FDSOI Design using Automated Standard-Cell-Grained Body Biasing

With the introduction of FDSOI processes at competitive technology nodes, body biasing on an unprecedented scale was made possible. Body biasing influences one of the central transistor characteristics, the threshold voltage. By being able to heighten or lower threshold voltage by more than 100mV, the very physics of transistor switching can be manipulated at run time. Furthermore, as body biasing does not lead to different signal levels, it can be applied much more fine-grained than, e.g., DVFS. With the state of the art mainly focused on combinations of body biasing with DVFS, it has thus ignored granularities unfeasible for DVFS. This thesis fills this gap by proposing body bias domain partitioning techniques and for body bias domain partitionings thereby generated, algorithms that search for body bias assignments. Several different granularities ranging from entire cores to small groups of standard cells were examined using two principal approaches: Designer aided pre-partitioning based determination of body bias domains and a first-time, fully automatized, netlist based approach called domain candidate exploration. Both approaches operate along the lines of activation and timing of standard cell groups. These approaches were evaluated using the example of a Dynamically Reconfigurable Processor (DRP), a highly efficient category of reconfigurable architectures which consists of an array of processing elements and thus offers many opportunities for generalization towards many-core architectures. Finally, the proposed methods were validated by manufacturing a test-chip. Extensive simulation runs as well as the test-chip evaluation showed the validity of the proposed methods and indicated substantial improvements in energy efficiency compared to the state of the art. These improvements were accomplished by the fine-grained partitioning of the DRP design. This method allowed reducing dynamic power through supply voltage levels yielding higher clock frequencies using forward body biasing, while simultaneously reducing static power consumption in unused parts.Die Einführung von FDSOI Prozessen in gegenwärtigen Prozessgrößen ermöglichte die Nutzung von Substratvorspannung in nie zuvor dagewesenem Umfang. Substratvorspannung beeinflusst unter anderem eine zentrale Eigenschaft von Transistoren, die Schwellspannung. Mittels Substratvorspannung kann diese um mehr als 100mV erhöht oder gesenkt werden, was es ermöglicht, die schiere Physik des Schaltvorgangs zu manipulieren. Da weiterhin hiervon der Signalpegel der digitalen Signale unberührt bleibt, kann diese Technik auch in feineren Granularitäten angewendet werden, als z.B. Dynamische Spannungs- und Frequenz Anpassung (Engl. Dynamic Voltage and Frequency Scaling, Abk. DVFS). Da jedoch der Stand der Technik Substratvorspannung hauptsächlich in Kombinationen mit DVFS anwendet, werden feinere Granularitäten, welche für DVFS nicht mehr wirtschaftlich realisierbar sind, nicht berücksichtigt. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke, indem sie Partitionierungsalgorithmen zur Unterteilung eines Entwurfs in Substratvorspannungsdomänen vorschlägt und für diese hierdurch unterteilten Domänen entsprechende Substratvorspannungen berechnet. Hierzu wurden verschiedene Granularitäten berücksichtigt, von ganzen Prozessorkernen bis hin zu kleinen Gruppen von Standardzellen. Diese Entwürfe wurden dann mit zwei verschiedenen Herangehensweisen unterteilt: Chipdesigner unterstützte, vorpartitionierungsbasierte Bestimmung von Substratvorspannungsdomänen, sowie ein erstmals vollautomatisierter, Netzlisten basierter Ansatz, in dieser Arbeit Domänen Kandidaten Exploration genannt. Beide Ansätze funktionieren nach dem Prinzip der Aktivierung, d.h. zu welchem Zeitpunkt welcher Teil des Entwurfs aktiv ist, sowie der Signallaufzeit durch die entsprechenden Entwurfsteile. Diese Ansätze wurden anhand des Beispiels Dynamisch Rekonfigurierbarer Prozessoren (DRP) evaluiert. DRPs stellen eine Klasse hocheffizienter rekonfigurierbarer Architekturen dar, welche hauptsächlich aus einem Feld von Rechenelementen besteht und dadurch auch zahlreiche Möglichkeiten zur Verallgemeinerung hinsichtlich Many-Core Architekturen zulässt. Schließlich wurden die vorgeschlagenen Methoden in einem Testchip validiert. Alle ermittelten Ergebnisse zeigen im Vergleich zum Stand der Technik drastische Verbesserungen der Energieeffizienz, welche durch die feingranulare Unterteilung in Substratvorspannungsdomänen erzielt wurde. Hierdurch konnten durch die Anwendung von Substratvorspannung höhere Taktfrequenzen bei gleicher Versorgungsspannung erzielt werden, während zeitgleich in zeitlich unkritischen oder ungenutzten Entwurfsteilen die statische Leistungsaufnahme minimiert wurde

