Techniques for Aging, Soft Errors and Temperature to Increase the Reliability of Embedded On-Chip Systems

This thesis investigates the challenge of providing an abstracted, yet sufficiently accurate reliability estimation for embedded on-chip systems. In addition, it also proposes new techniques to increase the reliability of register files within processors against aging effects and soft errors. It also introduces a novel thermal measurement setup that perspicuously captures the infrared images of modern multi-core processors

TuRaN: True Random Number Generation Using Supply Voltage Underscaling in SRAMs

Prior works propose SRAM-based TRNGs that extract entropy from SRAM arrays. SRAM arrays are widely used in a majority of specialized or general-purpose chips that perform the computation to store data inside the chip. Thus, SRAM-based TRNGs present a low-cost alternative to dedicated hardware TRNGs. However, existing SRAM-based TRNGs suffer from 1) low TRNG throughput, 2) high energy consumption, 3) high TRNG latency, and 4) the inability to generate true random numbers continuously, which limits the application space of SRAM-based TRNGs. Our goal in this paper is to design an SRAM-based TRNG that overcomes these four key limitations and thus, extends the application space of SRAM-based TRNGs. To this end, we propose TuRaN, a new high-throughput, energy-efficient, and low-latency SRAM-based TRNG that can sustain continuous operation. TuRaN leverages the key observation that accessing SRAM cells results in random access failures when the supply voltage is reduced below the manufacturer-recommended supply voltage. TuRaN generates random numbers at high throughput by repeatedly accessing SRAM cells with reduced supply voltage and post-processing the resulting random faults using the SHA-256 hash function. To demonstrate the feasibility of TuRaN, we conduct SPICE simulations on different process nodes and analyze the potential of access failure for use as an entropy source. We verify and support our simulation results by conducting real-world experiments on two commercial off-the-shelf FPGA boards. We evaluate the quality of the random numbers generated by TuRaN using the widely-adopted NIST standard randomness tests and observe that TuRaN passes all tests. TuRaN generates true random numbers with (i) an average (maximum) throughput of 1.6Gbps (1.812Gbps), (ii) 0.11nJ/bit energy consumption, and (iii) 278.46us latency

Understanding and Improving the Latency of DRAM-Based Memory Systems

Over the past two decades, the storage capacity and access bandwidth of main memory have improved tremendously, by 128x and 20x, respectively. These improvements are mainly due to the continuous technology scaling of DRAM (dynamic random-access memory), which has been used as the physical substrate for main memory. In stark contrast with capacity and bandwidth, DRAM latency has remained almost constant, reducing by only 1.3x in the same time frame. Therefore, long DRAM latency continues to be a critical performance bottleneck in modern systems. Increasing core counts, and the emergence of increasingly more data-intensive and latency-critical applications further stress the importance of providing low-latency memory access. In this dissertation, we identify three main problems that contribute significantly to long latency of DRAM accesses. To address these problems, we present a series of new techniques. Our new techniques significantly improve both system performance and energy efficiency. We also examine the critical relationship between supply voltage and latency in modern DRAM chips and develop new mechanisms that exploit this voltage-latency trade-off to improve energy efficiency. The key conclusion of this dissertation is that augmenting DRAM architecture with simple and low-cost features, and developing a better understanding of manufactured DRAM chips together lead to significant memory latency reduction as well as energy efficiency improvement. We hope and believe that the proposed architectural techniques and the detailed experimental data and observations on real commodity DRAM chips presented in this dissertation will enable development of other new mechanisms to improve the performance, energy efficiency, or reliability of future memory systems.Comment: PhD Dissertatio

