Identification and Rejuvenation of NBTI-Critical Logic Paths in Nanoscale Circuits

The Negative Bias Temperature Instability (NBTI) phenomenon is agreed to be one of the main reliability concerns in nanoscale circuits. It increases the threshold voltage of pMOS transistors, thus, slows down signal propagation along logic paths between flip-flops. NBTI may cause intermittent faults and, ultimately, the circuit’s permanent functional failures. In this paper, we propose an innovative NBTI mitigation approach by rejuvenating the nanoscale logic along NBTI-critical paths. The method is based on hierarchical identification of NBTI-critical paths and the generation of rejuvenation stimuli using an Evolutionary Algorithm. A new, fast, yet accurate model for computation of NBTI-induced delays at gate-level is developed. This model is based on intensive SPICE simulations of individual gates. The generated rejuvenation stimuli are used to drive those pMOS transistors to the recovery phase, which are the most critical for the NBTI-induced path delay. It is intended to apply the rejuvenation procedure to the circuit, as an execution overhead, periodically. Experimental results performed on a set of designs demonstrate reduction of NBTI-induced delays by up to two times with an execution overhead of 0.1 % or less. The proposed approach is aimed at extending the reliable lifetime of nanoelectronics

Cross-Layer Approaches for an Aging-Aware Design of Nanoscale Microprocessors

Thanks to aggressive scaling of transistor dimensions, computers have revolutionized our life. However, the increasing unreliability of devices fabricated in nanoscale technologies emerged as a major threat for the future success of computers. In particular, accelerated transistor aging is of great importance, as it reduces the lifetime of digital systems. This thesis addresses this challenge by proposing new methods to model, analyze and mitigate aging at microarchitecture-level and above