A methodology for the design of dynamic accuracy operators by runtime back bias

Mobile and IoT applications must balance increasing processing demands with limited power and cost budgets. Approximate computing achieves this goal leveraging the error tolerance features common in many emerging applications to reduce power consumption. In particular, adequate (i.e., energy/quality-configurable) hardware operators are key components in an error tolerant system. Existing implementations of these operators require significant architectural modifications, hence they are often design-specific and tend to have large overheads compared to accurate units. In this paper, we propose a methodology to design adequate data-path operators in an automatic way, which uses threshold voltage scaling as a knob to dynamically control the power/accuracy tradeoff. The method overcomes the limitations of previous solutions based on supply voltage scaling, in that it introduces lower overheads and it allows fine-grain regulation of this tradeoff. We demonstrate our approach on a state-of-the-art 28nm FDSOI technology, exploiting the strong effect of back biasing on threshold voltage. Results show a power consumption reduction of as much as 39% compared to solutions based only on supply voltage scaling, at iso-accuracy

Design Techniques for Energy-Quality Scalable Digital Systems

Energy efficiency is one of the key design goals in modern computing. Increasingly complex tasks are being executed in mobile devices and Internet of Things end-nodes, which are expected to operate for long time intervals, in the orders of months or years, with the limited energy budgets provided by small form-factor batteries. Fortunately, many of such tasks are error resilient, meaning that they can toler- ate some relaxation in the accuracy, precision or reliability of internal operations, without a significant impact on the overall output quality. The error resilience of an application may derive from a number of factors. The processing of analog sensor inputs measuring quantities from the physical world may not always require maximum precision, as the amount of information that can be extracted is limited by the presence of external noise. Outputs destined for human consumption may also contain small or occasional errors, thanks to the limited capabilities of our vision and hearing systems. Finally, some computational patterns commonly found in domains such as statistics, machine learning and operational research, naturally tend to reduce or eliminate errors. Energy-Quality (EQ) scalable digital systems systematically trade off the quality of computations with energy efficiency, by relaxing the precision, the accuracy, or the reliability of internal software and hardware components in exchange for energy reductions. This design paradigm is believed to offer one of the most promising solutions to the impelling need for low-energy computing. Despite these high expectations, the current state-of-the-art in EQ scalable design suffers from important shortcomings. First, the great majority of techniques proposed in literature focus only on processing hardware and software components. Nonetheless, for many real devices, processing contributes only to a small portion of the total energy consumption, which is dominated by other components (e.g. I/O, memory or data transfers). Second, in order to fulfill its promises and become diffused in commercial devices, EQ scalable design needs to achieve industrial level maturity. This involves moving from purely academic research based on high-level models and theoretical assumptions to engineered flows compatible with existing industry standards. Third, the time-varying nature of error tolerance, both among different applications and within a single task, should become more central in the proposed design methods. This involves designing “dynamic” systems in which the precision or reliability of operations (and consequently their energy consumption) can be dynamically tuned at runtime, rather than “static” solutions, in which the output quality is fixed at design-time. This thesis introduces several new EQ scalable design techniques for digital systems that take the previous observations into account. Besides processing, the proposed methods apply the principles of EQ scalable design also to interconnects and peripherals, which are often relevant contributors to the total energy in sensor nodes and mobile systems respectively. Regardless of the target component, the presented techniques pay special attention to the accurate evaluation of benefits and overheads deriving from EQ scalability, using industrial-level models, and on the integration with existing standard tools and protocols. Moreover, all the works presented in this thesis allow the dynamic reconfiguration of output quality and energy consumption. More specifically, the contribution of this thesis is divided in three parts. In a first body of work, the design of EQ scalable modules for processing hardware data paths is considered. Three design flows are presented, targeting different technologies and exploiting different ways to achieve EQ scalability, i.e. timing-induced errors and precision reduction. These works are inspired by previous approaches from the literature, namely Reduced-Precision Redundancy and Dynamic Accuracy Scaling, which are re-thought to make them compatible with standard Electronic Design Automation (EDA) tools and flows, providing solutions to overcome their main limitations. The second part of the thesis investigates the application of EQ scalable design to serial interconnects, which are the de facto standard for data exchanges between processing hardware and sensors. In this context, two novel bus encodings are proposed, called Approximate Differential Encoding and Serial-T0, that exploit the statistical characteristics of data produced by sensors to reduce the energy consumption on the bus at the cost of controlled data approximations. The two techniques achieve different results for data of different origins, but share the common features of allowing runtime reconfiguration of the allowed error and being compatible with standard serial bus protocols. Finally, the last part of the manuscript is devoted to the application of EQ scalable design principles to displays, which are often among the most energy- hungry components in mobile systems. The two proposals in this context leverage the emissive nature of Organic Light-Emitting Diode (OLED) displays to save energy by altering the displayed image, thus inducing an output quality reduction that depends on the amount of such alteration. The first technique implements an image-adaptive form of brightness scaling, whose outputs are optimized in terms of balance between power consumption and similarity with the input. The second approach achieves concurrent power reduction and image enhancement, by means of an adaptive polynomial transformation. Both solutions focus on minimizing the overheads associated with a real-time implementation of the transformations in software or hardware, so that these do not offset the savings in the display. For each of these three topics, results show that the aforementioned goal of building EQ scalable systems compatible with existing best practices and mature for being integrated in commercial devices can be effectively achieved. Moreover, they also show that very simple and similar principles can be applied to design EQ scalable versions of different system components (processing, peripherals and I/O), and to equip these components with knobs for the runtime reconfiguration of the energy versus quality tradeoff

