On microarchitectural mechanisms for cache wearout reduction

Hot carrier injection (HCI) and bias temperature instability (BTI) are two of the main deleterious effects that increase a transistor's threshold voltage over the lifetime of a microprocessor. This voltage degradation causes slower transistor switching and eventually can result in faulty operation. HCI manifests itself when transistors switch from logic ''0'' to ''1'' and vice versa, whereas BTI is the result of a transistor maintaining the same logic value for an extended period of time. These failure mechanisms are especiall in those transistors used to implement the SRAM cells of first-level (L1) caches, which are frequently accessed, so they are critical to performance, and they are continuously aging. This paper focuses on microarchitectural solutions to reduce transistor aging effects induced by both HCI and BTI in the data array of L1 data caches. First, we show that the majority of cell flips are concentrated in a small number of specific bits within each data word. In addition, we also build upon the previous studies, showing that logic ''0'' is the most frequently written value in a cache by identifying which cells hold a given logic value for a significant amount of time. Based on these observations, this paper introduces a number of architectural techniques that spread the number of flips evenly across memory cells and reduce the amount of time that logic ''0'' values are stored in the cells by switchingThis work was supported in part by the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad within the Plan E Funds under Grant TIN2015-66972-C5-1-R, in part by the HiPEAC Collaboration Grant funded by the FP7 HiPEAC Network of Excellence under Grant 287759, and in part by the Engineering and Physical Sciences Research Council under Grant EP/K 026399/1 and Grant EP/J016284/1

Dynamic Partial Reconfiguration for Dependable Systems

Moore’s law has served as goal and motivation for consumer electronics manufacturers in the last decades. The results in terms of processing power increase in the consumer electronics devices have been mainly achieved due to cost reduction and technology shrinking. However, reducing physical geometries mainly affects the electronic devices’ dependability, making them more sensitive to soft-errors like Single Event Transient (SET) of Single Event Upset (SEU) and hard (permanent) faults, e.g. due to aging effects. Accordingly, safety critical systems often rely on the adoption of old technology nodes, even if they introduce longer design time w.r.t. consumer electronics. In fact, functional safety requirements are increasingly pushing industry in developing innovative methodologies to design high-dependable systems with the required diagnostic coverage. On the other hand commercial off-the-shelf (COTS) devices adoption began to be considered for safety-related systems due to real-time requirements, the need for the implementation of computationally hungry algorithms and lower design costs. In this field FPGA market share is constantly increased, thanks to their flexibility and low non-recurrent engineering costs, making them suitable for a set of safety critical applications with low production volumes. The works presented in this thesis tries to face new dependability issues in modern reconfigurable systems, exploiting their special features to take proper counteractions with low impacton performances, namely Dynamic Partial Reconfiguration

Design of Negative Bias Temperature Instability (NBTI) Tolerant Register File

Degradation of transistor parameter values due to Negative Bias Temperature Instability (NBTI) has emerged as a major reliability problem in current and future technology generations. NBTI Aging of a Static Random Access Memory (SRAM) cell leads to a lower noise margin, thereby increasing the failure rate. The register file, which consists of an array of SRAM cells, can suffer from data loss, leading to a system failure. In this work, we study the source of NBTI stress in an architecture and physical register file. Based on our study, we modified the register file structure to reduce the NBTI degradation and improve the overall system reliability. Having evaluated new register file structures, we find that our techniques substantially improve reliability of the register files. The new register files have small overhead, while in some cases they provide saving in area and power

A PUF based Lightweight Hardware Security Architecture for IoT

With an increasing number of hand-held electronics, gadgets, and other smart devices, data is present in a large number of platforms, thereby increasing the risk of security, privacy, and safety breach than ever before. Due to the extreme lightweight nature of these devices, commonly referred to as IoT or `Internet of Things\u27, providing any kind of security is prohibitive due to high overhead associated with any traditional and mathematically robust cryptographic techniques. Therefore, researchers have searched for alternative intuitive solutions for such devices. Hardware security, unlike traditional cryptography, can provide unique device-specific security solutions with little overhead, address vulnerability in hardware and, therefore, are attractive in this domain. As Moore\u27s law is almost at its end, different emerging devices are being explored more by researchers as they present opportunities to build better application-specific devices along with their challenges compared to CMOS technology. In this work, we have proposed emerging nanotechnology-based hardware security as a security solution for resource constrained IoT domain. Specifically, we have built two hardware security primitives i.e. physical unclonable function (PUF) and true random number generator (TRNG) and used these components as part of a security protocol proposed in this work as well. Both PUF and TRNG are built from metal-oxide memristors, an emerging nanoscale device and are generally lightweight compared to their CMOS counterparts in terms of area, power, and delay. Design challenges associated with designing these hardware security primitives and with memristive devices are properly addressed. Finally, a complete security protocol is proposed where all of these different pieces come together to provide a practical, robust, and device-specific security for resource-limited IoT systems

