IC design for reliability

textAs the feature size of integrated circuits goes down to the nanometer scale, transient and permanent reliability issues are becoming a significant concern for circuit designers. Traditionally, the reliability issues were mostly handled at the device level as a device engineering problem. However, the increasing severity of reliability challenges and higher error rates due to transient upsets favor higher-level design for reliability (DFR). In this work, we develop several methods for DFR at the circuit level. A major source of transient errors is the single event upset (SEU). SEUs are caused by high-energy particles present in the cosmic rays or emitted by radioactive contaminants in the chip packaging materials. When these particles hit a N+/P+ depletion region of an MOS transistor, they may generate a temporary logic fault. Depending on where the MOS transistor is located and what state the circuit is at, an SEU may result in a circuit-level error. We analyze SEUs both in combinational logic and memories (SRAM). For combinational logic circuit, we propose FASER, a Fast Analysis tool of Soft ERror susceptibility for cell-based designs. The efficiency of FASER is achieved through its static and vector-less nature. In order to evaluate the impact of SEU on SRAM, a theory for estimating dynamic noise margins is developed analytically. The results allow predicting the transient error susceptibility of an SRAM cell using a closedform expression. Among the many permanent failure mechanisms that include time-dependent oxide breakdown (TDDB), electro-migration (EM), hot carrier effect (HCE), and negative bias temperature instability (NBTI), NBTI has recently become important. Therefore, the main focus of our work is NBTI. NBTI occurs when the gate of PMOS is negatively biased. The voltage stress across the gate generates interface traps, which degrade the threshold voltage of PMOS. The degraded PMOS may eventually fail to meet timing requirement and cause functional errors. NBTI becomes severe at elevated temperatures. In this dissertation, we propose a NBTI degradation model that takes into account the temperature variation on the chip and gives the accurate estimation of the degraded threshold voltage. In order to account for the degradation of devices, traditional design methods add guard-bands to ensure that the circuit will function properly during its lifetime. However, the worst-case based guard-bands lead to significant penalty in performance. In this dissertation, we propose an effective macromodel-based reliability tracking and management framework, based on a hybrid network of on-chip sensors, consisting of temperature sensors and ring oscillators. The model is concerned specifically with NBTIinduced transistor aging. The key feature of our work, in contrast to the traditional tracking techniques that rely solely on direct measurement of the increase of threshold voltage or circuit delay, is an explicit macromodel which maps operating temperature to circuit degradation (the increase of circuit delay). The macromodel allows for costeffective tracking of reliability using temperature sensors and is also essential for enabling the control loop of the reliability management system. The developed methods improve the over-conservatism of the device-level, worstcase reliability estimation techniques. As the severity of reliability challenges continue to grow with technology scaling, it will become more important for circuit designers/CAD tools to be equipped with the developed methods.Electrical and Computer Engineerin

Thermal Management for Dependable On-Chip Systems

This thesis addresses the dependability issues in on-chip systems from a thermal perspective. This includes an explanation and analysis of models to show the relationship between dependability and tempature. Additionally, multiple novel methods for on-chip thermal management are introduced aiming to optimize thermal properties. Analysis of the methods is done through simulation and through infrared thermal camera measurements

A survey of system level power management schemes in the dark-silicon era for many-core architectures

Power consumption in Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) technology has escalated to a point that only a fractional part of many-core chips can be powered-on at a time. Fortunately, this fraction can be increased at the expense of performance through the dark-silicon solution. However, with many-core integration set to be heading towards its thousands, power consumption and temperature increases per time, meaning the number of active nodes must be reduced drastically. Therefore, optimized techniques are demanded for continuous advancement in technology. Existing efforts try to overcome this challenge by activating nodes from different parts of the chip at the expense of communication latency. Other efforts on the other hand employ run-time power management techniques to manage the power performance of the cores trading-off performance for power. We found out that, for a significant amount of power to saved and high temperature to be avoided, focus should be on reducing the power consumption of all the on-chip components. Especially, the memory hierarchy and the interconnect. Power consumption can be minimized by, reducing the size of high leakage power dissipating elements, turning-off idle resources and integrating power saving materials