Optimization Tools for ConvNets on the Edge

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Mix-GEMM: An efficient HW-SW architecture for mixed-precision quantized deep neural networks inference on edge devices

Deep Neural Network (DNN) inference based on quantized narrow-precision integer data represents a promising research direction toward efficient deep learning computations on edge and mobile devices. On one side, recent progress of Quantization-Aware Training (QAT) frameworks aimed at improving the accuracy of extremely quantized DNNs allows achieving results close to Floating-Point 32 (FP32), and provides high flexibility concerning the data sizes selection. Unfortunately, current Central Processing Unit (CPU) architectures and Instruction Set Architectures (ISAs) targeting resource-constrained devices present limitations on the range of data sizes supported to compute DNN kernels.This paper presents Mix-GEMM, a hardware-software co-designed architecture capable of efficiently computing quantized DNN convolutional kernels based on byte and sub-byte data sizes. Mix-GEMM accelerates General Matrix Multiplication (GEMM), representing the core kernel of DNNs, supporting all data size combinations from 8- to 2-bit, including mixed-precision computations, and featuring performance that scale with the decreasing of the computational data sizes. Our experimental evaluation, performed on representative quantized Convolutional Neural Networks (CNNs), shows that a RISC-V based edge System-on-Chip (SoC) integrating Mix-GEMM achieves up to 1.3 TOPS/W in energy efficiency, and up to 13.6 GOPS in throughput, gaining from 5.3× to 15.1× in performance over the OpenBLAS GEMM frameworks running on a commercial RISC-V based edge processor. By performing synthesis and Place and Route (PnR) of the enhanced SoC in Global Foundries 22nm FDX technology, we show that Mix-GEMM only accounts for 1% of the overall area consumption.This research was supported by the ERDF Operational Program of Catalonia 2014-2020, with a grant from the Spanish State Research Agency [PID2019-107255GB] and with DRAC project [001-P-001723], by the grant [PID2019-107255G-C21] funded by MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033, by the Generalitat de Catalunya [2017-SGR-1328], and by Lenovo-BSC Contract-Framework (2020). The Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness has partially supported M. Doblas through an FPU fellowship [FPU20-04076] and M. Moreto through a Ramon y Cajal fellowship [RYC-2016-21104].Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Optimization Techniques for Parallel Programming of Embedded Many-Core Computing Platforms

