Photonic integrated circuit design in a foundry+fabless ecosystem

A foundry-based photonic ecosystem is expected to become necessary with increasing demand and adoption of photonics for commercial products. To make foundry-enabled photonics a real success, the photonic circuit design flow should adopt known concepts from analog and mixed signal electronics. Based on the similarities and differences between the existing photonic and the standardized electronics design flow, we project the needs and evolution of the photonic design flow, such as schematic driven design, accurate behavioral models, and yield prediction in the presence of fabrication variability

Tensor Computation: A New Framework for High-Dimensional Problems in EDA

Many critical EDA problems suffer from the curse of dimensionality, i.e. the very fast-scaling computational burden produced by large number of parameters and/or unknown variables. This phenomenon may be caused by multiple spatial or temporal factors (e.g. 3-D field solvers discretizations and multi-rate circuit simulation), nonlinearity of devices and circuits, large number of design or optimization parameters (e.g. full-chip routing/placement and circuit sizing), or extensive process variations (e.g. variability/reliability analysis and design for manufacturability). The computational challenges generated by such high dimensional problems are generally hard to handle efficiently with traditional EDA core algorithms that are based on matrix and vector computation. This paper presents "tensor computation" as an alternative general framework for the development of efficient EDA algorithms and tools. A tensor is a high-dimensional generalization of a matrix and a vector, and is a natural choice for both storing and solving efficiently high-dimensional EDA problems. This paper gives a basic tutorial on tensors, demonstrates some recent examples of EDA applications (e.g., nonlinear circuit modeling and high-dimensional uncertainty quantification), and suggests further open EDA problems where the use of tensor computation could be of advantage.Comment: 14 figures. Accepted by IEEE Trans. CAD of Integrated Circuits and System

Process Variation Aware DRAM (Dynamic Random Access Memory) Design Using Block-Based Adaptive Body Biasing Algorithm

Large dense structures like DRAMs (Dynamic Random Access Memory) are particularly susceptible to process variation, which can lead to variable latencies in different memory arrays. However, very little work exists on variation studies in DRAMs. This is due to the fact that DRAMs were traditionally placed off-chip and their latency changes due to process variation did not impact the overall processor performance. However, emerging technology trends like three-dimensional integration, use of sophisticated memory controllers, and continued scaling of technology node, substantially reduce DRAM access latency. Hence, future technology nodes will see widespread adoption of embedded DRAMs. This makes process variation a critical upcoming challenge in DRAMs that must be addressed in current and forthcoming technology generations. In this paper, techniques for modeling the effect of random, as well as spatial variation, in large DRAM array structures are presented. Sensitivity-based gate level process variation models combined with statistical timing analysis are used to estimate the impact of process variation on the DRAM performance and leakage power. A simulated annealing-based Vth assignment algorithm using adaptive body biasing is proposed in this thesis to improve the yield of DRAM structures. By applying the algorithm on a 1GB DRAM array, an average of 14.66% improvement in the DRAM yield is obtained

Yield-driven power-delay-optimal CMOS full-adder design complying with automotive product specifications of PVT variations and NBTI degradations

We present the detailed results of the application of mathematical optimization algorithms to transistor sizing in a full-adder cell design, to obtain the maximum expected fabrication yield. The approach takes into account all the fabrication process parameter variations specified in an industrial PDK, in addition to operating condition range and NBTI aging. The final design solutions present transistor sizing, which depart from intuitive transistor sizing criteria and show dramatic yield improvements, which have been verified by Monte Carlo SPICE analysis