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

An Aging-Aware GPU Register File Design Based on Data Redundancy

"© 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permissíon from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertisíng or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works."[EN] Nowadays, GPUs sit at the forefront of high-performance computing thanks to their massive computational capabilities. Internally, thousands of functional units, architected to be fed by large register files, fuel such a performance. At deep nanometer technologies, the SRAM memory cells that implement GPU register files are very sensitive to the Negative Bias Temperature Instability (NBTI) effect. NBTI ages cell transistors by degrading their threshold voltage Vth over the lifetime of the GPU. This degradation, which manifests when a cell keeps the same logic value for a relatively long period of time, compromises the cell read stability and increases the transistor switching delay, which can lead to wrong read values and eventually exceed the processor cycle time, respectively, so resulting in faulty operation. Thiswork proposes architectural mechanisms leveraging the redundancy of the data stored in GPU register files to attack NBTI aging. The proposed mechanisms are based on data compression, power gating, and register address rotation techniques. All these mechanismsworking together balance the distribution of logic values stored in the cells along the execution time, reducing both the overall Vth degradation and the increase in the transistor switching delays. Experimental results show that a conventional GPU register file suffers the worst case for NBTI, since a significant fraction of the cells maintain the same logic value during the entire application execution (i.e., a 100 percent '0' and '1' duty cycle distributions). On average, the proposal reduces these distributions by 58 and 68 percent, respectively, which translates into Vth degradation savings by 54 and 62 percent, respectively.This work was supported by the Gobierno de Aragon and the European ESF (gaZ: T58_17R research group), and by the Ministerio de Economia y Competitividad (MINECO) and AEI/FEDER (EU) funds under Grants TIN2016-76635-C2-1-R and TIN2015-66972-C5-1-R.Valero Bresó, A.; Candel-Margaix, F.; Suárez-Gracia, D.; Petit Martí, SV.; Sahuquillo Borrás, J. (2019). An Aging-Aware GPU Register File Design Based on Data Redundancy. IEEE Transactions on Computers. 68(1):4-20. https://doi.org/10.1109/TC.2018.2849376S42068