Nowadays many-core computing platforms are widely adopted as a viable solution to accelerate compute-intensive workloads at different scales, from low-cost devices to HPC nodes. It is well established that heterogeneous platforms including a general-purpose host processor and a parallel programmable accelerator have the potential to dramatically increase the peak performance/Watt of computing architectures. However the adoption of these platforms further complicates application development, whereas it is widely acknowledged that software development is a critical activity for the platform design. The introduction of parallel architectures raises the need for programming paradigms capable of effectively leveraging an increasing number of processors, from two to thousands. In this scenario the study of optimization techniques to program parallel accelerators is paramount for two main objectives: first, improving performance and energy efficiency of the platform, which are key metrics for both embedded and HPC systems; second, enforcing software engineering practices with the aim to guarantee code quality and reduce software costs. This thesis presents a set of techniques that have been studied and designed to achieve these objectives overcoming the current state-of-the-art. As a first contribution, we discuss the use of OpenMP tasking as a general-purpose programming model to support the execution of diverse workloads, and we introduce a set of runtime-level techniques to support fine-grain tasks on high-end many-core accelerators (devices with a power consumption greater than 10W). Then we focus our attention on embedded computer vision (CV), with the aim to show how to achieve best performance by exploiting the characteristics of a specific application domain. To further reduce the power consumption of parallel accelerators beyond the current technological limits, we describe an approach based on the principles of approximate computing, which implies modification to the program semantics and proper hardware support at the architectural level

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

Doctor of Philosophy

dissertationDeep Neural Networks (DNNs) are the state-of-art solution in a growing number of tasks including computer vision, speech recognition, and genomics. However, DNNs are computationally expensive as they are carefully trained to extract and abstract features from raw data using multiple layers of neurons with millions of parameters. In this dissertation, we primarily focus on inference, e.g., using a DNN to classify an input image. This is an operation that will be repeatedly performed on billions of devices in the datacenter, in self-driving cars, in drones, etc. We observe that DNNs spend a vast majority of their runtime to runtime performing matrix-by-vector multiplications (MVM). MVMs have two major bottlenecks: fetching the matrix and performing sum-of-product operations. To address these bottlenecks, we use in-situ computing, where the matrix is stored in programmable resistor arrays, called crossbars, and sum-of-product operations are performed using analog computing. In this dissertation, we propose two hardware units, ISAAC and Newton.In ISAAC, we show that in-situ computing designs can outperform DNN digital accelerators, if they leverage pipelining, smart encodings, and can distribute a computation in time and space, within crossbars, and across crossbars. In the ISAAC design, roughly half the chip area/power can be attributed to the analog-to-digital conversion (ADC), i.e., it remains the key design challenge in mixed-signal accelerators for deep networks. In spite of the ADC bottleneck, ISAAC is able to out-perform the computational efficiency of the state-of-the-art design (DaDianNao) by 8x. In Newton, we take advantage of a number of techniques to address ADC inefficiency. These techniques exploit matrix transformations, heterogeneity, and smart mapping of computation to the analog substrate. We show that Newton can increase the efficiency of in-situ computing by an additional 2x. Finally, we show that in-situ computing, unfortunately, cannot be easily adapted to handle training of deep networks, i.e., it is only suitable for inference of already-trained networks. By improving the efficiency of DNN inference with ISAAC and Newton, we move closer to low-cost deep learning that in turn will have societal impact through self-driving cars, assistive systems for the disabled, and precision medicine