Degradation Models and Optimizations for CMOS Circuits

Die Gewährleistung der Zuverlässigkeit von CMOS-Schaltungen ist derzeit eines der größten Herausforderungen beim Chip- und Schaltungsentwurf. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung erhöht jede neue Generation der Halbleitertechnologie die elektrischen Felder innerhalb der Transistoren. Dieses stärkere elektrische Feld stimuliert die Degradationsphänomene (Alterung der Transistoren, Selbsterhitzung, Rauschen, usw.), was zu einer immer stärkeren Degradation (Verschlechterung) der Transistoren führt. Daher erleiden die Transistoren in jeder neuen Technologiegeneration immer stärkere Verschlechterungen ihrer elektrischen Parameter. Um die Funktionalität und Zuverlässigkeit der Schaltung zu wahren, wird es daher unerlässlich, die Auswirkungen der geschwächten Transistoren auf die Schaltung präzise zu bestimmen. Die beiden wichtigsten Auswirkungen der Verschlechterungen sind ein verlangsamtes Schalten, sowie eine erhöhte Leistungsaufnahme der Schaltung. Bleiben diese Auswirkungen unberücksichtigt, kann die verlangsamte Schaltgeschwindigkeit zu Timing-Verletzungen führen (d.h. die Schaltung kann die Berechnung nicht rechtzeitig vor Beginn der nächsten Operation abschließen) und die Funktionalität der Schaltung beeinträchtigen (fehlerhafte Ausgabe, verfälschte Daten, usw.). Um diesen Verschlechterungen der Transistorparameter im Laufe der Zeit Rechnung zu tragen, werden Sicherheitstoleranzen eingeführt. So wird beispielsweise die Taktperiode der Schaltung künstlich verlängert, um ein langsameres Schaltverhalten zu tolerieren und somit Fehler zu vermeiden. Dies geht jedoch auf Kosten der Performanz, da eine längere Taktperiode eine niedrigere Taktfrequenz bedeutet. Die Ermittlung der richtigen Sicherheitstoleranz ist entscheidend. Wird die Sicherheitstoleranz zu klein bestimmt, führt dies in der Schaltung zu Fehlern, eine zu große Toleranz führt zu unnötigen Performanzseinbußen. Derzeit verlässt sich die Industrie bei der Zuverlässigkeitsbestimmung auf den schlimmstmöglichen Fall (maximal gealterter Schaltkreis, maximale Betriebstemperatur bei minimaler Spannung, ungünstigste Fertigung, etc.). Diese Annahme des schlimmsten Falls garantiert, dass der Chip (oder integrierte Schaltung) unter allen auftretenden Betriebsbedingungen funktionsfähig bleibt. Darüber hinaus ermöglicht die Betrachtung des schlimmsten Falles viele Vereinfachungen. Zum Beispiel muss die eigentliche Betriebstemperatur nicht bestimmt werden, sondern es kann einfach die schlimmstmögliche (sehr hohe) Betriebstemperatur angenommen werden. Leider lässt sich diese etablierte Praxis der Berücksichtigung des schlimmsten Falls (experimentell oder simulationsbasiert) nicht mehr aufrechterhalten. Diese Berücksichtigung bedingt solch harsche Betriebsbedingungen (maximale Temperatur, etc.) und Anforderungen (z.B. 25 Jahre Betrieb), dass die Transistoren unter den immer stärkeren elektrischen Felder enorme Verschlechterungen erleiden. Denn durch die Kombination an hoher Temperatur, Spannung und den steigenden elektrischen Feldern bei jeder Generation, nehmen die Degradationphänomene stetig zu. Das bedeutet, dass die unter dem schlimmsten Fall bestimmte Sicherheitstoleranz enorm pessimistisch ist und somit deutlich zu hoch ausfällt. Dieses Maß an Pessimismus führt zu erheblichen Performanzseinbußen, die unnötig und demnach vermeidbar sind. Während beispielsweise militärische Schaltungen 25 Jahre lang unter harschen Bedingungen arbeiten müssen, wird Unterhaltungselektronik bei niedrigeren Temperaturen betrieben und muss ihre Funktionalität nur für die Dauer der zweijährigen Garantie aufrechterhalten. Für letzteres können die Sicherheitstoleranzen also deutlich kleiner ausfallen, um die Performanz deutlich zu erhöhen, die zuvor im Namen der Zuverlässigkeit aufgegeben wurde. Diese Arbeit zielt darauf ab, maßgeschneiderte Sicherheitstoleranzen für die einzelnen Anwendungsszenarien einer Schaltung bereitzustellen. Für fordernde Umgebungen wie Weltraumanwendungen (wo eine Reparatur unmöglich ist) ist weiterhin der schlimmstmögliche Fall relevant. In den meisten