paths succeed, or a large number of paths fail simultaneously, with a steep increase in error rate and magnitude. This dissertation presents an automated method for minimizing path delays by individually constraining the primary outputs of combinational circuits. As a result, it reduces the number of failing paths and makes the timing errors significantly more gradual, and also rarer and smaller on average. Additionally, it reveals that delays can be significantly reduced towards the least significant bit (LSB) and allows operating at a higher frequency when small operands are computed. Precision scaling, i.e., reducing the representation of data and its accuracy is widely used in multiple abstraction layers in Approximate Computing. Reducing data precision also reduces the transistor toggles, and therefore the dynamic power consumption. Application and architecture level precision scaling results in using only LSBs of the circuit. Arithmetic circuits often have less complexity and logic depth in LSBs compared to most significant bits (MSB). To take advantage of this circuit property, a delay-altering synthesis methodology is proposed. The method finds energy-optimal delay values under configurable precision usage and assigns them to primary outputs used for different precisions. Thereby, it enables dynamic frequency-precision scalable circuits for energy efficiency. Within the hardware architecture, it is possible to instantiate multiple units with the same functionality with different fixed approximation levels, where each block benefits from having fewer transistors and also synthesis relaxations. These blocks can be selected dynamically and thus allow to configure the accuracy during runtime. Instantiating such approximate blocks can be a lower dynamic power but higher area and leakage cost alternative to the current state-of-the-art gating mechanisms which switch off a group of paths in the circuit to reduce the toggling activity. Jointly, instantiating multiple blocks and gating mechanisms produce a large design space of accuracy-configurable hardware, where energy-optimal solutions require a cross-layer search in architecture and circuit levels. To that end, an approximate hardware synthesis methodology is proposed with joint optimizations in architecture and circuit for dynamic accuracy scaling, and thereby it enables energy vs. area trade-offs

Circuits and Systems Advances in Near Threshold Computing

Modern society is witnessing a sea change in ubiquitous computing, in which people have embraced computing systems as an indispensable part of day-to-day existence. Computation, storage, and communication abilities of smartphones, for example, have undergone monumental changes over the past decade. However, global emphasis on creating and sustaining green environments is leading to a rapid and ongoing proliferation of edge computing systems and applications. As a broad spectrum of healthcare, home, and transport applications shift to the edge of the network, near-threshold computing (NTC) is emerging as one of the promising low-power computing platforms. An NTC device sets its supply voltage close to its threshold voltage, dramatically reducing the energy consumption. Despite showing substantial promise in terms of energy efficiency, NTC is yet to see widescale commercial adoption. This is because circuits and systems operating with NTC suffer from several problems, including increased sensitivity to process variation, reliability problems, performance degradation, and security vulnerabilities, to name a few. To realize its potential, we need designs, techniques, and solutions to overcome these challenges associated with NTC circuits and systems. The readers of this book will be able to familiarize themselves with recent advances in electronics systems, focusing on near-threshold computing

Zuverlässige und Energieeffiziente gemischt-kritische Echtzeit On-Chip Systeme