Design for Reliability and Low Power in Emerging Technologies

Die fortlaufende Verkleinerung von Transistor-Strukturgrößen ist einer der wichtigsten Antreiber für das Wachstum in der Halbleitertechnologiebranche. Seit Jahrzehnten erhöhen sich sowohl Integrationsdichte als auch Komplexität von Schaltkreisen und zeigen damit einen fortlaufenden Trend, der sich über alle modernen Fertigungsgrößen erstreckt. Bislang ging das Verkleinern von Transistoren mit einer Verringerung der Versorgungsspannung einher, was zu einer Reduktion der Leistungsaufnahme führte und damit eine gleichbleibenden Leistungsdichte sicherstellte. Doch mit dem Beginn von Strukturgrößen im Nanometerbreich verlangsamte sich die fortlaufende Skalierung. Viele Schwierigkeiten, sowie das Erreichen von physikalischen Grenzen in der Fertigung und Nicht-Idealitäten beim Skalieren der Versorgungsspannung, führten zu einer Zunahme der Leistungsdichte und, damit einhergehend, zu erschwerten Problemen bei der Sicherstellung der Zuverlässigkeit. Dazu zählen, unter anderem, Alterungseffekte in Transistoren sowie übermäßige Hitzeentwicklung, nicht zuletzt durch stärkeres Auftreten von Selbsterhitzungseffekten innerhalb der Transistoren. Damit solche Probleme die Zuverlässigkeit eines Schaltkreises nicht gefährden, werden die internen Signallaufzeiten üblicherweise sehr pessimistisch kalkuliert. Durch den so entstandenen zeitlichen Sicherheitsabstand wird die korrekte Funktionalität des Schaltkreises sichergestellt, allerdings auf Kosten der Performance. Alternativ kann die Zuverlässigkeit des Schaltkreises auch durch andere Techniken erhöht werden, wie zum Beispiel durch Null-Temperatur-Koeffizienten oder Approximate Computing. Wenngleich diese Techniken einen Großteil des üblichen zeitlichen Sicherheitsabstandes einsparen können, bergen sie dennoch weitere Konsequenzen und Kompromisse. Bleibende Herausforderungen bei der Skalierung von CMOS Technologien führen außerdem zu einem verstärkten Fokus auf vielversprechende Zukunftstechnologien. Ein Beispiel dafür ist der Negative Capacitance Field-Effect Transistor (NCFET), der eine beachtenswerte Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen FinFET Transistoren aufweist und diese in Zukunft ersetzen könnte. Des Weiteren setzen Entwickler von Schaltkreisen vermehrt auf komplexe, parallele Strukturen statt auf höhere Taktfrequenzen. Diese komplexen Modelle benötigen moderne Power-Management Techniken in allen Aspekten des Designs. Mit dem Auftreten von neuartigen Transistortechnologien (wie zum Beispiel NCFET) müssen diese Power-Management Techniken neu bewertet werden, da sich Abhängigkeiten und Verhältnismäßigkeiten ändern. Diese Arbeit präsentiert neue Herangehensweisen, sowohl zur Analyse als auch zur Modellierung der Zuverlässigkeit von Schaltkreisen, um zuvor genannte Herausforderungen auf mehreren Designebenen anzugehen. Diese Herangehensweisen unterteilen sich in konventionelle Techniken ((a), (b), (c) und (d)) und unkonventionelle Techniken ((e) und (f)), wie folgt: $\textbf{(a)}$ Analyse von Leistungszunahmen in Zusammenhang mit der Maximierung von Leistungseffizienz beim Betrieb nahe der Transistor Schwellspannung, insbesondere am optimalen Leistungspunkt. Das genaue Ermitteln eines solchen optimalen Leistungspunkts ist eine besondere Herausforderung bei Multicore Designs, da dieser sich mit den jeweiligen Optimierungszielsetzungen und der Arbeitsbelastung verschiebt. $\textbf{(b)}$ Aufzeigen versteckter Interdependenzen zwischen Alterungseffekten bei Transistoren und Schwankungen in der Versorgungsspannung durch „IR-drops“. Eine neuartige Technik wird vorgestellt, die sowohl Über- als auch Unterschätzungen bei der Ermittlung des zeitlichen Sicherheitsabstands vermeidet und folglich den kleinsten, dennoch ausreichenden Sicherheitsabstand ermittelt. $\textbf{(c)}$ Eindämmung von Alterungseffekten bei Transistoren durch „Graceful Approximation“, eine Technik zur Erhöhung der Taktfrequenz bei Bedarf. Der durch Alterungseffekte bedingte zeitlich Sicherheitsabstand wird durch Approximate Computing Techniken ersetzt. Des Weiteren wird Quantisierung verwendet um ausreichend Genauigkeit bei den Berechnungen zu gewährleisten. $\textbf{(d)}$ Eindämmung von temperaturabhängigen Verschlechterungen der Signallaufzeit durch den Betrieb nahe des Null-Temperatur Koeffizienten (N-ZTC). Der Betrieb bei N-ZTC minimiert temperaturbedingte Abweichungen der Performance und der Leistungsaufnahme. Qualitative und quantitative Vergleiche gegenüber dem traditionellen zeitlichen Sicherheitsabstand werden präsentiert. $\textbf{(e)}$ Modellierung von Power-Management Techniken für NCFET-basierte Prozessoren. Die NCFET Technologie hat einzigartige Eigenschaften, durch die herkömmliche Verfahren zur Spannungs- und Frequenzskalierungen zur Laufzeit (DVS/DVFS) suboptimale Ergebnisse erzielen. Dies erfordert NCFET-spezifische Power-Management Techniken, die in dieser Arbeit vorgestellt werden. $\textbf{(f)}$ Vorstellung eines neuartigen heterogenen Multicore Designs in NCFET Technologie. Das Design beinhaltet identische Kerne; Heterogenität entsteht durch die Anwendung der individuellen, optimalen Konfiguration der Kerne. Amdahls Gesetz wird erweitert, um neue system- und anwendungsspezifische Parameter abzudecken und die Vorzüge des neuen Designs aufzuzeigen. Die Auswertungen der vorgestellten Techniken werden mithilfe von Implementierungen und Simulationen auf Schaltkreisebene (gate-level) durchgeführt. Des Weiteren werden Simulatoren auf Systemebene (system-level) verwendet, um Multicore Designs zu implementieren und zu simulieren. Zur Validierung und Bewertung der Effektivität gegenüber dem Stand der Technik werden analytische, gate-level und system-level Simulationen herangezogen, die sowohl synthetische als auch reale Anwendungen betrachten