Design and Optimization for Resilient Energy Efficient Computing

Heutzutage sind moderne elektronische Systeme ein integraler Bestandteil unseres Alltags. Dies wurde unter anderem durch das exponentielle Wachstum der Integrationsdichte von integrierten Schaltkreisen ermöglicht zusammen mit einer Verbesserung der Energieeffizienz, welche in den letzten 50 Jahren stattfand, auch bekannt als Moore‘s Gesetz. In diesem Zusammenhang ist die Nachfrage von energieeffizienten digitalen Schaltkreisen enorm angestiegen, besonders in Anwendungsfeldern wie dem Internet of Things (IoT). Da der Leistungsverbrauch von Schaltkreisen stark mit der Versorgungsspannung verknüpft ist, wurden effiziente Verfahren entwickelt, welche die Versorgungsspannung in den nahen Schwellenspannung-Bereich skalieren, zusammengefasst unter dem Begriff Near-Threshold-Computing (NTC). Mithilfe dieser Verfahren kann eine Erhöhung der Energieeffizienz von Schaltungen um eine ganze Größenordnung ermöglicht werden. Neben der verbesserten Energiebilanz ergeben sich jedoch zahlreiche Herausforderungen was den Schaltungsentwurf angeht. Zum Beispiel führt das Reduzieren der Versorgungsspannung in den nahen Schwellenspannungsbereich zu einer verzehnfachten Erhöhung der Sensibilität der Schaltkreise gegenüber Prozessvariation, Spannungsfluktuationen und Temperaturveränderungen. Die Einflüsse dieser Variationen reduzieren die Zuverlässigkeit von NTC Schaltkreisen und sind ihr größtes Hindernis bezüglich einer umfassenden Nutzung. Traditionelle Ansätze und Methoden aus dem nominalen Spannungsbereich zur Kompensation von Variabilität können nicht effizient angewandt werden, da die starken Performance-Variationen und Sensitivitäten im nahen Schwellenspannungsbereich dessen Kapazitäten übersteigen. Aus diesem Grund sind neue Entwurfsparadigmen und Entwurfsautomatisierungskonzepte für die Anwendung von NTC erforderlich. Das Ziel dieser Arbeit ist die zuvor erwähnten Probleme durch die Bereitstellung von ganzheitlichen Methoden zum Design von NTC Schaltkreisen sowie dessen Entwurfsautomatisierung anzugehen, welche insbesondere auf der Schaltungs- sowie Logik-Ebene angewandt werden. Dabei werden tiefgehende Analysen der Zuverlässigkeit von NTC Systemen miteinbezogen und Optimierungsmethoden werden vorgeschlagen welche die Zuverlässigkeit, Performance und Energieeffizienz verbessern. Die Beiträge dieser Arbeit sind wie folgt: Schaltungssynthese und Timing Closure unter Einbezug von Variationen: Das Einhalten von Anforderungen an das zeitliche Verhalten und Zuverlässigkeit von NTC ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Die Auswirkungen von Variabilität kommen bei starken Performance-Schwankungen, welche zu teuren zeitlichen Sicherheitsmargen führen, oder sich in Hold-Time Verstößen ausdrücken, verursacht durch funktionale Störungen, zum Vorschein. Die konventionellen Ansätze beschränken sich dabei alleine auf die Erhöhung von zeitlichen Sicherheitsmargen. Dies ist jedoch sehr ineffizient für NTC, wegen dem starken Ausmaß an Variationen und den erhöhten Leckströmen. In dieser Arbeit wird ein Konzept zur Synthese und Timing Closure von Schaltkreisen unter Variationen vorgestellt, welches sowohl die Sensitivität gegenüber Variationen reduziert als auch die Energieeffizienz, Performance und Zuverlässigkeit verbessert und zugleich den Mehraufwand von Timing Closures [1, 2] verringert. Simulationsergebnisse belegen, dass unser vorgeschlagener Ansatz die Verzögerungszeit um 87% reduziert und die Performance und Energieeffizienz um 25% beziehungsweise 7.4% verbessert, zu Kosten eines erhöhten Flächenbedarfs von 4.8%. Schichtübergreifende Zuverlässigkeits-, Energieeffizienz- und Performance-Optimierung von Datenpfaden: Schichtübergreifende Analyse von Prozessor-Datenpfaden, welche den ganzen Weg spannen vom Kompilierer zum Schaltungsentwurf, kann potenzielle Optimierungsansätze aufzeigen. Ein Datenpfad ist eine Kombination von mehreren funktionalen Einheiten, welche diverse Instruktionen verarbeiten können. Unsere Analyse zeigt, dass die Ausführungszeiten von Instruktionen bei niedrigen Versorgungsspannungen stark variieren, weshalb eine Klassifikation in schnelle und langsame Instruktionen vorgenommen werden kann. Des Weiteren können funktionale Instruktionen als häufig und selten genutzte Instruktionen kategorisiert werden. Diese Arbeit stellt eine Multi-Zyklen-Instruktionen-Methode