Design and Testing Strategies for Modular 3-D-Multiprocessor Systems Using Die-Level Through Silicon Via Technology

An innovative modular 3-D stacked multi-processor architecture is presented. The platform is composed of completely identical stacked dies connected together by through-silicon-vias (TSVs). Each die features four 32-bit embedded processors and associated memory modules, interconnected by a 3-D network-on-chip (NoC), which can route packets in the vertical direction. Superimposing identical planar dies minimizes design effort and manufacturing costs, ensuring at the same time high flexibility and reconfigurability. A single die can be used either as a fully testable standalone chip multi-processor (CMP), or integrated in a 3-D stack, increasing the overall core count and consequently the system performance. To demonstrate the feasibility of this architecture, fully functional samples have been fabricated using a conventional UMC 90 nm complementary metal–oxide–semiconductor process and stacked using an in-house, via-last Cu-TSV process. Initial results show that the proposed 3-D-CMP is capable of operating at a target frequency of 400 MHz, supporting a vertical data bandwidth of 3.2 Gb/s

Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

Physical design methodologies for monolithic 3D ICs

The objective of this research is to develop physical design methodologies for monolithic 3D ICs and use them to evaluate the improvements in the power-performance envelope offered over 2D ICs. In addition, design-for-test (DfT) techniques essential for the adoption of shorter term through-silicon-via (TSV) based 3D ICs are explored. Testing of TSV-based 3D ICs is one of the last challenges facing their commercialization. First, a pre-bond testable 3D scan chain construction technique is developed. Next, a transition-delay-fault test architecture is presented, along with a study on how to mitigate IR-drop. Finally, to facilitate partitioning, a quick and accurate framework for test-TSV estimation is developed. Block-level monolithic 3D ICs will be the first to emerge, as significant IP can be reused. However, no physical design flows exist, and hence a monolithic 3D floorplanning framework is developed. Next, inter-tier performance differences that arise due to the not yet mature fabrication process are investigated and modeled. Finally, an inter-tier performance-difference aware floorplanner is presented, and it is demonstrated that high quality 3D floorplans are achievable even under these inter-tier differences. Monolithic 3D offers sufficient integration density to place individual gates in three dimensions and connect them together. However, no tools or techniques exist that can take advantage of the high integration density offered. Therefore, a gate-level framework that leverages existing 2D ICs tools is presented. This framework also provides congestion modeling and produces results that minimize routing congestion. Next, this framework is extended to commercial 2D IC tools, so that steps such as timing optimization and clock tree synthesis can be applied. Finally, a voltage-drop-aware partitioning technique is presented that can alleviate IR-drop issues, without any impact on the performance or maximum operating temperature of the chip.Ph.D

Design Methods and Tools for Application-Specific Predictable Networks-on-Chip

As the complexity of applications grows with each new generation, so does the demand for computation power. To satisfy the computation demands at manageable power levels, we see a shift in the design paradigm from single processor systems to Multiprocessor Systems-on-Chip (MPSoCs). MPSoCs leverage the parallelism in applications to increase the performance at the same power levels. To further improve the computation to power consumption ratio, MPSoCs for embedded applications are heterogeneous and integrate cores that are specialized to perform the different functionalities of the application. With technology scaling, wire power consumption is increasing compared to logic, making communication as expensive as computation. Therefore customizing the interconnect is necessary to achieve energy efficiency. Designing an optimal application specific Network-on-Chip (NoC), that meets application demands, requires the exploration of a large design space. Automatic design and optimization of the NoC is required in order to achieve fast design closure, especially for heterogeneous MPSoCs. To continue to meet the computation requirements of future applications new technologies are emerging. Three dimensional integration promises to increase the number of transistors by stacking multiple silicon layers. This will lead to an increase in the number of cores of the MPSoCs resulting in increased communication demands. To compensate for the increase in the wire delay in new technology nodes as well as to reduce the power consumption further, multi-synchronous design is becoming popular. With multiple clock signals, different parts of the MPSoC can be clocked at different frequencies according to the current demands of the application and can even be shutdown when they are not used at all. This further complicates the design of the NoC.Many applications require different levels of guarantee from the NoC in order to perform their functionality correctly. As communication traffic patterns become more complex, the performance of the NoC can no longer be predicted statically. Therefore designing the interconnect network requires that such guarantees are provided during the dynamic operation of the system which includes the interaction with major subsystems (i.e., main memory) and not just the interconnect itself. In this thesis, I present novel methods to design application-specific NoCs that meet performance demands, under the constraints of new technologies. To provide different levels of Quality of Service, I integrate methods to estimate the NoC performance during the design phase of the interconnect topology. I present methods and architectures for NoCs to efficiently access memory systems, in order to achieve predictable operation of the systems from the point of view of the communication as well as the bottleneck target devices. Therefore the main contribution of the thesis is twofold: scientific as I propose new algorithms to perform topology synthesis and engineering by presenting extensive experiments and architectures for NoC design