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

Design Space Exploration and Resource Management of Multi/Many-Core Systems

The increasing demand of processing a higher number of applications and related data on computing platforms has resulted in reliance on multi-/many-core chips as they facilitate parallel processing. However, there is a desire for these platforms to be energy-efficient and reliable, and they need to perform secure computations for the interest of the whole community. This book provides perspectives on the aforementioned aspects from leading researchers in terms of state-of-the-art contributions and upcoming trends

초고용량 솔리드 스테이드 드라이브를 위한 신뢰성 향상 및 성능 최적화 기술

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 컴퓨터공학부, 2021.8. 김지홍.The development of ultra-large NAND flash storage devices (SSDs) is recently made possible by NAND flash memory semiconductor process scaling and multi-leveling techniques, and NAND package technology, which enables continuous increasing of storage capacity by mounting many NAND flash memory dies in an SSD. As the capacity of an SSD increases, the total cost of ownership of the storage system can be reduced very effectively, however due to limitations of ultra-large SSDs in reliability and performance, there exists some obstacles for ultra-large SSDs to be widely adopted. In order to take advantage of an ultra-large SSD, it is necessary to develop new techniques to improve these reliability and performance issues. In this dissertation, we propose various optimization techniques to solve the reliability and performance issues of ultra-large SSDs. In order to overcome the optimization limitations of the existing approaches, our techniques were designed based on various characteristic evaluation results of NAND flash devices and field failure characteristics analysis results of real SSDs. We first propose a low-stress erase technique for the purpose of reducing the characteristic deviation between wordlines (WLs) in a NAND flash block. By reducing the erase stress on weak WLs, it effectively slows down NAND degradation and improves NAND endurance. From the NAND evaluation results, the conditions that can most effectively guard the weak WLs are defined as the gerase mode. In addition, considering the user workload characteristics, we propose a technique to dynamically select the optimal gerase mode that can maximize the lifetime of the SSD. Secondly, we propose an integrated approach that maximizes the efficiency of copyback operations to improve performance while not compromising data reliability. Based on characterization using real 3D TLC flash chips, we propose a novel per-block error propagation model under consecutive copyback operations. Our model significantly increases the number of successive copybacks by exploiting the aging characteristics of NAND blocks. Furthermore, we devise a resource-efficient error management