Physics-Based Electromigration Modeling and Analysis and Optimization

Long-term reliability is a major concern in modern VLSI design. Literature has shown that reliability gets worse as technology advances. It is expected that the future VLSI systems would have shorter reliability-induced lifetime comparing with previous generations. Being one of the most serious reliability effects, electromigration (EM) is a physical phenomenon of the migration of metal atoms due to the momentum exchange between atoms and the conducting electrons. It can cause wire resistance change or open circuit and result in functional failure of the circuit. Power-ground networks are the most vulnerable part to EM effect among all the interconnect wires since the current flow on this part is the largest on the chip. With new generation oftechnology node and aggressive design strategies, more accurate and efficient EM models are required. However, traditional EM approaches are very conservative and cannot meet current aggressive design strategies. Besides circuit level, EM also need to be thoroughly studied in system level due to limited power and temperature budgets among cores on chip. This research focuses on developing physical level EM model for VLSI circuits and system level EM optimization for multi-core systems in order to overcome the aforementioned problems. Specifically, for physical level, we develop two EM immortality check methods and a power grid EM check method. Firstly, a voltage based EM immortality analysis has been developed. Immortality condition in nucleation phase can be determined fast and accurately for multi-segment interconnect wires. Secondly, a saturation volume based incubation phase immortality check method has been proposed. This method can further reduce the redundancy in VLSI circuit design by immortality check in multiphase. Furthermore, both immortality check methods are integrated into a new power grid EM check methodology (EMspice) as filter for EM analysis. These filters can accelerate the simulation by filtering out immortal trees so that we only need to do simulation on fewer trees that are mortal. Coupled EM simulation considering both hydrostatic stress and electronic current/voltage in the power grid network will be applied to these mortal trees. This tool can work seamlessly with commercial synthesis flow. Besides physical level reliability models, system level reliability optimization is also discussed in this research. A deep reinforcement learning based EM optimization has been proposed for multi-core system. Both long term reliability effect (hard error) and transient soft error are considered. Energy can be optimized with all the reliability and other constraints fast and accurately compared to existing reliability management techniques. Last but not least, a scheduling based reliability optimization method for multi-core systems has been proposed. NBTI, HCI and EM are considered jointly. Lifetime of the system can be improved significantly compared to traditional methods which mainly focus on utilization

Addressing Computational Complexity of High Speed Distributed Circuits Using Model Order Reduction

Advanced in the fabrication technology of integrated circuits (ICs) over the last couple of years has resulted in an unparalleled expansion of the functionality of microelectronic systems. Today’s ICs feature complex deep-submicron mixed-signal designs and have found numerous applications in industry due to their lower manufacturing costs and higher performance levels. The tendency towards smaller feature sizes and increasing clock rates is placing higher demands on signal integrity design by highlighting previously negligible interconnect effects such as distortion, reflection, ringing, delay, and crosstalk. These effects if not predicted in the early stages of the design cycle can severely degrade circuit performance and reliability. The objective of this thesis is to develop new model order reduction (MOR) techniques to minimize the computational complexity of non-linear circuits and electronic systems that have delay elements. MOR techniques provide a mechanism to generate reduced order models from the detailed description of the original modified nodal analysis (MNA) formulation. The following contributions are made in this thesis: 1. The first project presents a methodology for reduction of Partial Element Equivalent Circuit (PEEC) models. PEEC method is widely used in electromagnetic compatibility and signal integrity problems in both the time and frequency domains. The PEEC model with retardation has been applied to 3-D analysis but often result in large and dense matrices, which are computationally expensive to solve. In this thesis, a new moment matching technique based on Multi-order Arnoldi is described to model PEEC networks with retardation. 2. The second project deals with developing an efficient model order reduction algorithm for simulating large interconnect networks with nonlinear elements. The proposed methodology is based on a multidimensional subspace method and uses constraint equations to link the nonlinear elements and biasing sources to the reduced order model. This approach significantly improves the simulation time of distributed nonlinear systems, since additional ports are not required to link the nonlinear elements to the reduced order model, yielding appreciable savings in the size of the reduced order model and computational time. 3. A parameterized reduction technique for nonlinear systems is presented. The proposed method uses multidimensional subspace and variational analysis to capture the variances of design parameters and approximates the weakly nonlinear functions as a Taylor series. An SVD approach is presented to address the efficiency of reduced order model. The proposed methodology significantly improves the simulation time of weakly nonlinear systems since the size of the reduced system is smaller than the original system and a new reduced model is not required each time a design parameter is changed