Exploration and Design of Power-Efficient Networked Many-Core Systems

Multiprocessing is a promising solution to meet the requirements of near future applications. To get full benefit from parallel processing, a manycore system needs efficient, on-chip communication architecture. Networkon- Chip (NoC) is a general purpose communication concept that offers highthroughput, reduced power consumption, and keeps complexity in check by a regular composition of basic building blocks. This thesis presents power efficient communication approaches for networked many-core systems. We address a range of issues being important for designing power-efficient manycore systems at two different levels: the network-level and the router-level. From the network-level point of view, exploiting state-of-the-art concepts such as Globally Asynchronous Locally Synchronous (GALS), Voltage/ Frequency Island (VFI), and 3D Networks-on-Chip approaches may be a solution to the excessive power consumption demanded by today’s and future many-core systems. To this end, a low-cost 3D NoC architecture, based on high-speed GALS-based vertical channels, is proposed to mitigate high peak temperatures, power densities, and area footprints of vertical interconnects in 3D ICs. To further exploit the beneficial feature of a negligible inter-layer distance of 3D ICs, we propose a novel hybridization scheme for inter-layer communication. In addition, an efficient adaptive routing algorithm is presented which enables congestion-aware and reliable communication for the hybridized NoC architecture. An integrated monitoring and management platform on top of this architecture is also developed in order to implement more scalable power optimization techniques. From the router-level perspective, four design styles for implementing power-efficient reconfigurable interfaces in VFI-based NoC systems are proposed. To enhance the utilization of virtual channel buffers and to manage their power consumption, a partial virtual channel sharing method for NoC routers is devised and implemented. Extensive experiments with synthetic and real benchmarks show significant power savings and mitigated hotspots with similar performance compared to latest NoC architectures. The thesis concludes that careful codesigned elements from different network levels enable considerable power savings for many-core systems.Siirretty Doriast

The Customizable Virtual FPGA: Generation, System Integration and Configuration of Application-Specific Heterogeneous FPGA Architectures