Sensor de envelhecimento para células de memória CMOS

Dissertação de Mestrado, Engenharia e Tecnologia, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2016As memórias Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) ocupam uma percentagem de área significativa nos circuitos integrados e, com o desenvolvimento de tecnologias de fabrico a uma escala cada vez mais reduzida, surgem problemas de performance e de fiabilidade. Efeitos como o BTI (Bias Thermal Instability), TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown), HCI (Hot Carrier Injection), EM (Electromigration), degradam os parâmetros físicos dos transístores de efeito de campo (MOSFET), alterando as suas propriedades elétricas ao longo do tempo. O efeito BTI pode ser subdividido em NBTI (Negative BTI) e PBTI (Positive BTI). O efeito NBTI é dominante no processo de degradação e envelhecimento dos transístores CMOS, afetando os transístores PMOS, enquanto o efeito PBTI assume especial relevância na degradação dos transístores NMOS. A degradação provocada por estes efeitos, manifesta-se nos transístores através do incremento do módulo da tensão de limiar de condução |ℎ| ao longo do tempo. A degradação dos transístores é designada por envelhecimento, sendo estes efeitos cumulativos e possuindo um grande impacto na performance do circuito, em particular se ocorrerem outras variações paramétricas. Outras variações paramétricas adicionais que podem ocorrer são as variações de processo (P), tensão (V) e temperatura (T), ou considerando todas estas variações, e de uma forma genérica, PVTA (Process, Voltage, Temperature and Aging). As células de memória de acesso aleatório (RAM, Random Access Memory), em particular as memórias estáticas (SRAM, Static Random Access Memory) e dinâmicas (DRAM, Dynamic Random Access Memory), possuem tempos de leitura e escrita precisos. Quando ao longo do tempo ocorre o envelhecimento das células de memória, devido à degradação das propriedades dos transístores MOSFET, ocorre também uma degradação da performance das células de memória. A degradação de performance é, portanto, resultado das transições lentas que ocorrem, devido ao envelhecimento dos transístores MOSFET que comutam mais tarde, comparativamente a transístores novos. A degradação de performance nas memórias devido às transições lentas pode traduzir-se em leituras e escritas mais lentas, bem como em alterações na capacidade de armazenamento da memória. Esta propriedade pode ser expressa através da margem de sinal ruído (SNM). O SNM é reduzido com o envelhecimento dos transístores MOSFET e, quando o valor do SNM é baixo, a célula perde a sua capacidade de armazenamento, tornando-se mais vulnerável a fontes de ruído. O SNM é, portanto, um valor que permite efetuar a aferição (benchmarking) e comparar as características da memória perante o envelhecimento ou outras variações paramétricas que possam ocorrer. O envelhecimento das memórias CMOS traduz-se portanto na ocorrência de erros nas memórias ao longo do tempo, o que é indesejável especialmente em sistemas críticos. O trabalho apresentado nesta dissertação tem como objetivo o desenvolvimento de um sensor de envelhecimento e performance para memórias CMOS, detetando e sinalizando para o exterior o envelhecimento em células de memória SRAM devido à constante monitorização da sua performance. O sensor de envelhecimento e performance é ligado na bit line da célula de memória e monitoriza ativamente as operações de leitura e escrita decorrentes da operação da memória. O sensor de envelhecimento é composto por dois blocos: um detetor de transições e um detetor de pulsos. O detetor de transições é constituído por oito inversores e uma porta lógica XOR realizada com portas de passagem. Os inversores possuem diferentes relações nos tamanhos dos transístores P/N, permitindo tempos de comutação em diferentes valores de tensão. Assim, quando os inversores com tensões de comutações diferentes são estimulados pelo mesmo sinal de entrada e são ligados a uma porta XOR, permitem gerar na saída um impulso sempre que existe uma comutação na bit line. O impulso terá, portanto, uma duração proporcional ao tempo de comutação do sinal de entrada, que neste caso particular são as operações de leitura e escrita da memória. Quando o envelhecimento ocorre e as transições se tornam mais lentas, os pulsos possuem uma duração superior face aos pulsos gerados numa SRAM nova. Os pulsos gerados seguem para um elemento de atraso (delay element) que provoca um