Multi- and many-core embedded systems are increasingly becoming the target for many applications that require high performance under varying conditions. A resulting challenge is the control, and reliable operation of such complex multiprocessing architectures under changes, e.g., high temperature and degradation. In mixed-criticality systems where many applications with varying criticalities are consolidated on the same execution platform, fundamental isolation requirements to guarantee non-interference of critical functions are crucially important. While Networks-on-Chip (NoCs) are the prevalent solution to provide scalable and efficient interconnects for the multiprocessing architectures, their associated energy consumption has immensely increased. Specifically, hard real-time NoCs must manifest limited energy consumption as thermal runaway in such a core shared resource jeopardizes the whole system guarantees. Thus, dynamic energy management of NoCs, as opposed to the related work static solutions, is highly necessary to save energy and decrease temperature, while preserving essential temporal requirements. In this thesis, we introduce a centralized management to provide energy-aware NoCs for hard real-time systems. The design relies on an energy control network, developed on top of an existing switch arbitration network to allow isolation between energy optimization and data transmission. The energy control layer includes local units called Power-Aware NoC controllers that dynamically optimize NoC energy depending on the global state and applications’ temporal requirements. Furthermore, to adapt to abnormal situations that might occur in the system due to degradation, we extend the concept of NoC energy control to include the entire system scope. That is, online resource management employing hierarchical control layers to treat system degradation (imminent core failures) is supported. The mechanism applies system reconfiguration that involves workload migration. For mixed-criticality systems, it allows flexible boundaries between safety-critical and non-critical subsystems to safely apply the reconfiguration, preserving fundamental safety requirements and temporal predictability. Simulation and formal analysis-based experiments on various realistic usecases and benchmarks are conducted showing significant improvements in NoC energy-savings and in treatment of system degradation for mixed-criticality systems improving dependability over the status quo.Eingebettete Many- und Multi-core-Systeme werden zunehmend das Ziel für Anwendungen, die hohe Anfordungen unter unterschiedlichen Bedinungen haben. Für solche hochkomplexed Multi-Prozessor-Systeme ist es eine grosse Herausforderung zuverlässigen Betrieb sicherzustellen, insbesondere wenn sich die Umgebungseinflüsse verändern. In Systeme mit gemischter Kritikalität, in denen viele Anwendungen mit unterschiedlicher Kritikalität auf derselben Ausführungsplattform bedient werden müssen, sind grundlegende Isolationsanforderungen zur Gewährleistung der Nichteinmischung kritischer Funktionen von entscheidender Bedeutung. Während On-Chip Netzwerke (NoCs) häufig als skalierbare Verbindung für die Multiprozessor-Architekturen eingesetzt werden, ist der damit verbundene Energieverbrauch immens gestiegen. Daher sind dynamische Plattformverwaltungen, im Gegensatz zu den statischen, zwingend notwendig, um ein System an die oben genannten Veränderungen anzupassen und gleichzeitig Timing zu gewährleisten. In dieser Arbeit entwickeln wir energieeffiziente NoCs für harte Echtzeitsysteme. Das Design basiert auf einem Energiekontrollnetzwerk, das auf einem bestehenden Switch-Arbitration-Netzwerk entwickelt wurde, um eine Isolierung zwischen Energieoptimierung und Datenübertragung zu ermöglichen. Die Energiesteuerungsschicht umfasst lokale Einheiten, die als Power-Aware NoC-Controllers bezeichnet werden und die die NoC-Energie in Abhängigkeit vom globalen Zustand und den zeitlichen Anforderungen der Anwendungen optimieren. Darüber hinaus wird das Konzept der NoC-Energiekontrolle zur Anpassung an Anomalien, die aufgrund von Abnutzung auftreten können, auf den gesamten Systemumfang ausgedehnt. Online- Ressourcenverwaltungen, die