Cross-Layer Resiliency Modeling and Optimization: A Device to Circuit Approach

The never ending demand for higher performance and lower power consumption pushes the VLSI industry to further scale the technology down. However, further downscaling of technology at nano-scale leads to major challenges. Reduced reliability is one of them, arising from multiple sources e.g. runtime variations, process variation, and transient errors. The objective of this thesis is to tackle unreliability with a cross layer approach from device up to circuit level

Defect Induced Aging and Breakdown in High-k Dielectrics

abstract: High-k dielectrics have been employed in the metal-oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) since 45 nm technology node. In this MOSFET industry, Moore’s law projects the feature size of MOSFET scales half within every 18 months. Such scaling down theory has not only led to the physical limit of manufacturing but also raised the reliability issues in MOSFETs. After the incorporation of HfO2 based high-k dielectrics, the stacked oxides based gate insulator is facing rather challenging reliability issues due to the vulnerable HfO2 layer, ultra-thin interfacial SiO2 layer, and even messy interface between SiO2 and HfO2. Bias temperature instabilities (BTI), hot channel electrons injections (HCI), stress-induced leakage current (SILC), and time dependent dielectric breakdown (TDDB) are the four most prominent reliability challenges impacting the lifetime of the chips under use. In order to fully understand the origins that could potentially challenge the reliability of the MOSFETs the defects induced aging and breakdown of the high-k dielectrics have been profoundly investigated here. BTI aging has been investigated to be related to charging effects from the bulk oxide traps and generations of Si-H bonds related interface traps. CVS and RVS induced dielectric breakdown studies have been performed and investigated. The breakdown process is regarded to be related to oxygen vacancies generations triggered by hot hole injections from anode. Post breakdown conduction study in the RRAM devices have shown irreversible characteristics of the dielectrics, although the resistance could be switched into high resistance state.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

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

Towards Energy-Efficient and Reliable Computing: From Highly-Scaled CMOS Devices to Resistive Memories

The continuous increase in transistor density based on Moore\u27s Law has led us to highly scaled Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) technologies. These transistor-based process technologies offer improved density as well as a reduction in nominal supply voltage. An analysis regarding different aspects of 45nm and 15nm technologies, such as power consumption and cell area to compare these two technologies is proposed on an IEEE 754 Single Precision Floating-Point Unit implementation. Based on the results, using the 15nm technology offers 4-times less energy and 3-fold smaller footprint. New challenges also arise, such as relative proportion of leakage power in standby mode that can be addressed by post-CMOS technologies. Spin-Transfer Torque Random Access Memory (STT-MRAM) has been explored as a post-CMOS technology for embedded and data storage applications seeking non-volatility, near-zero standby energy, and high density. Towards attaining these objectives for practical implementations, various techniques to mitigate the specific reliability challenges associated with STT-MRAM elements are surveyed, classified, and assessed herein. Cost and suitability metrics assessed include the area of nanomagmetic and CMOS components per bit, access time and complexity, Sense Margin (SM), and energy or power consumption costs versus resiliency benefits. In an attempt to further improve the Process Variation (PV) immunity of the Sense Amplifiers (SAs), a new SA has been introduced called Adaptive Sense Amplifier (ASA). ASA can benefit from low Bit Error Rate (BER) and low Energy Delay Product (EDP) by combining the properties of two of the commonly used SAs, Pre-Charge Sense Amplifier (PCSA) and Separated Pre-Charge Sense Amplifier (SPCSA). ASA can operate in either PCSA or SPCSA mode based on the requirements of the circuit such as energy efficiency or reliability. Then, ASA is utilized to propose a novel approach to actually leverage the PV in Non-Volatile Memory (NVM) arrays using Self-Organized Sub-bank (SOS) design. SOS engages the preferred SA alternative based on the intrinsic as-built behavior of the resistive sensing timing margin to reduce the latency and power consumption while maintaining acceptable access time