Electric field-induced directed assembly of diblock copolymers and grain boundary grooving in metal interconnects

Das Anlegen eines elektrischen Feldes an Materialien hat eine faszinierende Wirkung. Unterschiedliche Werkstoffklassen sind einem externen elektrischen Feld entweder als ein Teil der Verarbeitung oder aufgrund der alleinigen Applikation ausgesetzt. Wenn das elektrische Feld für die Verarbeitung verwendet wird, kann dieses die Mikrostruktur in Metallen, Legierungen, Keramiken und Polymeren verändern, wodurch die physikalischen Eigenschaften verändert werden. Alternativ können mehrere Einsatzmöglichkeiten wie beispielsweise der Einsatz in elektronischen Geräten dazu führen, dass Materialien als Komponenten verwendet werden, die täglich intensiven Stromstärken ausgesetzt sind. Eine ständige Verlagerung der Atome kann zu Fehlern im offenen Stromkreis führen, wodurch die Zuverlässigkeit des gesamten Geräts beeinträchtigt wird. Mit Hilfe der Phasenfeldmethode wird in der vorliegenden Dissertation jeweils ein Anwendungsfall untersucht, in dem das elektrische Feld entweder positive oder negative Folgen haben kann. Im ersten Teil der Arbeit wird ein diffuses Grenzflächenmodell entwickelt und für die Untersuchung der gerichteten Selbstorganisation von symmetrischen Diblock-Copolymeren verwendet, die gleichzeitig durch das elektrische Feld, die Substrataffinität und die Beschränkung beeinflusst werden. Es werden verschiedene beschränkende Geometrien untersucht und eine Reihe an Phasendiagrammen für unterschiedliche Schichtdicken charakterisiert, die das Verhältnis zwischen dem elektrischen Feld und der Substratstärke zeigen. Zusätzlich zu der Ermittlung der vorhandenen parallelen, senkrechten und gemischten Lamellenphasen findet man, ähnlich wie bei den vorausgegangenen analytischen Berechnungen und experimentellen Beobachtungen, auch einen Bereich im Phasendiagramm, der einem Lamellenabstand der Größe eines halben Integrals entspricht, in dem hybride Morphologien wie Benetzungsschichten in der Nachbarschaft des Substrats koexistieren, die entweder Löcher in der Mitte der Schicht oder senkrechte zylinderförmige Bereiche aufweisen. Des Weiteren wird die Untersuchung auf drei Dimensionen erweitert, in denen die letztgenannte Morphologie als eine hexagonal perforierte (HPL) Lamellenphase charakterisiert wird. Erstmals wird gezeigt, dass durch ein elektrisches Feld ein Ordnungs-Ordnungs-übergang von einer Lamellenphase zu einer HPL-Phase hervorgerufen werden kann. Außerdem zeigt der kinetische Verlauf des Übergangs, dass es sich bei den perforierten Lamellen, die während des Übergangs von parallelen zu senkrechten Lamellen in Dünnschichten entstehen, um Zwischenstrukturen handelt. Im Folgenden werden verschiedene Beschädigungsarten erläutert, die aufgrund der Elektromigration (EM) in Nanoverbindungen durch die Rille der Korngrenze verursacht werden. Dazu wird ein einkomponentiges, polykristallines Phasenfeldmodell verwendet, das die Windstärke der Elektronen berücksichtigt. Das Modell und dessen numerische Umsetzung wird erst mit der scharfen Grenzflächentheorie von Mullins verglichen, bei der die thermische Rillenbildung durch Oberflächendiffusion vermittelt wird. Anschließend wird gezeigt, dass die Art der durch die fortschreitende Elektromigration verursachten Schädigung stark durch einen Fluss durch Grenzflächen beeinträchtigt werden kann, der aufgrund der Elektromigration stattfindet. Ein schneller atomarer Transport entlang der Oberfläche führt zu einer formerhaltenden Versetzung der Oberfläche, während der Schaden durch einen schnelleren atomaren Transport durch Grenzflächen in Form von interkristallinen Schlitzen mit einer formerhaltenden Spitze lokalisiert wird. Durch die Phasenfeldsimulationen wird die Funktion von krümmungs- und EM-induzierten heilenden Strömungen entlang der Oberfläche weiter hervorgehoben, die die Rille wieder auffüllen und die Schadensausbreitung verzögern. Erstmals wird ein numerisches Modell erweitert, um die räumlich-zeitliche Schadenseinleitung, die Ausbreitung, die Selbstheilung und die Kornvergröberung in dreidimensionalen Verbindungen zu untersuchen. Anschließend zeigt ein kritischer Vergleich der aus der scharfen Grenzflächenmethode und der Phasenfeldmethode gewonnenen Lösungen bezüglich der Rillenbildung, dass sowohl bei der Ermittlung der Rillenformen als auch beim Verlauf der Schadensart erhebliche Fehler entstehen können, wenn der durch die Elektromigration induzierte Oberflächenfluss in den Theorien der scharfen Grenzflächen nicht berücksichtigt wird. Zur Beseitigung der Diskrepanzen wird schließlich ein neues scharfes Grenzflächenmodell für finite Körner formuliert, das die zeitgleiche Kapillarwirkung und den durch die Elektromigration induzierten Oberflächen- und Grenzflächenfluss berücksichtigt. Die mit dem neuen Modell getroffenen Vorhersagen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit dem Phasenfeldmodell. Durch die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit wird die Durchführbarkeit und Anwendbarkeit der Phasenfeldmethode in Bezug auf die Erfassung der erforderlichen Physik des Problems und in Bezug auf die Bewältigung der mikrostrukturellen Entwicklung effizient und elegant in einem Phänomen verdeutlicht, das durch ein elektrisches Feld verursacht wird