scheme that can handle successive copybacks where pages move around multiple blocks with different reliability. By utilizing proposed copyback operation for internal data movement, SSD performance can be effectively improved without any reliability issues. Finally, we propose a new recovery scheme, called reparo, for a RAID storage system with ultra-large SSDs. Unlike the existing RAID recovery schemes, reparo repairs a failed SSD at the NAND die granularity without replacing it with a new SSD, thus avoiding most of the inter-SSD data copies during a RAID recovery step. When a NAND die of an SSD fails, reparo exploits a multi-core processor of the SSD controller to identify failed LBAs from the failed NAND die and to recover data from the failed LBAs. Furthermore, reparo ensures no negative post-recovery impact on the performance and lifetime of the repaired SSD. In order to evaluate the effectiveness of the proposed techniques, we implemented them in a storage device prototype, an open NAND flash storage device development environment, and a real SSD environment. And their usefulness was verified using various benchmarks and I/O traces collected the from real-world applications. The experiment results show that the reliability and performance of the ultra-large SSD can be effectively improved through the proposed techniques.반도체 공정의 미세화, 다치화 기술에 의해서 지속적으로 용량이 증가하고 있는 단위 낸드 플래쉬 메모리와 하나의 낸드 플래쉬 기반 스토리지 시스템 내에 수 많은 낸드 플래쉬 메모리 다이를 실장할 수 있게하는 낸드 패키지 기술로 인해 하드디스크보다 훨씬 더 큰 초고용량의 낸드 플래쉬 저장장치의 개발을 가능하게 했다. 플래쉬 저장장치의 용량이 증가할 수록 스토리지 시스템의 총 소유비용을 줄이는데 매우 효과적인 장점을 가지고 있으나, 신뢰성 및 성능의 측면에서의 한계로 인해서 초고용량 낸드 플래쉬 저장장치가 널리 사용되는데 있어서 장애물로 작용하고 있다. 초고용량 저장장치의 장점을 활용하기 위해서는 이러한 신뢰성 및 성능을 개선하기 위한 새로운 기법의 개발이 필요하다. 본 논문에서는 초고용량 낸드기반 저장장치(SSD)의 문제점인 성능 및 신뢰성을 개선하기 위한 다양한 최적화 기술을 제안한다. 기존 기법들의 최적화 한계를 극복하기 위해서, 우리의 기술은 실제 낸드 플래쉬 소자에 대한 다양한 특성 평가 결과와 SSD의 현장 불량 특성 분석결과를 기반으로 고안되었다. 이를 통해서 낸드의 플래쉬 특성과 SSD, 그리고 호스트 시스템의 동작 특성을 고려한 성능 및 신뢰성을 향상시키는 최적화 방법론을 제시한다. 첫째로, 본 논문에서는 낸드 플래쉬 불록내의 페이지들간의 특성편차를 줄이기 위해서 동적인 소거 스트레스 경감 기법을 제안한다. 제안된 기법은 낸드 블록의 내구성을 늘리기 위해서 특성이 약한 페이지들에 대해서 더 적은 소거 스트레스가 인가할 수 있도록 낸드 평가 결과로 부터 소거 스트레스 경감 모델을 구축한다. 또한 사용자 워크로드 특성을 고려하여, 소거 스트레스 경감 기법의 효과가 최대화 될 수 있는 최적의 경감 수준을 동적으로 판단할 수 있도록 한다. 이를 통해서 낸드 블록을 열화시키는 주요 원인인 소거 동작을 효율적으로 제어함으로써 저장장치의 수명을 효과적으로 향상시킨다. 둘째로, 본 논문에서는 고용량 SSD에서의 내부 데이터 이동으로 인한 성능 저하문제를 개선하기 위해서 낸드 플래쉬의 제한된 카피백(copyback) 명령을 활용하는 적응형 기법인 rCPB을 제안한다. rCPB은 Copyback 명령의 효율성을 극대화 하면서도 데이터 신뢰성에 문제가 없도록 낸드의 블럭의 노화특성을 반영한 새로운 copyback 오류 전파 모델을 기반으로한다. 이에더해, 신뢰성이 다른 블럭간의 copyback 명령을 활용한 데이터 이동을 문제없이 관리하기 위해서 자원 효율적인 오류 관리 체계를 제안한다. 이를 통해서 신뢰성에 문제를 주지 않는 수준에서 copyback을 최대한 활용하여 내부 데이터 이동을 최적화 함으로써 SSD의 성능향상을 달성할 수 있다. 마지막으로, 본 논문에서는 초고용량 SSD에서 낸드 플래쉬의 다이(die) 불량으로 인한 레이드(redundant array of independent disks, RAID) 리빌드 오버헤드를 최소화 하기위한 새로운 RAID 복구 기법인 reparo를 제안한다. Reparo는 SSD에 대한 교체없이 SSD의 불량 die에 대해서만 복구를 수행함으로써 복구 오버헤드를 최소화한다. 