hierarchische Kontrollschichten zur Behandlung Abnutzung (drohender Kernausfälle) einsetzen, werden bereitgestellt. Bei Systemen mit gemischter Kritikalität erlaubt es flexible Grenzen zwischen sicherheitskritischen und unkritischen Subsystemen, um die Rekonfiguration sicher anzuwenden, wobei grundlegende Sicherheitsanforderungen erhalten bleiben und Timing Vorhersehbarkeit. Experimente werden auf der Basis von Simulationen und formalen Analysen zu verschiedenen realistischen Anwendungsfallen und Benchmarks durchgeführt, die signifikanten Verbesserungen bei On-Chip Netzwerke-Energieeinsparungen und bei der Behandlung von Abnutzung für Systeme mit gemischter Kritikalität zur Verbesserung die Systemstabilität gegenüber dem bisherigen Status quo zeigen

Clock Polarity Assignment Methodologies for Designing High-Performance and Robust Clock Trees

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2016. 8. 김태환.In modern synchronous circuits, the system relies on one single signal, namely, the clock signal. All data sampling of flip-flops rely on the timing of the clock signal. This makes clock trees, which deliver the clock signal to every clock sink in the whole system, one of the most active components on a chip, as it must switch without halting. Naturally, this makes clock trees a primary target of optimization for low power/high performance designs. First, bounded skew clock polarity assignment is explored. Buffers in the clock tree switch simultaneously as the clock signal switch, which causes power/ground supply voltage fluctuation. This phenomenon is referred to as clock noise and brings adverse effects on circuit robustness. Clock polarity assignment technique replaces some of the buffers in the clock trees with inverters. Since buffers draw larger current at the rising edge of the clock while inverters draw larger current at the falling edge, this technique can mitigate peak noise problem at the power/ground supply rails. Second, useful skew clock polarity assignment method is developed. Useful clock skew methodology allows consideration of individual clock skew restraints between each clock sinks, allowing further noise reduction by exploiting more time slack. Through experiments with ISPD 2010 clock network synthesis contest benchmark circuits, the results show that the proposed clock polarity algorithm is able to reduce the peak noise caused by clock buffers by 10.9% further over that of the global skew bound constrained polarity assignment while satisfying all setup and hold time constraints. Lastly, as multi-corner multi-mode (MCMM) design methodologies, process variations and clock gating techniques are becoming common place in advanced technology nodes, clock polarity assignment methods that mitigate these problems are devised. Experimental results indicate that the proposed methods successfully satisfy required design constraints imposed by such variations. In summary, this dissertation presents clock polarity assignments that considers useful clock skew, delay variations, MCMM design methodologies and clock gating techniques.Chapter 1 Introduction 1 1.1 Clock Trees 1 1.2 Simultaneous Switching Noise 3 1.3 Clock Polarity Assignment Technique 4 1.4 Contributions of this Dissertation 5 Chapter 2 Clock Polarity Assignment Under Bounded Skew 7 2.1 Introduction 7 2.2 Motivational Example 9 2.3 Problem Formulation 13 2.4 Proposed Algorithm 17 2.4.1 Independence Assumption 17 2.4.2 Characterization of Noise 18 2.4.3 Overview of the Proposed Algorithm 19 2.4.4 Mapping WaveMin Problem to MOSP problem 22 2.4.5 A Fast Algorithm 26 2.4.6 Zone Sizing/Partitioning Method 27 2.5 Experimental Results 28 2.5.1 Experimental Setup 28 2.5.2 Noise Reduction 28 2.5.3 Simulation on Full Circuit 29 2.6 Effects of Clock Polarity Assignment on Simultaneous Switching Noise 34 2.6.1 Model of Power Delivery Network 34 2.6.2 Peak-to-Peak Voltage Swing 35 2.7 Effects of Decoupling Capacitors 36 2.8 Effects of Clock Polarity Assignment on Clock Jitter 40 2.8.1 Noise in Frequency Domain 40 2.9 Summary 43 Chapter 3 Clock Polarity Assignment