atraso aos pulsos, invertendo-os de seguida, e garantindo que a duração dos pulsos é suficiente para que exista uma deteção. O impulso gerado é ligado ao bloco seguinte que compõe o sensor de envelhecimento e performance, sendo um circuito detetor de pulso. O detetor de pulso implementa um NOR CMOS, controlado por um sinal de relógio (clock) e pelos pulsos invertidos. Quando os dois sinais de input do NOR são ‘0’ o output resultante será ‘1’, criando desta forma uma janela de deteção. O sensor de envelhecimento será ajustado em cada implementação, de forma a que numa célula de memória nova os pulsos invertidos se encontrem alinhados temporalmente com os pulsos de relógio. Este ajuste é feito durante a fase de projeto, em função da frequência de operação requerida para a célula, quer pelo dimensionamento do delay element (ajustando o seu atraso), quer pela definição do período do sinal de relógio. À medida que o envelhecimento dos circuitos ocorre e as comutações nos transístores se tornam mais lentas, a duração dos pulsos aumenta e consequentemente entram na janela de deteção, originando uma sinalização na saída do sensor. Assim, caso ocorram operações de leitura e escrita instáveis, ou seja, que apresentem tempos de execução acima do expectável ou que os seus níveis lógicos estejam degradados, o sensor de envelhecimento e performance devolve para o exterior ‘1’, sinalizando um desempenho crítico para a operação realizada, caso contrário a saída será ‘0’, indicando que não é verificado nenhum erro no desempenho das operações de escrita e leitura. Os transístores do sensor de envelhecimento e performance são dimensionados de acordo com a implementação; por exemplo, os modelos dos transístores selecionados, tensões de alimentação, ou número de células de memória conectadas na bit line, influenciam o dimensionamento prévio do sensor, já que tanto a performance da memória como o desempenho do sensor dependem das condições de operação. Outras soluções previamente propostas e disponíveis na literatura, nomeadamente o sensor de envelhecimento embebido no circuito OCAS (On-Chip Aging Sensor), permitem detetar envelhecimento numa SRAM devido ao envelhecimento por NBTI. Porém esta solução OCAS apenas se aplica a um conjunto de células SRAM conectadas a uma bit line, não sendo aplicado individualmente a outras células de memória como uma DRAM e não contemplando o efeito PBTI. Uma outra solução já existente, o sensor Scout flip-flop utilizado para aplicações ASIC (Application Specific Integrated Circuit) em circuitos digitais síncronos, atua também como um sensor de performance local e responde de forma preditiva na monitorização de faltas por atraso, utilizando por base janelas de deteção. Esta solução não foi projetada para a monitorização de operações de leitura e escrita em memórias SRAM e DRAM. No entanto, pela sua forma de atuar, esta solução aproxima-se mais da solução proposta neste trabalho, uma vez que o seu funcionamento se baseia em sinalização de sinais atrasados. Nesta dissertação, o recurso a simulações SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) permite validar e testar o sensor de envelhecimento e performance. O caso de estudo utilizado para aplicar o sensor é uma memória CMOS, SRAM, composta por 6 transístores, juntamente com os seus circuitos periféricos, nomeadamente o amplificador sensor e o circuito de pré-carga e equalização, desenvolvidos em tecnologia CMOS de 65nm e 22nm, com recurso aos modelos de MOSFET ”Berkeley Predictive Technology Models (PTM)”. O sensor é devolvido e testado em 65nm e em 22nm com os modelos PTM, permitindo caracterizar o sensor de envelhecimento e performance desenvolvido, avaliando também de que forma o envelhecimento degrada as operações de leitura e escrita da SRAM, bem como a sua capacidade de armazenamento e robustez face ao ruído. Por fim, as simulações apresentadas provam que o sensor de envelhecimento e performance desenvolvido nesta tese de mestrado permite monitorizar com sucesso a performance e o envelhecimento de circuitos de memória SRAM, ultrapassando os desafios existentes nas anteriores soluções disponíveis para envelhecimento de memórias. Verificou-se que na presença de um envelhecimento que provoque uma degradação igual ou superior a 10%, o sensor de envelhecimento e performance deteta eficazmente a degradação na performance, sinalizando os erros. A sua utilização em memórias DRAM, embora possível, não foi testada nesta dissertação, ficando reservada para trabalho futuro