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

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

FPGA Energy Efficiency by Leveraging Thermal Margin

Cutting edge FPGAs are not energy efficient as conventionally presumed to be, and therefore, aggressive power-saving techniques have become imperative. The clock rate of an FPGA-mapped design is set based on worst-case conditions to ensure reliable operation under all circumstances. This usually leaves a considerable timing margin that can be exploited to reduce power consumption by scaling voltage without lowering clock frequency. There are hurdles for such opportunistic voltage scaling in FPGAs because (a) critical paths change with designs, making timing evaluation difficult as voltage changes, (b) each FPGA resource has particular power-delay trade-off with voltage, (c) data corruption of configuration cells and memory blocks further hampers voltage scaling. In this paper, we propose a systematical approach to leverage the available thermal headroom of FPGA-mapped designs for power and energy improvement. By comprehensively analyzing the timing and power consumption of FPGA building blocks under varying temperatures and voltages, we propose a thermal-aware voltage scaling flow that effectively utilizes the thermal margin to reduce power consumption without degrading performance. We show the proposed flow can be employed for energy optimization as well, whereby power consumption and delay are compromised to accomplish the tasks with minimum energy. Lastly, we propose a simulation framework to be able to examine the efficiency of the proposed method for other applications that are inherently tolerant to a certain amount of error, granting further power saving opportunity. Experimental results over a set of industrial benchmarks indicate up to 36% power reduction with the same performance, and 66% total energy saving when energy is the optimization target.Comment: Accepted in IEEE International Conference on Computer Design (ICCD) 201

Simulation study of scaling design, performance characterization, statistical variability and reliability of decananometer MOSFETs

This thesis describes a comprehensive, simulation based scaling study – including device design, performance characterization, and the impact of statistical variability – on deca-nanometer bulk MOSFETs. After careful calibration of fabrication processes and electrical characteristics for n- and p-MOSFETs with 35 nm physical gate length, 1 nm EOT and stress engineering, the simulated devices closely match the performance of contemporary 45 nm CMOS technologies. Scaling to 25 nm, 18 nm and 13 nm gate length n and p devices follows generalized scaling rules, augmented by physically realistic constraints and the introduction of high-k/metal-gate stacks. The scaled devices attain the performance stipulated by the ITRS. Device a.c. performance is analyzed, at device and circuit level. Extrinsic parasitics become critical to nano-CMOS device performance. The thesis describes device capacitance components, analyzes the CMOS inverter, and obtains new insights into the inverter propagation delay in nano-CMOS. The projection of a.c. performance of scaled devices is obtained. The statistical variability of electrical characteristics, due to intrinsic parameter fluctuation sources, in contemporary and scaled decananometer MOSFETs is systematically investigated for the first time. The statistical variability sources: random discrete dopants, gate line edge roughness and poly-silicon granularity are simulated, in combination, in an ensemble of microscopically different devices. An increasing trend in the standard deviation of the threshold voltage as a function of scaling is observed. The introduction of high-k/metal gates improves electrostatic integrity and slows this trend. Statistical evaluations of variability in Ion and Ioff as a function of scaling are also performed. For the first time, the impact of strain on statistical variability is studied. Gate line edge roughness results in areas of local channel shortening, accompanied by locally increased strain, both effects increasing the local current. Variations are observed in both the drive current, and in the drive current enhancement normally expected from the application of strain. In addition, the effects of shallow trench isolation (STI) on MOSFET performance and on its statistical variability are investigated for the first time. The inverse-narrow-width effect of STI enhances the current density adjacent to it. This leads to a local enhancement of the influence of junction shapes adjacent to the STI. There is also a statistical impact on the threshold voltage due to random STI induced traps at the silicon/oxide interface

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