Properties and numerical solutions of dispersion curves in general isotropic waveguides

In this paper, some properties of dispersion curves in general isotropic piecewise homogeneous waveguides are rigorously derived. These properties are leveraged in a numerical implementation capable of determining the dispersion curves of such waveguides with cross-section materials that can be highly conductive (such as copper). In a numerical example, the influence of a lossy shielding conductor on the complex modes of a shielded dielectric image guide is investigated for the first time

Infrared Energy Harvesting for Optoplasmonics from Nanostructured Metamaterials

Metamaterials exhibit unique optical resonance characteristics which permit precise engineering of energy pathways within a device. The ability of plasmonic nanostructures to guide electromagnetism offers a platform to reduce global dependence on fossil fuels by harvesting waste heat, which comprises 60% of generated energy around the world. Plasmonic metamaterials were hypothesized to support an exchange of energy between resonance modes, enabling generation of higher energy photons from waste infrared energy. Infrared irradiation of a metamaterial at the Fano coupling lattice resonance was anticipated to re-emit as higher energy visible light at the plasmon resonance. Photonic signals from harvested thermal energy could be used to power wearable medical monitors or off-grid excursions, for example. This thesis developed the design, fabrication, and characterization methods to realize nanostructured metamaterials which permit resonance exchange for infrared energy harvesting applications

Electromagnetic Wave Theory and Applications

Contains table of contents for Section 3, reports on six research projects and a list of publications and conference papers.Joint Services Electronics Program Contract DAAL03-89-C-0001National Science Foundation Grant ECS 86-20029Schlumberger- Doll ResearchU.S. Army Research Office Contract DAAL03 88-K-0057U.S. Navy - Office of Naval Research Contract N00014-90-J-1002National Aeronautics and Space Administration Grant NAGW-1617U.S. Navy - Office of Naval Research Grant N00014-89-J-1107National Aeronautics and Space Administration Grant NAGW-1272National Aeronautics and Space Administration Agreement 958461U.S. Army - Corps of Engineers Contract DACA39-87-K-0022U.S. Air Force - Electronic Systems Division Contract F19628-88-K-0013U.S. Navy - Office of Naval Research Grant N00014-89-J-1019Digital Equipment CorporationIBM CorporationU.S. Department of Transportation Contract DTRS-57-88-C-00078Defence Advanced Research Projects Agency Contract MDA972-90-C-002

Modelling of Solid Oxide Fuel Cell - Multi Scaling Modelling of the Planar SOFC

Different perspectives for multi scale modeling of the planar SOFC are presented in this thesis using extensive studies. An improved dynamic plug flow reactor model for physically characterizing the Faradic and electrolyte current densities was developed. A new dynamic tank in series reactor model for accelerating 2D visualization of the steady state and dynamic performances was introduced. Finally, a 3D CFD model was established in collaboration with Ceramic Fuel Cells Ltd. Melbourne