Cache memory design in the FinFET era

The major problem in the future technology scaling is the variations in process parameters that are interpreted as imperfections in the development process. Moreover, devices are more sensitive to the environmental changes of temperature and supply volt- age as well as to ageing. All these influences are manifested in the integrated circuits as increased power consumption, reduced maximal operating frequency and increased number of failures. These effects have been partially overcome with the introduction of the FinFET technology which have solved the problem of variability caused by Random Dopant Fluctuations. However, in the next ten years channel length is projected to shrink to 10nm where the variability source generated by Line Edge Roughness will dominate, and its effects on the threshold voltage variations will become critical. The embedded memories with their cells as the basic building unit are the most prone to these effects due to their the smallest dimensions. Because of that, memories should be designed with particular care in order to make possible further technology scaling. This thesis explores upcoming 10nm FinFETs and the existing issues in the cache memory design with this technology. More- over, it tries to present some original and novel techniques on the different level of design abstraction for mitigating the effects of process and environmental variability. At first original method for simulating variability of Tri-Gate Fin- FETs is presented using conventional HSPICE simulation environment and BSIM-CMG model cards. When that is accomplished, thorough characterisation of traditional SRAM cell circuits (6T and 8T) is performed. Possibility of using Independent Gate FinFETs for increasing cell stability has been explored, also. Gain Cells appeared in the recent past as an attractive alternative for in the cache memory design. This thesis partially explores this idea by presenting and performing detailed circuit analysis of the dynamic 3T gain cell for 10nm FinFETs. At the top of this work, thesis shows one micro-architecture optimisation of high-speed cache when it is implemented by 3T gain cells. We show how the cache coherency states can be used in order to reduce refresh energy of the memory as well as reduce memory ageing.El principal problema de l'escalat la tecnologia són les variacions en els paràmetres de disseny (imperfeccions) durant procés de fabricació. D'altra banda, els dispositius també són més sensibles als canvis ambientals de temperatura, la tensió d'alimentació, així com l'envelliment. Totes aquestes influències es manifesten en els circuits integrats com l'augment de consum d'energia, la reducció de la freqüència d'operació màxima i l'augment del nombre de xips descartats. Aquests efectes s'han superat parcialment amb la introducció de la tecnologia FinFET que ha resolt el problema de la variabilitat causada per les fluctuacions de dopants aleatòries. No obstant això, en els propers deu anys, l'ample del canal es preveu que es reduirà a 10nm, on la font de la variabilitat generada per les rugositats de les línies de material dominarà, i els seu efecte en les variacions de voltatge llindar augmentarà. Les memòries encastades amb les seves cel·les com la unitat bàsica de construcció són les més propenses a sofrir aquests efectes a causa de les seves dimensions més petites. A causa d'això, cal dissenyar les memòries amb una especial cura per tal de fer possible l'escalat de la tecnologia. Aquesta tesi explora la tecnologia de FinFETs de 10nm i els problemes existents en el disseny de memòries amb aquesta tecnologia. A més a més, presentem noves tècniques originals sobre diferents nivells d'abstracció del disseny per a la mitigació dels efectes les variacions tan de procés com ambientals. En primer lloc, presentem un mètode original per a la simulació de la variabilitat de Tri-Gate FinFETs usant entorn de simulació HSPICE convencional i models de tecnologia BSIMCMG. Després, es realitza la caracterització completa dels circuits de cel·les SRAM tradicionals (6T i 8T) conjuntament amb l'ús de Gate-independent FinFETs per augmentar l'estabilitat de la cèl·lula

DC-Patch: A Microarchitectural Fault Patching Technique for GPU Register Files

The ever-increasing parallelism demand of General-Purpose Graphics Processing Unit (GPGPU) applications pushes toward larger and more energy-hungry register files in successive GPU generations. Reducing the supply voltage beyond its safe limit is an effective way to improve the energy efficiency of register files. However, at these operating voltages, the reliability of the circuit is compromised. This work aims to tolerate permanent faults from process variations in large GPU register files operating below the safe supply voltage limit. To do so, this paper proposes a microarchitectural patching technique, DC-Patch, exploiting the inherent data redundancy of applications to compress registers at run-time with neither compiler assistance nor instruction set modifications. Instead of disabling an entire faulty register file entry, DC-Patch leverages the reliable cells within a faulty entry to store compressed register values. Experimental results show that, with more than a third of faulty register entries, DC-Patch ensures a reliable operation of the register file and reduces the energy consumption by 47% with respect to a conventional register file working at nominal supply voltage. The energy savings are 21% compared to a voltage noise smoothing scheme operating at the safe supply voltage limit. These benefits are obtained with less than 2 and 6% impact on the system performance and area, respectively

