Improved state integrity of flip-flops for voltage scaled retention under PVT variation

Through measurements from 82 test chips, each with a state retention block of 8192 flip-flops, implemented using 65-nm design library, we demonstrate that state integrity of a flip-flop is sensitive to process, voltage, and temperature (PVT) variation. It has been found at 25?C that First Failure Voltage (FFV) of flip-flops varies from die to die, ranging from 245-mV to 315-mV, with 79% of total dies exhibiting single bit failure at FFV, while the rest show multi-bit failure. In terms of temperature variation, it has been found that FFV increases by up to 30-mV with increase in temperature from 25?C to 79?C, demonstrating its sensitivity to temperature variation. This work proposes a PVT-aware state-protection technique to ensure state integrity of flip-flops, while achieving maximum leakage savings. The proposed technique consists of characterization algorithm to determine minimum state retention voltage (MRV) of each die, and employs horizontal and vertical parity for error detection and single bit error correction. In case of error detection, it dynamically adjusts MRV per die to avoid subsequent errors. Silicon results show that at characterized MRV, flip-flop state integrity is preserved, while achieving up to 17.6% reduction in retention voltage across 82-dies

A solid-state digital temperature recorder for space use

A solid-state, digital, temperature recorder has been developed for use in space experiments. The recorder is completely self-contained and includes a temperature sensor; all necessary electronics for signal conditioning, processing, storing, control and timing; and a battery power supply. No electrical interfacing with the particular spacecraft on which the unit is used is required. The recorder is small, light, and sturdy, and has no moving parts. It uses only biocompatible materials and has passed vibration and shock spaceflight qualification tests. The unit is capable of storing 2048, -10 to +45 C, 8-bit temperature measurements taken at intervals selectable by factors of 2 from 1.875 to 240 min; data can be retained for at least 6 months. The basic recorder can be simplified to accommodate a variety of applications by adding memory to allow more data to be recorded, by changing the front end to permit measurements other than temperature to be made, and by using different batteries to realize various operating periods. Stored flight data are read out from the recorder by means of a ground read-out unit

Spin-Transfer-Torque (STT) Devices for On-chip Memory and Their Applications to Low-standby Power Systems

With the scaling of CMOS technology, the proportion of the leakage power to total power consumption increases. Leakage may account for almost half of total power consumption in high performance processors. In order to reduce the leakage power, there is an increasing interest in using nonvolatile storage devices for memory applications. Among various promising nonvolatile memory elements, spin-transfer torque magnetic RAM (STT-MRAM) is identified as one of the most attractive alternatives to conventional SRAM. However, several design challenges of STT-MRAM such as shared read and write current paths, single-ended sensing, and high dynamic power are major challenges to be overcome to make it suitable for on-chip memories. To mitigate such problems, we propose a domain wall coupling based spin-transfer torque (DWCSTT) device for on-chip caches. Our proposed DWCSTT bit-cell decouples the read and the write current paths by the electrically-insulating magnetic coupling layer so that we can separately optimize read operation without having an impact on write-ability. In addition, the complementary polarizer structure in the read path of the DWCSTT device allows DWCSTT to enable self-referenced differential sensing. DWCSTT bit-cells improve the write power consumption due to the low electrical resistance of the write current path. Furthermore, we also present three different bit-cell level design techniques of Spin-Orbit Torque MRAM (SOT-MRAM) for alleviating some of the inefficiencies of conventional magnetic memories while maintaining the advantages of spin-orbit torque (SOT) based novel switching mechanism such as low write current requirement and decoupled read and write current path. Our proposed SOT-MRAM with supporting dual read/write ports (1R/1W) can address the issue of high-write latency of STT-MRAM by simultaneous 1R/1W accesses. Second, we propose a new type of SOT-MRAM which uses only one access transistor along with a Schottky diode in order to mitigate the area-overhead caused by two access transistors in conventional SOT-MRAM. Finally, a new design technique of SOT-MRAM is presented to improve the integration density by utilizing a shared bit-line structure