Anwendungen, herrschen weniger harsche Betriebssbedingungen (z.B. sorgen Kühlsysteme für niedrigere Temperaturen). Hier können Sicherheitstoleranzen maßgeschneidert und anwendungsspezifisch bestimmt werden, sodass Verschlechterungen exakt toleriert werden können und somit die Zuverlässigkeit zu minimalen Kosten (Performanz, etc.) gewahrt wird. Leider sind die derzeitigen Standardentwurfswerkzeuge für diese anwendungsspezifische Bestimmung der Sicherheitstoleranz nicht gut gerüstet. Diese Arbeit zielt darauf ab, Standardentwurfswerkzeuge in die Lage zu versetzen, diesen Bedarf an Zuverlässigkeitsbestimmungen für beliebige Schaltungen unter beliebigen Betriebsbedingungen zu erfüllen. Zu diesem Zweck stellen wir unsere Forschungsbeiträge als vier Schritte auf dem Weg zu anwendungsspezifischen Sicherheitstoleranzen vor: Schritt 1 verbessert die Modellierung der Degradationsphänomene (Transistor-Alterung, -Selbsterhitzung, -Rauschen, etc.). Das Ziel von Schritt 1 ist es, ein umfassendes, einheitliches Modell für die Degradationsphänomene zu erstellen. Durch die Verwendung von materialwissenschaftlichen Defektmodellierungen werden die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse der Degradationsphänomena modelliert, um ihre Wechselwirkungen zu berücksichtigen (z.B. Phänomen A kann Phänomen B beschleunigen) und ein einheitliches Modell für die simultane Modellierung verschiedener Phänomene zu erzeugen. Weiterhin werden die jüngst entdeckten Phänomene ebenfalls modelliert und berücksichtigt. In Summe, erlaubt dies eine genaue Degradationsmodellierung von Transistoren unter gleichzeitiger Berücksichtigung aller essenziellen Phänomene. Schritt 2 beschleunigt diese Degradationsmodelle von mehreren Minuten pro Transistor (Modelle der Physiker zielen auf Genauigkeit statt Performanz) auf wenige Millisekunden pro Transistor. Die Forschungsbeiträge dieser Dissertation beschleunigen die Modelle um ein Vielfaches, indem sie zuerst die Berechnungen so weit wie möglich vereinfachen (z.B. sind nur die Spitzenwerte der Degradation erforderlich und nicht alle Werte über einem zeitlichen Verlauf) und anschließend die Parallelität heutiger Computerhardware nutzen. Beide Ansätze erhöhen die Auswertungsgeschwindigkeit, ohne die Genauigkeit der Berechnung zu beeinflussen. In Schritt 3 werden diese beschleunigte Degradationsmodelle in die Standardwerkzeuge integriert. Die Standardwerkzeuge berücksichtigen derzeit nur die bestmöglichen, typischen und schlechtestmöglichen Standardzellen (digital) oder Transistoren (analog). Diese drei Typen von Zellen/Transistoren werden von der Foundry (Halbleiterhersteller) aufwendig experimentell bestimmt. Da nur diese drei Typen bestimmt werden, nehmen die Werkzeuge keine Zuverlässigkeitsbestimmung für eine spezifische Anwendung (Temperatur, Spannung, Aktivität) vor. Simulationen mit Degradationsmodellen ermöglichen eine Bestimmung für spezifische Anwendungen, jedoch muss diese Fähigkeit erst integriert werden. Diese Integration ist eines der Beiträge dieser Dissertation. Schritt 4 beschleunigt die Standardwerkzeuge. Digitale Schaltungsentwürfe, die nicht auf Standardzellen basieren, sowie komplexe analoge Schaltungen können derzeit nicht mit analogen Schaltungssimulatoren ausgewertet werden. Ihre Performanz reicht für solch umfangreiche Simulationen nicht aus. Diese Dissertation stellt Techniken vor, um diese Werkzeuge zu beschleunigen und somit diese umfangreichen Schaltungen simulieren zu können. Diese Forschungsbeiträge, die sich jeweils über mehrere Veröffentlichungen erstrecken, ermöglichen es Standardwerkzeugen, die Sicherheitstoleranz für kundenspezifische Anwendungsszenarien zu bestimmen. Für eine gegebene Schaltungslebensdauer, Temperatur, Spannung und Aktivität (Schaltverhalten durch Software-Applikationen) können die Auswirkungen der Transistordegradation ausgewertet werden und somit die erforderliche (weder unter- noch überschätzte) Sicherheitstoleranz bestimmt werden. Diese anwendungsspezifische Sicherheitstoleranz, garantiert die Zuverlässigkeit und Funktionalität der Schaltung für genau diese Anwendung bei minimalen Performanzeinbußen

