Low Cost NBTI Degradation Detection and Masking Approaches

Performance degradation of integrated circuits due to aging effects, such as Negative Bias Temperature Instability (NBTI), is becoming a great concern for current and future CMOS technology. In this paper, we propose two monitoring and masking approaches that detect late transitions due to NBTI degradation in the combinational part of critical data paths and guarantee the correctness of the provided output data by adapting the clock frequency. Compared to recently proposed alternative solutions, one of our approaches (denoted as Low Area and Power (LAP) approach) requires lower area overhead and lower, or comparable, power consumption, while exhibiting the same impact on system performance, while the other proposed approach (denoted as High Performance (HP) approach) allows us to reduce the impact on system performance, at the cost of some increase in area and power consumption

NBTI and leakage aware sleep transistor design for reliable and energy efficient power gating

In this paper we show that power gating techniques become more effective during their lifetime, since the aging of sleep transistors (STs) due to negative bias temperature instability (NBTI) drastically reduces leakage power. Based on this property, we propose an NBTI and leakage aware ST design method for reliable and energy efficient power gating. Through SPICE simulations, we show lifetime extension up to 19.9x and average leakage power reduction up to 14.4% compared to standard STs design approach without additional area overhead.Finally, when a maximum 10-year lifetime target is considered, we show that the proposed method allows multiple beneficial options compared to a standard STs design method: either to improve circuit operating frequency up to 9.53% or to reduce ST area overhead up to 18.4

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

Reliable Software for Unreliable Hardware - A Cross-Layer Approach

A novel cross-layer reliability analysis, modeling, and optimization approach is proposed in this thesis that leverages multiple layers in the system design abstraction (i.e. hardware, compiler, system software, and application program) to exploit the available reliability enhancing potential at each system layer and to exchange this information across multiple system layers

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

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

Ingress of threshold voltage-triggered hardware trojan in the modern FPGA fabric–detection methodology and mitigation

The ageing phenomenon of negative bias temperature instability (NBTI) continues to challenge the dynamic thermal management of modern FPGAs. Increased transistor density leads to thermal accumulation and propagates higher and non-uniform temperature variations across the FPGA. This aggravates the impact of NBTI on key PMOS transistor parameters such as threshold voltage and drain current. Where it ages the transistors, with a successive reduction in FPGA lifetime and reliability, it also challenges its security. The ingress of threshold voltage-triggered hardware Trojan, a stealthy and malicious electronic circuit, in the modern FPGA, is one such potential threat that could exploit NBTI and severely affect its performance. The development of an effective and efficient countermeasure against it is, therefore, highly critical. Accordingly, we present a comprehensive FPGA security scheme, comprising novel elements of hardware Trojan infection, detection, and mitigation, to protect FPGA applications against the hardware Trojan. Built around the threat model of a naval warship’s integrated self-protection system (ISPS), we propose a threshold voltage-triggered hardware Trojan that operates in a threshold voltage region of 0.45V to 0.998V, consuming ultra-low power (10.5nW), and remaining stealthy with an area overhead as low as 1.5% for a 28 nm technology node. The hardware Trojan detection sub-scheme provides a unique lightweight threshold voltage-aware sensor with a detection sensitivity of 0.251mV/nA. With fixed and dynamic ring oscillator-based sensor segments, the precise measurement of frequency and delay variations in response to shifts in the threshold voltage of a PMOS transistor is also proposed. Finally, the FPGA security scheme is reinforced with an online transistor dynamic scaling (OTDS) to mitigate the impact of hardware Trojan through run-time tolerant circuitry capable of identifying critical gates with worst-case drain current degradation