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

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

耐ソフトエラーラッチにおける欠陥の分析、検出及び評価に関する研究

The development of modern integrated circuits (ICs) has greatly changed the life of humankind. Nowadays, IC s are also indispensable to mission-critical applications, such as medical devices, autonomous cars, aircraft navigating systems, and satellites. The reliability of these mission-critical applications is a major concern. A soft-error occurring in an IC is a severe threat to its reliability, especially for mission-critical applications. The continuous trend of shrinking technology feature sizes makes modern ICs more and more vulnerable to soft errors. Soft-errors are caused by radiation particles striking an IC and generating current pulses to disturb its functionality. A soft-error can cause data corruption and may eventually lead to system failure s If a soft-error occurs in an operational medical device during surgery, it may cause a malfunction of this device and interrupt the surgery process. A soft-error may change the control data of an autonomous car which may lead to an accident. A soft-error may corrupt the aircraft navigating systems. No one would take the chance to let it happen even though malfunction s caused by soft errors can be solved by resetting these devices. Because reset takes time and severe results may happen during the resetting. If a soft-error causes a malfunction in the control system of a satellite, it may not be able to maintain its height and eventually burn up as it falls into the Earth’s atmosphere. Hence, it is important to protect ICs from soft errors. Many soft-error tolerance methods have been proposed to protect ICs against soft-errors. In an IC, memory elements and storage elements (e.g., latches and flip flops) are the most vulnerable to soft-errors, and data stored in them are crucial to the operation of a circuit. Error correction codes (ECCs) can be u sed to protect memories. Register-level soft-error tolerance methods can be used to detect soft-errors in latches by using parity checking and correct them by resetting. Hardened designs protect latches against soft-errors by using redundant feedback loops to store the same input data and using a voter to select the correct output. The advantage of using hardened designs is that they can prevent soft-errors from reaching outputs while ECCs and register-level soft-error tolerance methods must detect soft-errors and then correct them by restoring the data. For protecting storage elements in mission-critical applications, hardened latch design is the best option because it has high reliability and can save the resetting time. Many state-of-the-art hardened latch designs have been proposed to tolerate soft errors and they are believed to have good soft-error tolerability. Defects (physical flaws due to imperfect production (production defects) and physical changes caused by aging effects after a long operation time (aging-related defects) can also cause a malfunction of a circuit and cause a system failure eventually. Different from the temporal state change of a circuit caused by soft errors, defects are permanent damages to a circuit and can disturb the behavior of a circuit from its desired manner. Defects in storage elements should be detected to make sure a system/device operating correctly and stably. Scan test is a commonly used defect detection method, which connects reconfigured storage elements to form a shift register with external access and the internal states of these storage elements can be easily controlled and checked. However, the impact of defects on existing state of the art hardened latch design has not been considered. This impact requires consideration because added redundancy in hardened latch designs can not only mask soft-errors but also mask the effects of defects and it can lead to two serious problems: Problem-1 (Low Testability): Production defects in hardened latch designs are difficult to detect with conventional scan tests, in which the observability (an important metric to evaluate a circuit’s testability) of defects in hardened latch designs can be greatly reduced. Therefore, existing state-of-the-art hardened latches have low observability and thus low testability. Furthermore, defects that escaped the production test (undetected defects) may become more and more serious and cause a system failure eventually. Problem-2 (Low Soft-Error Tolerability): Undetected defects and aging-related defects can make hardened latch designs vulnerable to soft-errors while defect-free ones do not. The soft-error tolerability of hardened latch designs may be compromise d by undetected defects or aging related defects. This research is the first to consider Problem-1 of low testability of hardened latches and Problem-2 of defects reducing the reliability of hardened latches. Furthermore, this research is the first to pro pose a comprehensive solution to solve these two problems with the following five major contributions: Contribution-1: A first of its kind metric for quantifying the impact of defects on hardened latches, called Post-Test Vulnerability Factor (PTVF). It is used to analyze the residual soft-error tolerability of hardened latches after testing. Problem-2 is solved by this first major contribution. Contribution-2: A novel design called Scan-Test-Aware Hardened Latch (STAHL) that provides the highest defect coverage in comparison with all existing hardened latches. Problem-1 is solved by using STAHL to build a scan c ell to perform a scan test. Contribution-3: A novel scan test procedure is proposed to solve Problem-1 by fully testing the STAHL based scan cell. Contribution-4: A novel High-Performance Scan-Test-Aware Hardened Latch (HP-STAHL) design can also solve Problem-1 and has similar defect coverage as STAHL but has lower power consumption and higher propagation speed. Contribution-5: A novel scan test procedure is proposed to fully test the HP STAHL-based scan cell to solve Problem-1. Comprehensive simulation results demonstrate the accuracy of the PTVF metric and the effectiveness of the STAHL-based scan test and HP-STAHL-based scan test. As the first comprehensive study bridging the gap between hardened latch design s and IC testing, the findings of this research are expected to significantly improve the soft-error-related reliability of IC designs for mission-critical applications. Furthermore, the two proposed hardened latches and the scan test procedures can not only be use d to detect defects after production but also can be applied to detect aging related defects in the field through performing built-in self-test (BIST). In Chapter 1, an example is introduced to indicate Problem-1 and Problem-2. Chapter 2 shows the background information of soft-errors and defects. Chapter 3 shows some typical soft-error mitigation methods and details of a scan test. Chapter 4 describes the detailed information of PTVF Contribution-1). Chapter 5 shows the structure of STAHL (Contribution-2) and Chapter 6 shows the scan test procedure of testing the STAHL-based scan cell (Contribution-3). Chapter 7 shows the structure of HP-STAHL (Contribution-4) and Chapter 8 shows the scan test procedure of testing the HP-STAHL based scan cell (Contribution-5). Chapter 9 shows the experimental results of comparing STAHL and HP-STAHL with state-of-the-art hardened latch designs. Chapter 10 concludes this thesis.九州工業大学博士学位論文 学位記番号：情工博甲第371号 学位授与年月日：令和4年9月26日1. Introduction|2. Background|3. Related Works|4. Post-Test Vulnerability Factor (PTVF)|5. Scan-Test Aware Hardened Latch (STAHL)|6. Scan Test Based on STAHL|7. High Performance Scan-Test-Aware Hardened Latch (HP STAHL)|8. Scan Test Based on HP STAHL|9. Experimental Evaluation|10. Conclusions and Future Works九州工業大学令和4年