Under Useful Skew 44 3.1 Introduction 44 3.2 Motivational Example 45 3.3 Problem Formulation 47 3.4 Proposed Algorithm 49 3.4.1 Integer Linear Programming Formulation and Linear Programming Relaxation 49 3.4.2 Formulating into Maximum Clique Problem 49 3.4.3 Scalable Algorithm for Clique Exploration 51 3.5 Experimental Results 54 3.5.1 Experimental Setup 54 3.5.2 Assessing the Performance of UsefulMin over Wavemin 56 3.6 Summary 57 Chapter 4 Extensions of Clock Polarity Assignment Methods 60 4.1 Coping With Thermal Variations 60 4.1.1 Introduction 60 4.1.2 Proposed Method 61 4.1.3 Experimental Results 66 4.2 Coping with Delay Variations 70 4.2.1 Introduction 70 4.2.2 The Impact of Process Variations on Polarity Assignment 71 4.2.3 Proposed Method for Variation Resiliency 72 4.2.4 Experimental Results 73 4.3 Coping With Multi-Mode Designs 75 4.3.1 Introduction 75 4.3.2 Proposed Method 76 4.3.3 Experimental Results 84 4.4 Orthogonality with Other Design Techniques ? Clock Gating 87 4.4.1 Introduction 87 4.4.2 Proposed Partitioning Method 87 4.4.3 Experimental Results 88 4.5 Summary 90 Chapter 5 Conclusion 92 5.1 Clock Polarity Assignment Under Bounded Skew 92 5.2 Clock Polarity Assignment Under Useful Skew 93 5.3 Extensions of Clock Polarity Assignment 93 Appendices 94 Chapter A Power Spectral Densities of ISCAS89 Circuits 95 Chapter B The Effect of Decoupling Capacitors 99 초록 109Docto

Active timing margin management to improve microprocessor power efficiency

Improving power/performance efficiency is critical for today’s micro- processors. From edge devices to datacenters, lower power or higher performance always produces better systems, measured by lower cost of ownership or longer battery time. This thesis studies improving microprocessor power/performance efficiency by optimizing the pipeline timing margin. In particular, this thesis focuses on improving the efficacy of Active Timing Margin, a young technology that dynamically adjusts the margin. Active timing margin trims down the pipeline timing margin with a control loop that adjusts voltage and frequency based on real-time chip environment monitoring. The key insight of this thesis is that in order to maximize active timing margin’s efficiency enhancement benefits, synergistic management from processor architecture design and system software scheduling are needed. To that end, this thesis covers the major consumers of pipeline timing margin, including temperature, voltage, and process variation. For temperature variation, the thesis proposes a table-lookup based active timing margin mechanism, and an associated temperature management scheme to minimize power consumption. For voltage variation, the thesis characterizes the limiting factors of adaptive clocking’s power saving and proposes application scheduling to maximize total system power reduction. For process variation, the thesis proposes core-level adaptive clocking reconfiguration to automatically expose inter-core variation and discusses workload scheduling and throttling management to control critical application performance. The author believes the optimization presented in this thesis can potentially benefit a variety of processor architectures as the conclusions are based on the solid measurement on state-of-the-art processors, and the research objective, active timing margin, already has wide applicability in the latest microprocessors by the time this thesis is written.Electrical and Computer Engineerin

Design and Optimization for Resilient Energy Efficient Computing