AI/ML Algorithms and Applications in VLSI Design and Technology

An evident challenge ahead for the integrated circuit (IC) industry in the nanometer regime is the investigation and development of methods that can reduce the design complexity ensuing from growing process variations and curtail the turnaround time of chip manufacturing. Conventional methodologies employed for such tasks are largely manual; thus, time-consuming and resource-intensive. In contrast, the unique learning strategies of artificial intelligence (AI) provide numerous exciting automated approaches for handling complex and data-intensive tasks in very-large-scale integration (VLSI) design and testing. Employing AI and machine learning (ML) algorithms in VLSI design and manufacturing reduces the time and effort for understanding and processing the data within and across different abstraction levels via automated learning algorithms. It, in turn, improves the IC yield and reduces the manufacturing turnaround time. This paper thoroughly reviews the AI/ML automated approaches introduced in the past towards VLSI design and manufacturing. Moreover, we discuss the scope of AI/ML applications in the future at various abstraction levels to revolutionize the field of VLSI design, aiming for high-speed, highly intelligent, and efficient implementations

Techniques for Improving Security and Trustworthiness of Integrated Circuits

The integrated circuit (IC) development process is becoming increasingly vulnerable to malicious activities because untrusted parties could be involved in this IC development flow. There are four typical problems that impact the security and trustworthiness of ICs used in military, financial, transportation, or other critical systems: (i) Malicious inclusions and alterations, known as hardware Trojans, can be inserted into a design by modifying the design during GDSII development and fabrication. Hardware Trojans in ICs may cause malfunctions, lower the reliability of ICs, leak confidential information to adversaries or even destroy the system under specifically designed conditions. (ii) The number of circuit-related counterfeiting incidents reported by component manufacturers has increased significantly over the past few years with recycled ICs contributing the largest percentage of the total reported counterfeiting incidents. Since these recycled ICs have been used in the field before, the performance and reliability of such ICs has been degraded by aging effects and harsh recycling process. (iii) Reverse engineering (RE) is process of extracting a circuit’s gate-level netlist, and/or inferring its functionality. The RE causes threats to the design because attackers can steal and pirate a design (IP piracy), identify the device technology, or facilitate other hardware attacks. (iv) Traditional tools for uniquely identifying devices are vulnerable to non-invasive or invasive physical attacks. Securing the ID/key is of utmost importance since leakage of even a single device ID/key could be exploited by an adversary to hack other devices or produce pirated devices. In this work, we have developed a series of design and test methodologies to deal with these four challenging issues and thus enhance the security, trustworthiness and reliability of ICs. The techniques proposed in this thesis include: a path delay fingerprinting technique for detection of hardware Trojans, recycled ICs, and other types counterfeit ICs including remarked, overproduced, and cloned ICs with their unique identifiers; a Built-In Self-Authentication (BISA) technique to prevent hardware Trojan insertions by untrusted fabrication facilities; an efficient and secure split manufacturing via Obfuscated Built-In Self-Authentication (OBISA) technique to prevent reverse engineering by untrusted fabrication facilities; and a novel bit selection approach for obtaining the most reliable bits for SRAM-based physical unclonable function (PUF) across environmental conditions and silicon aging effects