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

Efficient Estimation of Reliability Metrics for Circuits in Deca-Nanometer Nodes

51 σ.Καθώς η τεχνολογία οδηγεί στη κατασκευή τρανζίστορ ολοένα και μικρότερων διαστάσεων, έχουν εμφανιστεί αρκετά φαινόμενα που επηρεάζουν την αξιοπιστία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Ένα από αυτά τα φαινόμενα ονομάζεται "Bias Temperature Instability", αποτελεί σημαντικό κίνδυνο για την αξιοπιστία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και έχει παρατηρηθεί εδώ και πάνω από 30 χρόνια. Το πρώτο μοντέλο που προσπάθησε να εξηγήσει αυτό το φαινόμενο εμφανίστηκε πριν από 30 περίπου χρόνια, βασίστηκε στη διάχυση υδρογόνου και ως εκ τούτου ονομάστηκε "Reaction-Diffusion model". Πριν από μερικά χρόνια δημιουργήθηκε ένα νέο ατομιστικό μοντέλο το οποίο βασίζεται κυρίως στην εμφάνιση ελαττωμάτων στο διηλεκτρικό μεταξύ της πύλης και του καναλιού των FET τρανζίστορ. Μελετώντας κανείς τη βιβλιογραφία που αφορά στο ατομιστικό αυτό μοντέλο, μπορεί να συναντήσει εργαλεία που προσομοιώνουν με ακρίβεια το μοντέλο αλλά δυστυχώς απαιτούν αρκετό χρόνο για να εκτελεστούν, κάτι το οποίο τα καθιστά απαγορευτικά για εκτενή χρήση. Παράλληλα, υπάρχουν εργαλεία βασισμένα στο μοντέλο της διάχυσης τα οποία βέβαια αδυνατούν να παράξουν σωστά και λεπτομερή αποτελέσματα, κυρίως σε τεχνολογίες μικρών διαστάσεων. Η παρούσα λοιπόν διπλωματική εργασία παρουσιάζει τα αποτελέσματα ενός νέου και καινοτόμου εργαλείου το οποίο βασίζεται στο ατομιστικό μοντέλο, ωστόσο προσομοιώνει αποδοτικά αλλά και με ακρίβεια το φαινόμενο της γήρανσης. Ένα αντιπροσωπευτικό μονοπάτι στατικής μνήμης (SRAM) θα χρησιμοποιηθεί ως παράδειγμα της λειτουργίας του μοντέλου ενώ παράλληλα θα υπολογισθούν, με βάση τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων αυτών, μετρικές, σημαντικές για το χαρακτηρισμό της απόδοσης και αξιοπιστίας του κυκλώματος, ενώ παράλληλα θα μελετηθούν λεπτομερώς και οι σχέσεις που τις συνδέουν.In modern technologies of integrated circuits (IC) and with the downscaling of device dimensions, various degradation modes constitute major reliability concerns. Bias Temperature Instability (BTI) is a representative example, posing as a significant reliability threat in Field-Effect Transistor (FET) technologies and has been known for more than 30 years. At first, the model that tried to explain this phenomenon was based on the Reaction-Diffusion (RD) theory and was developed nearly 30 years ago. Recently, an atomistic model has been proposed, that enables the modeling of BTI in modern technologies. By observing the amount of software designed to simulate the BTI degradation, tools can be found that are based on the atomistic theory but are computationally prohibitive when it comes to simulating complex circuits consisting of a large number of devices. Tools based on the RD model are unable to accurately capture the BTI-induced degradation, especially in devices with small dimensions. The current thesis is appropriately positioned since it discusses a novel simulation framework that is efficient yet highly accurate. A subset of an embedded Static Random Access Memory (SRAM) is used for verification purposes. The estimation of the functional yield of the circuit over three years of operation will be examined as well as other reliability metrics, such as defects per million (DPM), mean time to failure (MTTF) and failures in time (FIT rate). Finally, the interplay between these metrics is discussed and efficient computation methods are proposed for each one.Μιχαήλ Α. Νόλτση

Robust low-power digital circuit design in nano-CMOS technologies

Device scaling has resulted in large scale integrated, high performance, low-power, and low cost systems. However the move towards sub-100 nm technology nodes has increased variability in device characteristics due to large process variations. Variability has severe implications on digital circuit design by causing timing uncertainties in combinational circuits, degrading yield and reliability of memory elements, and increasing power density due to slow scaling of supply voltage. Conventional design methods add large pessimistic safety margins to mitigate increased variability, however, they incur large power and performance loss as the combination of worst cases occurs very rarely. In-situ monitoring of timing failures provides an opportunity to dynamically tune safety margins in proportion to on-chip variability that can significantly minimize power and performance losses. We demonstrated by simulations two delay sensor designs to detect timing failures in advance that can be coupled with different compensation techniques such as voltage scaling, body biasing, or frequency scaling to avoid actual timing failures. Our simulation results using 45 nm and 32 nm technology BSIM4 models indicate significant reduction in total power consumption under temperature and statistical variations. Future work involves using dual sensing to avoid useless voltage scaling that incurs a speed loss. SRAM cache is the first victim of increased process variations that requires handcrafted design to meet area, power, and performance requirements. We have proposed novel 6 transistors (6T), 7 transistors (7T), and 8 transistors (8T)-SRAM cells that enable variability tolerant and low-power SRAM cache designs. Increased sense-amplifier offset voltage due to device mismatch arising from high variability increases delay and power consumption of SRAM design. We have proposed two novel design techniques to reduce offset voltage dependent delays providing a high speed low-power SRAM design. Increasing leakage currents in nano-CMOS technologies pose a major challenge to a low-power reliable design. We have investigated novel segmented supply voltage architecture to reduce leakage power of the SRAM caches since they occupy bulk of the total chip area and power. Future work involves developing leakage reduction methods for the combination logic designs including SRAM peripherals

Degradation in FPGAs: Monitoring, Modeling and Mitigation

This dissertation targets the transistor aging degradation as well as the associated thermal challenges in FPGAs (since there is an exponential relation between aging and chip temperature). The main objectives are to perform experimentation, analysis and device-level model abstraction for modeling the degradation in FPGAs, then to monitor the FPGA to keep track of aging rates and ultimately to propose an aging-aware FPGA design flow to mitigate the aging