Heutzutage sind moderne elektronische Systeme ein integraler Bestandteil unseres Alltags. Dies wurde unter anderem durch das exponentielle Wachstum der Integrationsdichte von integrierten Schaltkreisen ermöglicht zusammen mit einer Verbesserung der Energieeffizienz, welche in den letzten 50 Jahren stattfand, auch bekannt als Moore‘s Gesetz. In diesem Zusammenhang ist die Nachfrage von energieeffizienten digitalen Schaltkreisen enorm angestiegen, besonders in Anwendungsfeldern wie dem Internet of Things (IoT). Da der Leistungsverbrauch von Schaltkreisen stark mit der Versorgungsspannung verknüpft ist, wurden effiziente Verfahren entwickelt, welche die Versorgungsspannung in den nahen Schwellenspannung-Bereich skalieren, zusammengefasst unter dem Begriff Near-Threshold-Computing (NTC). Mithilfe dieser Verfahren kann eine Erhöhung der Energieeffizienz von Schaltungen um eine ganze Größenordnung ermöglicht werden. Neben der verbesserten Energiebilanz ergeben sich jedoch zahlreiche Herausforderungen was den Schaltungsentwurf angeht. Zum Beispiel führt das Reduzieren der Versorgungsspannung in den nahen Schwellenspannungsbereich zu einer verzehnfachten Erhöhung der Sensibilität der Schaltkreise gegenüber Prozessvariation, Spannungsfluktuationen und Temperaturveränderungen. Die Einflüsse dieser Variationen reduzieren die Zuverlässigkeit von NTC Schaltkreisen und sind ihr größtes Hindernis bezüglich einer umfassenden Nutzung. Traditionelle Ansätze und Methoden aus dem nominalen Spannungsbereich zur Kompensation von Variabilität können nicht effizient angewandt werden, da die starken Performance-Variationen und Sensitivitäten im nahen Schwellenspannungsbereich dessen Kapazitäten übersteigen. Aus diesem Grund sind neue Entwurfsparadigmen und Entwurfsautomatisierungskonzepte für die Anwendung von NTC erforderlich. Das Ziel dieser Arbeit ist die zuvor erwähnten Probleme durch die Bereitstellung von ganzheitlichen Methoden zum Design von NTC Schaltkreisen sowie dessen Entwurfsautomatisierung anzugehen, welche insbesondere auf der Schaltungs- sowie Logik-Ebene angewandt werden. Dabei werden tiefgehende Analysen der Zuverlässigkeit von NTC Systemen miteinbezogen und Optimierungsmethoden werden vorgeschlagen welche die Zuverlässigkeit, Performance und Energieeffizienz verbessern. Die Beiträge dieser Arbeit sind wie folgt: Schaltungssynthese und Timing Closure unter Einbezug von Variationen: Das Einhalten von Anforderungen an das zeitliche Verhalten und Zuverlässigkeit von NTC ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Die Auswirkungen von Variabilität kommen bei starken Performance-Schwankungen, welche zu teuren zeitlichen Sicherheitsmargen führen, oder sich in Hold-Time Verstößen ausdrücken, verursacht durch funktionale Störungen, zum Vorschein. Die konventionellen Ansätze beschränken sich dabei alleine auf die Erhöhung von zeitlichen Sicherheitsmargen. Dies ist jedoch sehr ineffizient für NTC, wegen dem starken Ausmaß an Variationen und den erhöhten Leckströmen. In dieser Arbeit wird ein Konzept zur Synthese und Timing Closure von Schaltkreisen unter Variationen vorgestellt, welches sowohl die Sensitivität gegenüber Variationen reduziert als auch die Energieeffizienz, Performance und Zuverlässigkeit verbessert und zugleich den Mehraufwand von Timing Closures [1, 2] verringert. Simulationsergebnisse belegen, dass unser vorgeschlagener Ansatz die Verzögerungszeit um 87% reduziert und die Performance und Energieeffizienz um 25% beziehungsweise 7.4% verbessert, zu Kosten eines erhöhten Flächenbedarfs von 4.8%. Schichtübergreifende Zuverlässigkeits-, Energieeffizienz- und Performance-Optimierung von Datenpfaden: Schichtübergreifende Analyse von Prozessor-Datenpfaden, welche den ganzen Weg spannen vom Kompilierer zum Schaltungsentwurf, kann potenzielle Optimierungsansätze aufzeigen. Ein Datenpfad ist eine Kombination von mehreren funktionalen Einheiten, welche diverse Instruktionen verarbeiten können. Unsere Analyse zeigt, dass die Ausführungszeiten von Instruktionen bei niedrigen Versorgungsspannungen stark variieren, weshalb eine Klassifikation in schnelle und langsame Instruktionen vorgenommen werden kann. Des Weiteren können funktionale Instruktionen als häufig und selten genutzte Instruktionen kategorisiert werden. Diese Arbeit stellt eine Multi-Zyklen-Instruktionen-Methode vor, welche die Energieeffizienz und Belastbarkeit von funktionalen Einheiten erhöhen kann [3]. Zusätzlich stellen wir einen Partitionsalgorithmus vor, welcher ein fein-granulares Power-gating von selten genutzten Einheiten ermöglicht [4] durch Partition von einzelnen funktionalen Einheiten