Runtime Monitoring for Dependable Hardware Design

Mit dem Voranschreiten der Technologieskalierung und der Globalisierung der Produktion von integrierten Schaltkreisen eröffnen sich eine Fülle von Schwachstellen bezüglich der Verlässlichkeit von Computerhardware. Jeder Mikrochip wird aufgrund von Produktionsschwankungen mit einem einzigartigen Charakter geboren, welcher sich durch seine Arbeitsbedingungen, Belastung und Umgebung in individueller Weise entwickelt. Daher sind deterministische Modelle, welche zur Entwurfszeit die Verlässlichkeit prognostizieren, nicht mehr ausreichend um Integrierte Schaltkreise mit Nanometertechnologie sinnvoll abbilden zu können. Der Bedarf einer Laufzeitanalyse des Zustandes steigt und mit ihm die notwendigen Maßnahmen zum Erhalt der Zuverlässigkeit. Transistoren sind anfällig für auslastungsbedingte Alterung, die die Laufzeit der Schaltung erhöht und mit ihr die Möglichkeit einer Fehlberechnung. Hinzu kommen spezielle Abläufe die das schnelle Altern des Chips befördern und somit seine zuverlässige Lebenszeit reduzieren. Zusätzlich können strahlungsbedingte Laufzeitfehler (Soft-Errors) des Chips abnormales Verhalten kritischer Systeme verursachen. Sowohl das Ausbreiten als auch das Maskieren dieser Fehler wiederum sind abhängig von der Arbeitslast des Systems. Fabrizierten Chips können ebenfalls vorsätzlich während der Produktion boshafte Schaltungen, sogenannte Hardwaretrojaner, hinzugefügt werden. Dies kompromittiert die Sicherheit des Chips. Da diese Art der Manipulation vor ihrer Aktivierung kaum zu erfassen ist, ist der Nachweis von Trojanern auf einem Chip direkt nach der Produktion extrem schwierig. Die Komplexität dieser Verlässlichkeitsprobleme machen ein einfaches Modellieren der Zuverlässigkeit und Gegenmaßnahmen ineffizient. Sie entsteht aufgrund verschiedener Quellen, eingeschlossen der Entwicklungsparameter (Technologie, Gerät, Schaltung und Architektur), der Herstellungsparameter, der Laufzeitauslastung und der Arbeitsumgebung. Dies motiviert das Erforschen von maschinellem Lernen und Laufzeitmethoden, welche potentiell mit dieser Komplexität arbeiten können. In dieser Arbeit stellen wir Lösungen vor, die in der Lage sind, eine verlässliche Ausführung von Computerhardware mit unterschiedlichem Laufzeitverhalten und Arbeitsbedingungen zu gewährleisten. Wir entwickelten Techniken des maschinellen Lernens um verschiedene Zuverlässigkeitseffekte zu modellieren, zu überwachen und auszugleichen. Verschiedene Lernmethoden werden genutzt, um günstige Überwachungspunkte zur Kontrolle der Arbeitsbelastung zu finden. Diese werden zusammen mit Zuverlässigkeitsmetriken, aufbauend auf Ausfallsicherheit und generellen Sicherheitsattributen, zum Erstellen von Vorhersagemodellen genutzt. Des Weiteren präsentieren wir eine kosten-optimierte Hardwaremonitorschaltung, welche die Überwachungspunkte zur Laufzeit auswertet. Im Gegensatz zum aktuellen Stand der Technik, welcher mikroarchitektonische Überwachungspunkte ausnutzt, evaluieren wir das Potential von Arbeitsbelastungscharakteristiken auf der Logikebene der zugrundeliegenden Hardware. Wir identifizieren verbesserte Features auf Logikebene um feingranulare Laufzeitüberwachung zu ermöglichen. Diese Logikanalyse wiederum hat verschiedene Stellschrauben um auf höhere Genauigkeit und niedrigeren Overhead zu optimieren. Wir untersuchten die Philosophie, Überwachungspunkte auf Logikebene mit Hilfe von Lernmethoden zu identifizieren und günstigen Monitore zu implementieren um eine adaptive Vorbeugung gegen statisches Altern, dynamisches Altern und strahlungsinduzierte Soft-Errors zu schaffen und zusätzlich die Aktivierung von Hardwaretrojanern zu erkennen. Diesbezüglich haben wir ein Vorhersagemodell entworfen, welches den Arbeitslasteinfluss auf alterungsbedingte Verschlechterungen des Chips mitverfolgt und dazu genutzt werden kann, dynamisch zur Laufzeit vorbeugende Techniken, wie Task-Mitigation, Spannungs- und Frequenzskalierung zu benutzen. Dieses Vorhersagemodell wurde in Software implementiert, welche verschiedene Arbeitslasten aufgrund ihrer Alterungswirkung einordnet. Um die Widerstandsfähigkeit gegenüber beschleunigter Alterung sicherzustellen, stellen wir eine Überwachungshardware vor, welche einen Teil der kritischen Flip-Flops beaufsichtigt, nach beschleunigter Alterung Ausschau hält und davor warnt, wenn ein zeitkritischer Pfad unter starker Alterungsbelastung steht. Wir geben die Implementierung einer Technik zum Reduzieren der durch das Ausführen spezifischer Subroutinen auftretenden Belastung von zeitkritischen Pfaden. Zusätzlich schlagen wir eine Technik zur Abschätzung von online Soft-Error-Schwachstellen von Speicherarrays und Logikkernen vor, welche auf der Überwachung einer kleinen Gruppe Flip-Flops des Entwurfs basiert. Des Weiteren haben wir eine Methode basierend auf Anomalieerkennung entwickelt, um Arbeitslastsignaturen von Hardwaretrojanern während deren Aktivierung zur Laufzeit zu erkennen und somit eine letzte Verteidigungslinie zu bilden. Basierend auf diesen Experimenten demonstriert diese Arbeit das Potential von fortgeschrittener Feature-Extraktion auf Logikebene und lernbasierter Vorhersage basierend auf Laufzeitdaten zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Harwareentwürfen

Simulation of charge-trapping in nano-scale MOSFETs in the presence of random-dopants-induced variability