불량이 발생한 die의 데이터만 선별적으로 복구함으로써 복구 과정의 리빌드 트래픽을 최소화하며, SSD 내부의 병렬구조를 활용하여 불량 die 복구 시간을 효과적으로 단축한다. 또한 die 불량으로 인한 물리적 공간감소의 부작용을 최소화 함으로써 복구 이후의 성능 저하 및 수명의 감소 문제가 없도록 한다. 본 논문에서 제안한 기법들은 저장장치 프로토타입 및 공개 낸드 플래쉬 저장장치 개발환경, 그리고 실장 SSD환경에 구현되었으며, 실제 응용 프로그램을 모사한 다양한 벤트마크 및 실제 I/O 트레이스들을 이용하여 그 유용성을 검증하였다. 실험 결과, 제안된 기법들을 통해서 초고용량 SSD의 신뢰성 및 성능을 효과적으로 개선할 수 있음을 확인하였다.I Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Dissertation Goals 3 1.3 Contributions 5 1.4 Dissertation Structure 8 II Background 11 2.1 Overview of 3D NAND Flash Memory 11 2.2 Reliability Management in NAND Flash Memory 14 2.3 UL SSD architecture 15 2.4 Related Work 17 2.4.1 NAND endurance optimization by utilizing page characteristics difference 17 2.4.2 Performance optimizations using copyback operation 18 2.4.3 Optimizations for RAID Rebuild 19 2.4.4 Reliability improvement using internal RAID 20 III GuardedErase: Extending SSD Lifetimes by Protecting Weak Wordlines 22 3.1 Reliability Characterization of a 3D NAND Flash Block 22 3.1.1 Large Reliability Variations Among WLs 22 3.1.2 Erase Stress on Flash Reliability 26 3.2 GuardedErase: Design Overview and its Endurance Model 28 3.2.1 Basic Idea 28 3.2.2 Per-WL Low-Stress Erase Mode 31 3.2.3 Per-Block Erase Modes 35 3.3 Design and Implementation of LongFTL 39 3.3.1 Overview 39 3.3.2 Weak WL Detector 40 3.3.3 WAF Monitor 42 3.3.4 GErase Mode Selector 43 3.4 Experimental Results 46 3.4.1 Experimental Settings 46 3.4.2 Lifetime Improvement 47 3.4.3 Performance Overhead 49 3.4.4 Effectiveness of Lowest Erase Relief Ratio 50 IV Improving SSD Performance Using Adaptive Restricted- Copyback Operations 52 4.1 Motivations 52 4.1.1 Data Migration in Modern SSD 52 4.1.2 Need for Block Aging-Aware Copyback 53 4.2 RCPB: Copyback with a Limit 55 4.2.1 Error-Propagation Characteristics 55 4.2.2 RCPB Operation Model 58 4.3 Design and Implementation of rcFTL 59 4.3.1 EPM module 60 4.3.2 Data Migration Mode Selection 64 4.4 Experimental Results 65 4.4.1 Experimental Setup 65 4.4.2 Evaluation Results 66 V Reparo: A Fast RAID Recovery Scheme for Ultra- Large SSDs 70 5.1 SSD Failures: Causes and Characteristics 70 5.1.1 SSD Failure Types 70 5.1.2 SSD Failure Characteristics 72 5.2 Impact of UL SSDs on RAID Reliability 74 5.3 RAID Recovery using Reparo 77 5.3.1 Overview of Reparo 77 5.4 Cooperative Die Recovery 82 5.4.1 Identifier: Parallel Search of Failed LBAs 82 5.4.2 Handler: Per-Core Space Utilization Adjustment 83 5.5 Identifier Acceleration Using P2L Mapping Information 89 5.5.1 Page-level P2L Entrustment to Neighboring Die 90 5.5.2 Block-level P2L Entrustment to Neighboring Die 92 5.5.3 Additional Considerations for P2L Entrustment 94 5.6 Experimental Results 95 5.6.1 Experimental Settings 95 5.6.2 Experimental Results 97 VI Conclusions 109 6.1 Summary 109 6.2 Future Work 111 6.2.1 Optimization with Accurate WAF Prediction 111 6.2.2 Maximizing Copyback Threshold 111 6.2.3 Pre-failure Detection 112박