On board processor system study Final report

Development and characteristics of onboard processor syste

Reliable Low-Power High Performance Spintronic Memories

Moores Gesetz folgend, ist es der Chipindustrie in den letzten fünf Jahrzehnten gelungen, ein explosionsartiges Wachstum zu erreichen. Dies hatte ebenso einen exponentiellen Anstieg der Nachfrage von Speicherkomponenten zur Folge, was wiederum zu speicherlastigen Chips in den heutigen Computersystemen führt. Allerdings stellen traditionelle on-Chip Speichertech- nologien wie Static Random Access Memories (SRAMs), Dynamic Random Access Memories (DRAMs) und Flip-Flops eine Herausforderung in Bezug auf Skalierbarkeit, Verlustleistung und Zuverlässigkeit dar. Eben jene Herausforderungen und die überwältigende Nachfrage nach höherer Performanz und Integrationsdichte des on-Chip Speichers motivieren Forscher, nach neuen nichtflüchtigen Speichertechnologien zu suchen. Aufkommende spintronische Spe- ichertechnologien wie Spin Orbit Torque (SOT) und Spin Transfer Torque (STT) erhielten in den letzten Jahren eine hohe Aufmerksamkeit, da sie eine Reihe an Vorteilen bieten. Dazu gehören Nichtflüchtigkeit, Skalierbarkeit, hohe Beständigkeit, CMOS Kompatibilität und Unan- fälligkeit gegenüber Soft-Errors. In der Spintronik repräsentiert der Spin eines Elektrons dessen Information. Das Datum wird durch die Höhe des Widerstandes gespeichert, welche sich durch das Anlegen eines polarisierten Stroms an das Speichermedium verändern lässt. Das Prob- lem der statischen Leistung gehen die Speichergeräte sowohl durch deren verlustleistungsfreie Eigenschaft, als auch durch ihr Standard- Aus/Sofort-Ein Verhalten an. Nichtsdestotrotz sind noch andere Probleme, wie die hohe Zugriffslatenz und die Energieaufnahme zu lösen, bevor sie eine verbreitete Anwendung finden können. Um diesen Problemen gerecht zu werden, sind neue Computerparadigmen, -architekturen und -entwurfsphilosophien notwendig. Die hohe Zugriffslatenz der Spintroniktechnologie ist auf eine vergleichsweise lange Schalt- dauer zurückzuführen, welche die von konventionellem SRAM übersteigt. Des Weiteren ist auf Grund des stochastischen Schaltvorgangs der Speicherzelle und des Einflusses der Prozessvari- ation ein nicht zu vernachlässigender Zeitraum dafür erforderlich. In diesem Zeitraum wird ein konstanter Schreibstrom durch die Bitzelle geleitet, um den Schaltvorgang zu gewährleisten. Dieser Vorgang verursacht eine hohe Energieaufnahme. Für die Leseoperation wird gleicher- maßen ein beachtliches Zeitfenster benötigt, ebenfalls bedingt durch den Einfluss der Prozess- variation. Dem gegenüber stehen diverse Zuverlässigkeitsprobleme. Dazu gehören unter An- derem die Leseintereferenz und andere Degenerationspobleme, wie das des Time Dependent Di- electric Breakdowns (TDDB). Diese Zuverlässigkeitsprobleme sind wiederum auf die benötigten längeren Schaltzeiten zurückzuführen, welche in der Folge auch einen über längere Zeit an- liegenden Lese- bzw. Schreibstrom implizieren. Es ist daher notwendig, sowohl die Energie, als auch die Latenz zur Steigerung der Zuverlässigkeit zu reduzieren, um daraus einen potenziellen Kandidaten für ein on-Chip Speichersystem zu machen. In dieser Dissertation werden wir Entwurfsstrategien vorstellen, welche das Ziel verfolgen, die Herausforderungen des Cache-, Register- und Flip-Flop-Entwurfs anzugehen. Dies erre- ichen wir unter Zuhilfenahme eines Cross-Layer Ansatzes. Für Caches entwickelten wir ver- schiedene Ansätze auf Schaltkreisebene, welche sowohl auf der Speicherarchitekturebene, als auch auf der Systemebene in Bezug auf Energieaufnahme, Performanzsteigerung und Zuver- lässigkeitverbesserung evaluiert werden. Wir entwickeln eine Selbstabschalttechnik, sowohl für die Lese-, als auch die Schreiboperation von Caches. Diese ist in der Lage, den Abschluss der entsprechenden Operation dynamisch zu ermitteln. Nachdem der Abschluss erkannt wurde, wird die Lese- bzw. Schreiboperation sofort gestoppt, um Energie zu sparen. Zusätzlich limitiert die Selbstabschalttechnik die Dauer des Stromflusses durch die Speicherzelle, was wiederum das Auftreten von TDDB und Leseinterferenz bei Schreib- bzw. Leseoperationen re- duziert. Zur Verbesserung der Schreiblatenz heben wir den Schreibstrom an der Bitzelle an, um den magnetischen Schaltprozess zu beschleunigen. Um registerbankspezifische Anforderungen zu berücksichtigen, haben wir zusätzlich eine Multiport-Speicherarchitektur entworfen, welche eine einzigartige Eigenschaft der SOT-Zelle ausnutzt, um simultan Lese- und Schreiboperatio- nen auszuführen. Es ist daher möglich Lese/Schreib- Konfilkte auf Bitzellen-Ebene zu lösen, was sich wiederum in einer sehr viel einfacheren Multiport- Registerbankarchitektur nieder- schlägt. Zusätzlich zu den Speicheransätzen haben wir ebenfalls zwei Flip-Flop-Architekturen vorgestellt. Die erste ist eine nichtflüchtige non-Shadow Flip-Flop-Architektur, welche die Speicherzelle als aktive Komponente nutzt. Dies ermöglicht das sofortige An- und Ausschalten der Versorgungss- pannung und ist daher besonders gut für aggressives Powergating geeignet. Alles in Allem zeigt der vorgestellte Flip-Flop-Entwurf eine ähnliche Timing-Charakteristik wie die konventioneller CMOS Flip-Flops auf. Jedoch erlaubt er zur selben Zeit eine signifikante Reduktion der statis- chen Leistungsaufnahme im Vergleich zu nichtflüchtigen Shadow- Flip-Flops. Die zweite ist eine fehlertolerante Flip-Flop-Architektur, welche sich unanfällig gegenüber diversen Defekten und Fehlern verhält. Die Leistungsfähigkeit aller vorgestellten Techniken wird durch ausführliche Simulationen auf Schaltkreisebene verdeutlicht, welche weiter durch detaillierte Evaluationen auf Systemebene untermauert werden. Im Allgemeinen konnten wir verschiedene Techniken en- twickeln, die erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Performanz, Energie und Zuverlässigkeit von spintronischen on-Chip Speichern, wie Caches, Register und Flip-Flops erreichen