Runtime Monitoring for Dependable Hardware Design

Mit dem Voranschreiten der Technologieskalierung und der Globalisierung der Produktion von integrierten Schaltkreisen eröffnen sich eine Fülle von Schwachstellen bezüglich der Verlässlichkeit von Computerhardware. Jeder Mikrochip wird aufgrund von Produktionsschwankungen mit einem einzigartigen Charakter geboren, welcher sich durch seine Arbeitsbedingungen, Belastung und Umgebung in individueller Weise entwickelt. Daher sind deterministische Modelle, welche zur Entwurfszeit die Verlässlichkeit prognostizieren, nicht mehr ausreichend um Integrierte Schaltkreise mit Nanometertechnologie sinnvoll abbilden zu können. Der Bedarf einer Laufzeitanalyse des Zustandes steigt und mit ihm die notwendigen Maßnahmen zum Erhalt der Zuverlässigkeit. Transistoren sind anfällig für auslastungsbedingte Alterung, die die Laufzeit der Schaltung erhöht und mit ihr die Möglichkeit einer Fehlberechnung. Hinzu kommen spezielle Abläufe die das schnelle Altern des Chips befördern und somit seine zuverlässige Lebenszeit reduzieren. Zusätzlich können strahlungsbedingte Laufzeitfehler (Soft-Errors) des Chips abnormales Verhalten kritischer Systeme verursachen. Sowohl das Ausbreiten als auch das Maskieren dieser Fehler wiederum sind abhängig von der Arbeitslast des Systems. Fabrizierten Chips können ebenfalls vorsätzlich während der Produktion boshafte Schaltungen, sogenannte Hardwaretrojaner, hinzugefügt werden. Dies kompromittiert die Sicherheit des Chips. Da diese Art der Manipulation vor ihrer Aktivierung kaum zu erfassen ist, ist der Nachweis von Trojanern auf einem Chip direkt nach der Produktion extrem schwierig. Die Komplexität dieser Verlässlichkeitsprobleme machen ein einfaches Modellieren der Zuverlässigkeit und Gegenmaßnahmen ineffizient. Sie entsteht aufgrund verschiedener Quellen, eingeschlossen der Entwicklungsparameter (Technologie, Gerät, Schaltung und Architektur), der Herstellungsparameter, der Laufzeitauslastung und der Arbeitsumgebung. Dies motiviert das Erforschen von maschinellem Lernen und Laufzeitmethoden, welche potentiell mit dieser Komplexität arbeiten können. In dieser Arbeit stellen wir Lösungen vor, die in der Lage sind, eine verlässliche Ausführung von Computerhardware mit unterschiedlichem Laufzeitverhalten und Arbeitsbedingungen zu gewährleisten. Wir entwickelten Techniken des maschinellen Lernens um verschiedene Zuverlässigkeitseffekte zu modellieren, zu überwachen und auszugleichen. Verschiedene Lernmethoden werden genutzt, um günstige Überwachungspunkte zur Kontrolle der Arbeitsbelastung zu finden. Diese werden zusammen mit Zuverlässigkeitsmetriken, aufbauend auf Ausfallsicherheit und generellen Sicherheitsattributen, zum Erstellen von Vorhersagemodellen genutzt. Des Weiteren präsentieren wir eine kosten-optimierte Hardwaremonitorschaltung, welche die Überwachungspunkte zur Laufzeit auswertet. Im Gegensatz zum aktuellen Stand der Technik, welcher mikroarchitektonische Überwachungspunkte ausnutzt, evaluieren wir das Potential von Arbeitsbelastungscharakteristiken auf der Logikebene der zugrundeliegenden Hardware. Wir identifizieren verbesserte Features auf Logikebene um feingranulare Laufzeitüberwachung zu ermöglichen. Diese Logikanalyse wiederum hat verschiedene Stellschrauben um auf höhere Genauigkeit und niedrigeren Overhead zu optimieren. Wir untersuchten die Philosophie, Überwachungspunkte auf Logikebene mit Hilfe von Lernmethoden zu identifizieren und günstigen Monitore zu implementieren um eine adaptive Vorbeugung gegen statisches Altern, dynamisches Altern und strahlungsinduzierte Soft-Errors zu schaffen und zusätzlich die Aktivierung von Hardwaretrojanern zu erkennen. Diesbezüglich haben wir ein Vorhersagemodell entworfen, welches den Arbeitslasteinfluss auf alterungsbedingte Verschlechterungen des Chips mitverfolgt und dazu genutzt werden kann, dynamisch zur Laufzeit vorbeugende Techniken, wie Task-Mitigation, Spannungs- und Frequenzskalierung zu benutzen. Dieses Vorhersagemodell wurde in Software implementiert, welche verschiedene Arbeitslasten aufgrund ihrer Alterungswirkung einordnet. Um die Widerstandsfähigkeit gegenüber beschleunigter Alterung sicherzustellen, stellen wir eine Überwachungshardware vor, welche einen Teil der kritischen Flip-Flops beaufsichtigt, nach beschleunigter Alterung Ausschau hält und davor warnt, wenn ein zeitkritischer Pfad unter starker Alterungsbelastung steht. Wir geben die Implementierung einer Technik zum Reduzieren der durch das Ausführen spezifischer Subroutinen auftretenden Belastung von zeitkritischen Pfaden. Zusätzlich schlagen wir eine Technik zur Abschätzung von online Soft-Error-Schwachstellen von Speicherarrays und Logikkernen vor, welche auf der Überwachung einer kleinen Gruppe Flip-Flops des Entwurfs basiert. Des Weiteren haben wir eine Methode basierend auf Anomalieerkennung entwickelt, um Arbeitslastsignaturen von Hardwaretrojanern während deren Aktivierung zur Laufzeit zu erkennen und somit eine letzte Verteidigungslinie zu bilden. Basierend auf diesen Experimenten demonstriert diese Arbeit das Potential von fortgeschrittener Feature-Extraktion auf Logikebene und lernbasierter Vorhersage basierend auf Laufzeitdaten zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Harwareentwürfen

Impact of Bias Temperature Instability on Soft Error Susceptibility

In this paper, we address the issue of analyzing the effects of aging mechanisms on ICs' soft error (SE) susceptibility. In particular, we consider bias temperature instability (BTI), namely negative BTI in pMOS transistors and positive BTI in nMOS transistors that are recognized as the most critical aging mechanisms reducing the reliability of ICs. We show that BTI reduces significantly the critical charge of nodes of combinational circuits during their in-field operation, thus increasing the SE susceptibility of the whole IC. We then propose a time dependent model for SE susceptibility evaluation, enabling the use of adaptive SE hardening approaches, based on the ICs lifetime