Non-invasive IC tomography using spatial correlations

We introduce a new methodology for post-silicon characterization of the gate-level variations in a manufactured Integrated Circuit (IC). The estimated characteristics are based on the power and the delay measurements that are affected by the process variations. The power (delay) variations are spatially correlated. Thus, there exists a basis in which variations are sparse. The sparse representation suggests using the L1-regularization (the compressive sensing theory). We show how to use the compressive sensing theory to improve post-silicon characterization. We also address the problem by adding spatial constraints directly to the traditional L2-minimization. The proposed methodology is fast, inexpensive, non-invasive, and applicable to legacy designs. Noninvasive IC characterization has a range of emerging applications, including post-silicon optimization, IC identification, and variations' modeling/simulations. The evaluation results on standard benchmark circuits show that, in average, the gate level characteristics estimation accuracy can be improved by more than two times using the proposed methods

Layout-aware variability analysis, yield prediction, and optimization in photonic integrated circuits

We present a simulation framework for evaluating the effect of location-dependent variability in photonic integrated circuits. The framework combines a fast circuit simulator with circuit layout information and wafer maps of waveguide width and layer thickness variations to estimate the statistics of the circuit performance through Monte Carlo simulations. We illustrate this with ring resonator filters, a design sweep of Mach-Zehnder lattice filters, and the tolerance optimization of a Mach-Zehnder interferometer, and show how variability aware design can be essential for future photonic circuit design, especially in a fabless ecosystem where details of the foundry processes are not available to the designers

A Comprehensive Workflow for General-Purpose Neural Modeling with Highly Configurable Neuromorphic Hardware Systems

In this paper we present a methodological framework that meets novel requirements emerging from upcoming types of accelerated and highly configurable neuromorphic hardware systems. We describe in detail a device with 45 million programmable and dynamic synapses that is currently under development, and we sketch the conceptual challenges that arise from taking this platform into operation. More specifically, we aim at the establishment of this neuromorphic system as a flexible and neuroscientifically valuable modeling tool that can be used by non-hardware-experts. We consider various functional aspects to be crucial for this purpose, and we introduce a consistent workflow with detailed descriptions of all involved modules that implement the suggested steps: The integration of the hardware interface into the simulator-independent model description language PyNN; a fully automated translation between the PyNN domain and appropriate hardware configurations; an executable specification of the future neuromorphic system that can be seamlessly integrated into this biology-to-hardware mapping process as a test bench for all software layers and possible hardware design modifications; an evaluation scheme that deploys models from a dedicated benchmark library, compares the results generated by virtual or prototype hardware devices with reference software simulations and analyzes the differences. The integration of these components into one hardware-software workflow provides an ecosystem for ongoing preparative studies that support the hardware design process and represents the basis for the maturity of the model-to-hardware mapping software. The functionality and flexibility of the latter is proven with a variety of experimental results

AI/ML Algorithms and Applications in VLSI Design and Technology

An evident challenge ahead for the integrated circuit (IC) industry in the nanometer regime is the investigation and development of methods that can reduce the design complexity ensuing from growing process variations and curtail the turnaround time of chip manufacturing. Conventional methodologies employed for such tasks are largely manual; thus, time-consuming and resource-intensive. In contrast, the unique learning strategies of artificial intelligence (AI) provide numerous exciting automated approaches for handling complex and data-intensive tasks in very-large-scale integration (VLSI) design and testing. Employing AI and machine learning (ML) algorithms in VLSI design and manufacturing reduces the time and effort for understanding and processing the data within and across different abstraction levels via automated learning algorithms. It, in turn, improves the IC yield and reduces the manufacturing turnaround time. This paper thoroughly reviews the AI/ML automated approaches introduced in the past towards VLSI design and manufacturing. Moreover, we discuss the scope of AI/ML applications in the future at various abstraction levels to revolutionize the field of VLSI design, aiming for high-speed, highly intelligent, and efficient implementations