Design and Robustness Analysis on Non-volatile Storage and Logic Circuit

By combining the flexibility of MOS logic and the non-volatility of spintronic devices, spin-MOS logic and storage circuitry offer a promising approach to implement highly integrated, power-efficient, and nonvolatile computing and storage systems. Besides the persistent errors due to process variations, however, the functional correctness of Spin-MOS circuitry suffers from additional non-persistent errors that are incurred by the randomness of spintronic device operations, i.e., thermal fluctuations. This work quantitatively investigates the impact of thermal fluctuations on the operations of two typical Spin-MOS circuitry: one transistor and one magnetic tunnel junction (1T1J) spin-transfer torque random access memory (STT-RAM) cell and a nonvolatile latch design. A new nonvolatile latch design is proposed based on magnetic tunneling junction (MTJ) devices. In the standby mode, the latched data can be retained in the MTJs without consuming any power. Two types of operation errors can occur, namely, persistent and non-persistent errors. These are quantitatively analyzed by including models for process variations and thermal fluctuations during the read and write operations. A mixture importance sampling methodology is applied to enable yield-driven design and extend its application beyond memories to peripheral circuits and logic blocks. Several possible design techniques to reduce thermal induced non-persistent error rate are also discussed

Designing energy-efficient sub-threshold logic circuits using equalization and non-volatile memory circuits using memristors

The very large scale integration (VLSI) community has utilized aggressive complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) technology scaling to meet the ever-increasing performance requirements of computing systems. However, as we enter the nanoscale regime, the prevalent process variation effects degrade the CMOS device reliability. Hence, it is increasingly essential to explore emerging technologies which are compatible with the conventional CMOS process for designing highly-dense memory/logic circuits. Memristor technology is being explored as a potential candidate in designing non-volatile memory arrays and logic circuits with high density, low latency and small energy consumption. In this thesis, we present the detailed functionality of multi-bit 1-Transistor 1-memRistor (1T1R) cell-based memory arrays. We present the performance and energy models for an individual 1T1R memory cell and the memory array as a whole. We have considered TiO2- and HfOx-based memristors, and for these technologies there is a sub-10% difference between energy and performance computed using our models and HSPICE simulations. Using a performance-driven design approach, the energy-optimized TiO2-based RRAM array consumes the least write energy (4.06 pJ/bit) and read energy (188 fJ/bit) when storing 3 bits/cell for 100 nsec write and 1 nsec read access times. Similarly, HfOx-based RRAM array consumes the least write energy (365 fJ/bit) and read energy (173 fJ/bit) when storing 3 bits/cell for 1 nsec write and 200 nsec read access times. On the logic side, we investigate the use of equalization techniques to improve the energy efficiency of digital sequential logic circuits in sub-threshold regime. We first propose the use of a variable threshold feedback equalizer circuit with combinational logic blocks to mitigate the timing errors in digital logic designed in sub-threshold regime. This mitigation of timing errors can be leveraged to reduce the dominant leakage energy by scaling supply voltage or decreasing the propagation delay. At the fixed supply voltage, we can decrease the propagation delay of the critical path in a combinational logic block using equalizer circuits and, correspondingly decrease the leakage energy consumption. For a 8-bit carry lookahead adder designed in UMC 130 nm process, the operating frequency can be increased by 22.87% (on average), while reducing the leakage energy by 22.6% (on average) in the sub-threshold regime. Overall, the feedback equalization technique provides up to 35.4% lower energy-delay product compared to the conventional non-equalized logic. We also propose a tunable adaptive feedback equalizer circuit that can be used with sequential digital logic to mitigate the process variation effects and reduce the dominant leakage energy component in sub-threshold digital logic circuits. For a 64-bit adder designed in 130 nm our proposed approach can reduce the normalized delay variation of the critical path delay from 16.1% to 11.4% while reducing the energy-delay product by 25.83% at minimum energy supply voltage. In addition, we present detailed energy-performance models of the adaptive feedback equalizer circuit. This work serves as a foundation for the design of robust, energy-efficient digital logic circuits in sub-threshold regime