In den vergangenen drei Jahrzehnten wurde die Entwicklung von Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) stark von Moore’s Gesetz, Prozesstechnologie (Skalierung) und kommerziellen Märkten beeinflusst. State-of-the-Art FPGAs bewegen sich einerseits dem Allzweck näher, aber andererseits, da FPGAs immer mehr traditionelle Domänen der Anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) ersetzt haben, steigen die Effizienzerwartungen. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung können Effizienzsteigerungen nicht mehr auf Technologie-Skalierung allein zurückgreifen. Diese Facetten und Trends in Richtung rekonfigurierbarer System-on-Chips (SoCs) und neuen Low-Power-Anwendungen wie Cyber Physical Systems und Internet of Things erfordern eine bessere Anpassung der Ziel-FPGAs. Neben den Trends für den Mainstream-Einsatz von FPGAs in Produkten des täglichen Bedarfs und Services wird es vor allem bei den jüngsten Entwicklungen, FPGAs in Rechenzentren und Cloud-Services einzusetzen, notwendig sein, eine sofortige Portabilität von Applikationen über aktuelle und zukünftige FPGA-Geräte hinweg zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang kann die Hardware-Virtualisierung ein nahtloses Mittel für Plattformunabhängigkeit und Portabilität sein. Ehrlich gesagt stehen die Zwecke der Anpassung und der Virtualisierung eigentlich in einem Konfliktfeld, da die Anpassung für die Effizienzsteigerung vorgesehen ist, während jedoch die Virtualisierung zusätzlichen Flächenaufwand hinzufügt. Die Virtualisierung profitiert aber nicht nur von der Anpassung, sondern fügt auch mehr Flexibilität hinzu, da die Architektur jederzeit verändert werden kann. Diese Besonderheit kann für adaptive Systeme ausgenutzt werden. Sowohl die Anpassung als auch die Virtualisierung von FPGA-Architekturen wurden in der Industrie bisher kaum adressiert. Trotz einiger existierenden akademischen Werke können diese Techniken noch als unerforscht betrachtet werden und sind aufstrebende Forschungsgebiete. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Generierung von FPGA-Architekturen, die auf eine effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten sind. Im Gegensatz zum üblichen Ansatz mit kommerziellen FPGAs, bei denen die FPGA-Architektur als gegeben betrachtet wird und die Applikation auf die vorhandenen Ressourcen abgebildet wird, folgt diese Arbeit einem neuen Paradigma, in dem die Applikation oder Applikationsklasse fest steht und die Zielarchitektur auf die effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten ist. Dies resultiert in angepassten anwendungsspezifischen FPGAs. Die drei Säulen dieser Arbeit sind die Aspekte der Virtualisierung, der Anpassung und des Frameworks. Das zentrale Element ist eine weitgehend parametrierbare virtuelle FPGA-Architektur, die V-FPGA genannt wird, wobei sie als primäres Ziel auf jeden kommerziellen FPGA abgebildet werden kann, während Anwendungen auf der virtuellen Schicht ausgeführt werden. Dies sorgt für Portabilität und Migration auch auf Bitstream-Ebene, da die Spezifikation der virtuellen Schicht bestehen bleibt, während die physische Plattform ausgetauscht werden kann. Darüber hinaus wird diese Technik genutzt, um eine dynamische und partielle Rekonfiguration auf Plattformen zu ermöglichen, die sie nicht nativ unterstützen. Neben der Virtualisierung soll die V-FPGA-Architektur auch als eingebettetes FPGA in ein ASIC integriert werden, das effiziente und dennoch flexible System-on-Chip-Lösungen bietet. Daher werden Zieltechnologie-Abbildungs-Methoden sowohl für Virtualisierung als auch für die physikalische Umsetzung adressiert und ein Beispiel für die physikalische Umsetzung in einem 45 nm Standardzellen Ansatz aufgezeigt. Die hochflexible V-FPGA-Architektur kann mit mehr als 20 Parametern angepasst werden, darunter LUT-Grösse, Clustering, 3D-Stacking, Routing-Struktur und vieles mehr. Die Auswirkungen der Parameter auf Fläche und Leistung der Architektur werden untersucht und eine umfangreiche Analyse von über 1400 Benchmarkläufen zeigt eine hohe Parameterempfindlichkeit bei Abweichungen bis zu ±95, 9% in der Fläche und ±78, 1% in der Leistung, was die hohe Bedeutung von Anpassung für Effizienz aufzeigt. Um die Parameter systematisch an die Bedürfnisse der Applikation anzupassen, wird eine parametrische Entwurfsraum-Explorationsmethode auf der Basis geeigneter Flächen- und Zeitmodellen vorgeschlagen. Eine Herausforderung von angepassten Architekturen ist der Entwurfsaufwand und die Notwendigkeit für angepasste Werkzeuge. Daher umfasst diese Arbeit ein Framework für die Architekturgenerierung, die Entwurfsraumexploration, die Anwendungsabbildung und die Evaluation. Vor allem ist der V-FPGA in einem vollständig synthetisierbaren generischen Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) Code konzipiert, der sehr flexibel ist und die Notwendigkeit für externe Codegeneratoren eliminiert. Systementwickler können von verschiedenen Arten von generischen SoC-Architekturvorlagen profitieren, um die Entwicklungszeit zu reduzieren. Alle notwendigen Konstruktionsschritte für die Applikationsentwicklung und -abbildung auf den V-FPGA werden durch einen Tool-Flow für Entwurfsautomatisierung unterstützt, der eine Sammlung von vorhandenen kommerziellen und akademischen Werkzeugen ausnutzt, die durch geeignete Modelle angepasst und durch ein neues Werkzeug namens V-FPGA-Explorer ergänzt werden. Dieses neue Tool fungiert nicht nur als Back-End-Tool für die Anwendungsabbildung auf dem V-FPGA sondern ist auch ein grafischer Konfigurations- und Layout-Editor, ein Bitstream-Generator, ein Architekturdatei-Generator für die Place & Route Tools, ein Script-Generator und ein Testbenchgenerator. Eine Besonderheit ist die Unterstützung der Just-in-Time-Kompilierung mit schnellen Algorithmen für die In-System Anwendungsabbildung. Die Arbeit schliesst mit einigen Anwendungsfällen aus den Bereichen industrielle Prozessautomatisierung, medizinische Bildgebung, adaptive Systeme und Lehre ab, in denen der V-FPGA eingesetzt wird

High Efficiency Polymer based Direct Multi-jet Impingement Cooling Solution for High Power Devices