The growing variability of electrical characteristics is a major issue associated with continuous downscaling of contemporary bulk MOSFETs. In addition, the operating conditions brought about by these same scaling trends have pushed MOSFET degradation mechanisms such as Bias Temperature Instability (BTI) to the forefront as a critical reliability threat. This thesis investigates the impact of this ageing phenomena, in conjunction with device variability, on key MOSFET electrical parameters. A three-dimensional drift-diffusion approximation is adopted as the simulation approach in this work, with random dopant fluctuations—the dominant source of statistical variability—included in the simulations. The testbed device is a realistic 35 nm physical gate length n-channel conventional bulk MOSFET. 1000 microscopically different implementations of the transistor are simulated and subjected to charge-trapping at the oxide interface. The statistical simulations reveal relatively rare but very large threshold voltage shifts, with magnitudes over 3 times than that predicted by the conventional theoretical approach. The physical origin of this effect is investigated in terms of the electrostatic influences of the random dopants and trapped charges on the channel electron concentration. Simulations with progressively increased trapped charge densities—emulating the characteristic condition of BTI degradation—result in further variability of the threshold voltage distribution. Weak correlations of the order of 10-2 are found between the pre-degradation threshold voltage and post-degradation threshold voltage shift distributions. The importance of accounting for random dopant fluctuations in the simulations is emphasised in order to obtain qualitative agreement between simulation results and published experimental measurements. Finally, the information gained from these device-level physical simulations is integrated into statistical compact models, making the information available to circuit designers

Solid State Circuits Technologies

The evolution of solid-state circuit technology has a long history within a relatively short period of time. This technology has lead to the modern information society that connects us and tools, a large market, and many types of products and applications. The solid-state circuit technology continuously evolves via breakthroughs and improvements every year. This book is devoted to review and present novel approaches for some of the main issues involved in this exciting and vigorous technology. The book is composed of 22 chapters, written by authors coming from 30 different institutions located in 12 different countries throughout the Americas, Asia and Europe. Thus, reflecting the wide international contribution to the book. The broad range of subjects presented in the book offers a general overview of the main issues in modern solid-state circuit technology. Furthermore, the book offers an in depth analysis on specific subjects for specialists. We believe the book is of great scientific and educational value for many readers. I am profoundly indebted to the support provided by all of those involved in the work. First and foremost I would like to acknowledge and thank the authors who worked hard and generously agreed to share their results and knowledge. Second I would like to express my gratitude to the Intech team that invited me to edit the book and give me their full support and a fruitful experience while working together to combine this book

Energy and Reliability in Future NOC Interconnected CMPS

In this dissertation, I explore energy and reliability in future NoC (Network-on-Chip) interconnected CMPs (chip multiprocessors) as they have become a first-order constraint in future CMP design. In the first part, we target the root cause of network energy consumption through techniques that reduce link and router-level switching activity. We specifically focus on memory subsystem traffic, as it comprises the bulk of NoC load in a CMP. By transmitting only the flits that contain words that we predicted would be useful using a novel spatial locality predictor, our scheme seeks to reduce network activity. We aim to further lower NoC energy consumption through microarchitectural mechanisms that inhibit datapath switching activity caused by unused words in individual flits. Using simulation-based performance studies and detailed energy models based on synthesized router designs and different link wire types, we show that (a) the pre- diction mechanism achieves very high accuracy, with an average rate of false-unused prediction of just 2.5%; (b) the combined NoC energy savings enabled by the predictor and microarchitectural support are 36% on average and up to 57% in the best case; and (c) there is no system performance penalty as a result of this technique. In the second part, we present a method for dynamic voltage/frequency scaling of networks-on-chip and last level caches in CMP designs, where the shared resources form a single voltage/frequency domain. We develop a new technique for monitoring and control and validate it by running PARSEC benchmarks through full system simulations. These techniques reduce energy-delay product by 46% compared to a state-of-the-art prior work. In the third part, we develop critical path models for HCI- and NBTI-induced wear assuming stress caused under realistic workload conditions, and apply them onto the interconnect microarchitecture. A key finding from this modeling is that, counter to prevailing wisdom, wearout in the CMP on-chip interconnect is correlated with a lack of load observed in the NoC routers, rather than high load. We then develop a novel wearout-decelerating scheme in which routers under low load have their wearout-sensitive components exercised without significantly impacting the router’s cycle time, pipeline depth, and area or power consumption. We subsequently show that the proposed design yields a 13.8∼65× increase in CMP lifetime