Cross-Layer Optimization for Power-Efficient and Robust Digital Circuits and Systems

With the increasing digital services demand, performance and power-efficiency become vital requirements for digital circuits and systems. However, the enabling CMOS technology scaling has been facing significant challenges of device uncertainties, such as process, voltage, and temperature variations. To ensure system reliability, worst-case corner assumptions are usually made in each design level. However, the over-pessimistic worst-case margin leads to unnecessary power waste and performance loss as high as 2.2x. Since optimizations are traditionally confined to each specific level, those safe margins can hardly be properly exploited. To tackle the challenge, it is therefore advised in this Ph.D. thesis to perform a cross-layer optimization for digital signal processing circuits and systems, to achieve a global balance of power consumption and output quality. To conclude, the traditional over-pessimistic worst-case approach leads to huge power waste. In contrast, the adaptive voltage scaling approach saves power (25% for the CORDIC application) by providing a just-needed supply voltage. The power saving is maximized (46% for CORDIC) when a more aggressive voltage over-scaling scheme is applied. These sparsely occurred circuit errors produced by aggressive voltage over-scaling are mitigated by higher level error resilient designs. For functions like FFT and CORDIC, smart error mitigation schemes were proposed to enhance reliability (soft-errors and timing-errors, respectively). Applications like Massive MIMO systems are robust against lower level errors, thanks to the intrinsically redundant antennas. This property makes it applicable to embrace digital hardware that trades quality for power savings.Comment: 190 page

DRAM Bender: An Extensible and Versatile FPGA-based Infrastructure to Easily Test State-of-the-art DRAM Chips

To understand and improve DRAM performance, reliability, security and energy efficiency, prior works study characteristics of commodity DRAM chips. Unfortunately, state-of-the-art open source infrastructures capable of conducting such studies are obsolete, poorly supported, or difficult to use, or their inflexibility limit the types of studies they can conduct. We propose DRAM Bender, a new FPGA-based infrastructure that enables experimental studies on state-of-the-art DRAM chips. DRAM Bender offers three key features at the same time. First, DRAM Bender enables directly interfacing with a DRAM chip through its low-level interface. This allows users to issue DRAM commands in arbitrary order and with finer-grained time intervals compared to other open source infrastructures. Second, DRAM Bender exposes easy-to-use C++ and Python programming interfaces, allowing users to quickly and easily develop different types of DRAM experiments. Third, DRAM Bender is easily extensible. The modular design of DRAM Bender allows extending it to (i) support existing and emerging DRAM interfaces, and (ii) run on new commercial or custom FPGA boards with little effort. To demonstrate that DRAM Bender is a versatile infrastructure, we conduct three case studies, two of which lead to new observations about the DRAM RowHammer vulnerability. In particular, we show that data patterns supported by DRAM Bender uncovers a larger set of bit-flips on a victim row compared to the data patterns commonly used by prior work. We demonstrate the extensibility of DRAM Bender by implementing it on five different FPGAs with DDR4 and DDR3 support. DRAM Bender is freely and openly available at https://github.com/CMU-SAFARI/DRAM-Bender.Comment: To appear in TCAD 202

Dependable Embedded Systems

This Open Access book introduces readers to many new techniques for enhancing and optimizing reliability in embedded systems, which have emerged particularly within the last five years. This book introduces the most prominent reliability concerns from today’s points of view and roughly recapitulates the progress in the community so far. Unlike other books that focus on a single abstraction level such circuit level or system level alone, the focus of this book is to deal with the different reliability challenges across different levels starting from the physical level all the way to the system level (cross-layer approaches). The book aims at demonstrating how new hardware/software co-design solution can be proposed to ef-fectively mitigate reliability degradation such as transistor aging, processor variation, temperature effects, soft errors, etc. Provides readers with latest insights into novel, cross-layer methods and models with respect to dependability of embedded systems; Describes cross-layer approaches that can leverage reliability through techniques that are pro-actively designed with respect to techniques at other layers; Explains run-time adaptation and concepts/means of self-organization, in order to achieve error resiliency in complex, future many core systems