Liquid jet impingement cooling is an efficient cooling technique where the liquid coolant is directly ejected from nozzles on the chip backside resulting in a high cooling efficiency due to the absence of the TIM and the lateral temperature gradient. In literature, several Si-fabrication based impingement coolers with nozzle diameters of a few distributed returns or combination of micro-channels and impingement nozzles. The drawback of this Si processing of the cooler is the high fabrication cost. Other fabrication methods for nozzle diameters for ceramic and metal. Low cost fabrication methods, including injection molding and 3D printing have been introduced for much larger nozzle diameters (mm range) with larger cooler dimensions. These dimensions and processes are however not compatible with the chip packaging process flow. This PhD focuses on the modeling, design, fabrication and characterization of a micro-scale liquid impingement cooler using advanced, yet cost efficient, fabrication techniques. The main objectives are: (a) development of a modeling methodology to optimize the cooler geometry; (b) exploring low cost fabrication methods for the package level impingement jet cooler; (c) experimental thermal and hydraulic characterization and analysis of the fabricated coolers; (d) applying the direct impingement jet cooling solutions to different applications

Semiconductor Memory Applications in Radiation Environment, Hardware Security and Machine Learning System

abstract: Semiconductor memory is a key component of the computing systems. Beyond the conventional memory and data storage applications, in this dissertation, both mainstream and eNVM memory technologies are explored for radiation environment, hardware security system and machine learning applications. In the radiation environment, e.g. aerospace, the memory devices face different energetic particles. The strike of these energetic particles can generate electron-hole pairs (directly or indirectly) as they pass through the semiconductor device, resulting in photo-induced current, and may change the memory state. First, the trend of radiation effects of the mainstream memory technologies with technology node scaling is reviewed. Then, single event effects of the oxide based resistive switching random memory (RRAM), one of eNVM technologies, is investigated from the circuit-level to the system level. Physical Unclonable Function (PUF) has been widely investigated as a promising hardware security primitive, which employs the inherent randomness in a physical system (e.g. the intrinsic semiconductor manufacturing variability). In the dissertation, two RRAM-based PUF implementations are proposed for cryptographic key generation (weak PUF) and device authentication (strong PUF), respectively. The performance of the RRAM PUFs are evaluated with experiment and simulation. The impact of non-ideal circuit effects on the performance of the PUFs is also investigated and optimization strategies are proposed to solve the non-ideal effects. Besides, the security resistance against modeling and machine learning attacks is analyzed as well. Deep neural networks (DNNs) have shown remarkable improvements in various intelligent applications such as image classification, speech classification and object localization and detection. Increasing efforts have been devoted to develop hardware accelerators. In this dissertation, two types of compute-in-memory (CIM) based hardware accelerator designs with SRAM and eNVM technologies are proposed for two binary neural networks, i.e. hybrid BNN (HBNN) and XNOR-BNN, respectively, which are explored for the hardware resource-limited platforms, e.g. edge devices.. These designs feature with high the throughput, scalability, low latency and high energy efficiency. Finally, we have successfully taped-out and validated the proposed designs with SRAM technology in TSMC 65 nm. Overall, this dissertation paves the paths for memory technologies’ new applications towards the secure and energy-efficient artificial intelligence system.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

Analysis and modeling of power supply induced jitter for high speed driver and low dropout voltage regulator

”With the scaling of power supply voltage levels and improving trans-conductance of drivers, the sensitivity of drivers to power supply induced delays has increased. The power supply induced jitter (PSIJ) has become one of the major concerns for high-speed system. In this work, the PSIJ analysis and modeling method are proposed for high speed drivers and the system with on-die low dropout (LDO) voltage regulator. In addition, a jitter-aware target impedance concept is proposed for power distribution network (PDN) design to correlate the PSIJ with PDN parasitic. The proposed PSIJ analysis model is based on the driver power supply rejection ratio (PSRR) response, transition edge slope and the propagation delay. It is demonstrated that the proposed model can be generalized for different type of drivers. Following the proposed PSIJ model, a method for improving the PSIJ simulation accuracy in the input/output buffer information (IBIS) model is also proposed. A PSIJ analysis method is also proposed for system with on-die LDO. The approach relies on separate analysis of the LDO block PSRR response and the buffer block PSIJ sensitivity. This procedure allows designer to evaluate the system PSIJ with fewer and faster simulations. For the jitter-aware target impedance, a systematic procedure to develop the target impedance curves is formulated and developed for common CMOS buffer circuits. Given the transient IC switching current and the jitter specification, multiple target impedance curves can be defined for a specific circuit. The proposed design procedure can largely relieve over-constrain in the PDN designed based on the original target impedance definition”--Abstract, page iv