in mehrere kleinere Einheiten. Die vorgeschlagenen Methoden verbessern das zeitliche Schaltungsverhalten signifikant, und begrenzen zugleich die Leckströme beträchtlich, durch Einsatz einer Kombination von Schaltungs-Redesign- und Code-Replacement-Techniken. Simulationsresultate zeigen, dass die entwickelten Methoden die Performance und Energieeffizienz von arithmetisch-logischen Einheiten (ALU) um 19% beziehungsweise 43% verbessern. Des Weiteren kann der Zuwachs in Performance der optimierten Schaltungen in eine Verbesserung der Zuverlässigkeit umgewandelt werden [5, 6]. Post-Fabrication und Laufzeit-Tuning: Prozess- und Laufzeitvariationen haben einen starken Einfluss auf den Minimum Energy Point (MEP) von NTC-Schaltungen, welcher mit der energieeffizientesten Versorgungsspannung assoziiert ist. Es ist ein besonderes Anliegen, die NTC-Schaltung nach der Herstellung (post-fabrication) so zu kalibrieren, dass sich die Schaltung im MEP-Zustand befindet, um die beste Energieeffizient zu erreichen. In dieser Arbeit, werden Post-Fabrication und Laufzeit-Tuning vorgeschlagen, welche die Schaltung basierend auf Geschwindigkeits- und Leistungsverbrauch-Messungen nach der Herstellung auf den MEP kalibrieren. Die vorgestellten Techniken ermitteln den MEP per Chip-Basis um den Einfluss von Prozessvariationen mit einzubeziehen und dynamisch die Versorgungsspannung und Frequenz zu adaptieren um zeitabhängige Variationen wie Workload und Temperatur zu adressieren. Zu diesem Zweck wird in die Firmware eines Chips ein Regression-Modell integriert, welches den MEP basierend auf Workload- und Temperatur-Messungen zur Laufzeit extrahiert. Das Regressions-Modell ist für jeden Chip einzigartig und basiert lediglich auf Post-Fabrication-Messungen. Simulationsergebnisse zeigen das der entwickelte Ansatz eine sehr hohe prognostische Treffsicherheit und Energieeffizienz hat, ähnlich zu hardware-implementierten Methoden, jedoch ohne hardware-seitigen Mehraufwand [7, 8]. Selektierte Flip-Flop Optimierung: Ultra-Low-Voltage Schaltungen müssen im nominalen Versorgungsspannungs-Mode arbeiten um zeitliche Anforderungen von laufenden Anwendungen zu erfüllen. In diesem Fall ist die Schaltung von starken Alterungsprozessen betroffen, welche die Transistoren durch Erhöhung der Schwellenspannungen degradieren. Unsere tiefgehenden Analysen haben gezeigt das gewisse Flip-Flop-Architekturen von diesen Alterungserscheinungen beeinflusst werden indem fälschlicherweise konstante Werte ( \u270\u27 oder \u271\u27) für eine lange Zeit gespeichert sind. Im Vergleich zu anderen Komponenten sind Flip-Flops sensitiver zu Alterungsprozessen und versagen unter anderem dabei einen neuen Wert innerhalb des vorgegebenen zeitlichen Rahmens zu übernehmen. Außerdem kann auch ein geringfügiger Spannungsabfall zu diesen zeitlichen Verstößen führen, falls die betreffenden gealterten Flip-Flops zum kritischen Pfad zuzuordnen sind. In dieser Arbeit wird eine selektiver Flip-Flop-Optimierungsmethode vorgestellt, welche die Schaltungen bezüglich Robustheit gegen statische Alterung und Spannungsabfall optimieren. Dabei werden zuerst optimierte robuste Flip-Flops generiert und diese dann anschließend in die Standard-Zellen-Bibliotheken integriert. Flip-Flops, die in der Schaltung zum kritischen Pfad gehören und Alterung sowie Spannungsabfall erfahren, werden durch die optimierten robusten Versionen ersetzt, um das Zeitverhalten und die Zuverlässigkeit der Schaltung zu verbessern [9, 10]. Simulationsergebnisse zeigen, dass die erwartete Lebenszeit eines Prozessors um 37% verbessert werden kann, während Leckströme um nur 0.1% erhöht werden. Während NTC das Potenzial hat große Energieeffizienz zu ermöglichen, ist der Einsatz in neue Anwendungsfeldern wie IoT wegen den zuvor erwähnten Problemen bezüglich der hohen Sensitivität gegenüber Variationen und deshalb mangelnder Zuverlässigkeit, noch nicht durchsetzbar. In dieser Dissertation und in noch nicht publizierten Werken [11–17], stellen wir Lösungen zu diesen Problemen vor, die eine Integration von NTC in heutige Systeme ermöglichen