vor, welche die Energieeffizienz und Belastbarkeit von funktionalen Einheiten erhöhen kann [3]. Zusätzlich stellen wir einen Partitionsalgorithmus vor, welcher ein fein-granulares Power-gating von selten genutzten Einheiten ermöglicht [4] durch Partition von einzelnen funktionalen Einheiten in mehrere kleinere Einheiten. Die vorgeschlagenen Methoden verbessern das zeitliche Schaltungsverhalten signifikant, und begrenzen zugleich die Leckströme beträchtlich, durch Einsatz einer Kombination von Schaltungs-Redesign- und Code-Replacement-Techniken. Simulationsresultate zeigen, dass die entwickelten Methoden die Performance und Energieeffizienz von arithmetisch-logischen Einheiten (ALU) um 19% beziehungsweise 43% verbessern. Des Weiteren kann der Zuwachs in Performance der optimierten Schaltungen in eine Verbesserung der Zuverlässigkeit umgewandelt werden [5, 6]. Post-Fabrication und Laufzeit-Tuning: Prozess- und Laufzeitvariationen haben einen starken Einfluss auf den Minimum Energy Point (MEP) von NTC-Schaltungen, welcher mit der energieeffizientesten Versorgungsspannung assoziiert ist. Es ist ein besonderes Anliegen, die NTC-Schaltung nach der Herstellung (post-fabrication) so zu kalibrieren, dass sich die Schaltung im MEP-Zustand befindet, um die beste Energieeffizient zu erreichen. In dieser Arbeit, werden Post-Fabrication und Laufzeit-Tuning vorgeschlagen, welche die Schaltung basierend auf Geschwindigkeits- und Leistungsverbrauch-Messungen nach der Herstellung auf den MEP kalibrieren. Die vorgestellten Techniken ermitteln den MEP per Chip-Basis um den Einfluss von Prozessvariationen mit einzubeziehen und dynamisch die Versorgungsspannung und Frequenz zu adaptieren um zeitabhängige Variationen wie Workload und Temperatur zu adressieren. Zu diesem Zweck wird in die Firmware eines Chips ein Regression-Modell integriert, welches den MEP basierend auf Workload- und Temperatur-Messungen zur Laufzeit extrahiert. Das Regressions-Modell ist für jeden Chip einzigartig und basiert lediglich auf Post-Fabrication-Messungen. Simulationsergebnisse zeigen das der entwickelte Ansatz eine sehr hohe prognostische Treffsicherheit und Energieeffizienz hat, ähnlich zu hardware-implementierten Methoden, jedoch ohne hardware-seitigen Mehraufwand [7, 8]. Selektierte Flip-Flop Optimierung: Ultra-Low-Voltage Schaltungen müssen im nominalen Versorgungsspannungs-Mode arbeiten um zeitliche Anforderungen von laufenden Anwendungen zu erfüllen. In diesem Fall ist die Schaltung von starken Alterungsprozessen betroffen, welche die Transistoren durch Erhöhung der Schwellenspannungen degradieren. Unsere tiefgehenden Analysen haben gezeigt das gewisse Flip-Flop-Architekturen von diesen Alterungserscheinungen beeinflusst werden indem fälschlicherweise konstante Werte ( \u270\u27 oder \u271\u27) für eine lange Zeit gespeichert sind. Im Vergleich zu anderen Komponenten sind Flip-Flops sensitiver zu Alterungsprozessen und versagen unter anderem dabei einen neuen Wert innerhalb des vorgegebenen zeitlichen Rahmens zu übernehmen. Außerdem kann auch ein geringfügiger Spannungsabfall zu diesen zeitlichen Verstößen führen, falls die betreffenden gealterten Flip-Flops zum kritischen Pfad zuzuordnen sind. In dieser Arbeit wird eine selektiver Flip-Flop-Optimierungsmethode vorgestellt, welche die Schaltungen bezüglich Robustheit gegen statische Alterung und Spannungsabfall optimieren. Dabei werden zuerst optimierte robuste Flip-Flops generiert und diese dann anschließend in die Standard-Zellen-Bibliotheken integriert. Flip-Flops, die in der Schaltung zum kritischen Pfad gehören und Alterung sowie Spannungsabfall erfahren, werden durch die optimierten robusten Versionen ersetzt, um das Zeitverhalten und die Zuverlässigkeit der Schaltung zu verbessern [9, 10]. Simulationsergebnisse zeigen, dass die erwartete Lebenszeit eines Prozessors um 37% verbessert werden kann, während Leckströme um nur 0.1% erhöht werden. Während NTC das Potenzial hat große Energieeffizienz zu ermöglichen, ist der Einsatz in neue Anwendungsfeldern wie IoT wegen den zuvor erwähnten Problemen bezüglich der hohen Sensitivität gegenüber Variationen und deshalb mangelnder Zuverlässigkeit, noch nicht durchsetzbar. In dieser Dissertation und in noch nicht publizierten Werken [11–17], stellen wir Lösungen zu diesen Problemen vor, die eine Integration von NTC in heutige Systeme ermöglichen