Novel dual-threshold voltage FinFETs for circuit design and optimization

A great research effort has been invested on finding alternatives to CMOS that have better process variation and subthreshold leakage. From possible candidates, FinFET is the most compatible with respect to CMOS and it has shown promising leakage and speed performance. This thesis introduces basic characteristics of FinFETs and the effects of FinFET physical parameters on their performance are explained quantitatively. I show how dual- V th independent-gate FinFETs can be fabricated by optimizing their physical parameters. Optimum values for these physical parameters are derived using the physics-based University of Florida SPICE model for double-gate devices, and the optimized FinFETs are simulated and validated using Sentaurus TCAD simulations. Dual-14, FinFETs with independent gates enable series and parallel merge transformations in logic gates, realizing compact low power alternative gates with competitive performance and reduced input capacitance in comparison to conventional FinFET gates. Furthermore, they also enable the design of a new class of compact logic gates with higher expressive power and flexibility than CMOS gates. Synthesis results for 16 benchmark circuits from the ISCAS and OpenSPARC suites indicate that on average at 2GHz and 75°C, the library that contains the novel gates reduces total power and the number of fins by 36% and 37% respectively, over a conventional library that does not have novel gates in the 32nm technology

Dual-Vth Independent-Gate FinFETs for Low Power Logic Circuits

This paper describes the electrode work-function, oxide thickness, gate-source/drain underlap, and silicon thickness optimization required to realize dual-Vth independent-gate FinFETs. Optimum values for these FinFET design parameters are derived using the physics-based University of Florida SPICE model for double-gate devices, and the optimized FinFETs are simulated and validated using Sentaurus TCAD simulations. Dual-Vth FinFETs with independent gates enable series and parallel merge transformations in logic gates, realizing compact low power alternative gates with competitive performance and reduced input capacitance in comparison to conventional FinFET gates. Furthermore, they also enable the design of a new class of compact logic gates with higher expressive power and flexibility than conventional CMOS gates, e.g., implementing 12 unique Boolean functions using only four transistors. Circuit designs that balance and improve the performance of the novel gates are described. The gates are designed and calibrated using the University of Florida double-gate model into conventional and enhanced technology libraries. Synthesis results for 16 benchmark circuits from the ISCAS and OpenSPARC suites indicate that on average at 2GHz, the enhanced library reduces total power and the number of fins by 36% and 37%, respectively, over a conventional library designed using shorted-gate FinFETs in 32 nm technology

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

Design for Reliability and Low Power in Emerging Technologies

Die fortlaufende Verkleinerung von Transistor-Strukturgrößen ist einer der wichtigsten Antreiber für das Wachstum in der Halbleitertechnologiebranche. Seit Jahrzehnten erhöhen sich sowohl Integrationsdichte als auch Komplexität von Schaltkreisen und zeigen damit einen fortlaufenden Trend, der sich über alle modernen Fertigungsgrößen erstreckt. Bislang ging das Verkleinern von Transistoren mit einer Verringerung der Versorgungsspannung einher, was zu einer Reduktion der Leistungsaufnahme führte und damit eine gleichbleibenden Leistungsdichte sicherstellte. Doch mit dem Beginn von Strukturgrößen im Nanometerbreich verlangsamte sich die fortlaufende Skalierung. Viele Schwierigkeiten, sowie das Erreichen von physikalischen Grenzen in der Fertigung und Nicht-Idealitäten beim Skalieren der Versorgungsspannung, führten zu einer Zunahme der Leistungsdichte und, damit einhergehend, zu erschwerten Problemen bei der Sicherstellung der Zuverlässigkeit. Dazu zählen, unter anderem, Alterungseffekte in Transistoren sowie übermäßige Hitzeentwicklung, nicht zuletzt durch stärkeres Auftreten von Selbsterhitzungseffekten innerhalb der Transistoren. Damit solche Probleme die Zuverlässigkeit eines Schaltkreises nicht gefährden, werden die internen Signallaufzeiten üblicherweise sehr pessimistisch kalkuliert. Durch den so entstandenen zeitlichen Sicherheitsabstand wird die korrekte Funktionalität des Schaltkreises sichergestellt, allerdings auf Kosten der Performance. Alternativ kann die Zuverlässigkeit des Schaltkreises auch durch andere Techniken erhöht werden, wie zum Beispiel durch Null-Temperatur-Koeffizienten oder Approximate Computing. Wenngleich diese Techniken einen Großteil des üblichen zeitlichen Sicherheitsabstandes einsparen können, bergen sie dennoch weitere Konsequenzen und Kompromisse. Bleibende Herausforderungen bei der Skalierung von CMOS Technologien führen außerdem zu einem verstärkten Fokus auf vielversprechende Zukunftstechnologien. Ein Beispiel dafür ist der Negative Capacitance Field-Effect Transistor (NCFET), der eine beachtenswerte Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen FinFET Transistoren aufweist und diese in Zukunft ersetzen könnte. Des Weiteren setzen Entwickler von Schaltkreisen vermehrt auf komplexe, parallele Strukturen statt auf höhere Taktfrequenzen. Diese komplexen Modelle benötigen moderne Power-Management Techniken in allen Aspekten des Designs. Mit dem Auftreten von neuartigen Transistortechnologien (wie zum Beispiel NCFET) müssen diese Power-Management Techniken neu bewertet werden, da sich Abhängigkeiten und Verhältnismäßigkeiten ändern. Diese Arbeit präsentiert neue Herangehensweisen, sowohl zur Analyse als auch zur Modellierung der Zuverlässigkeit von Schaltkreisen, um zuvor genannte Herausforderungen auf mehreren Designebenen anzugehen. Diese Herangehensweisen unterteilen sich in konventionelle Techniken ((a), (b), (c) und (d)) und unkonventionelle Techniken ((e) und (f)), wie folgt: $\textbf{(a)}$ Analyse von Leistungszunahmen in Zusammenhang mit der Maximierung von Leistungseffizienz beim Betrieb nahe der Transistor Schwellspannung, insbesondere am optimalen Leistungspunkt. Das genaue Ermitteln eines solchen optimalen Leistungspunkts ist eine besondere Herausforderung bei Multicore Designs, da dieser sich mit den jeweiligen Optimierungszielsetzungen und der Arbeitsbelastung verschiebt. $\textbf{(b)}$ Aufzeigen versteckter Interdependenzen zwischen Alterungseffekten bei Transistoren und Schwankungen in der Versorgungsspannung durch „IR-drops“. Eine neuartige Technik wird vorgestellt, die sowohl Über- als auch Unterschätzungen bei der Ermittlung des zeitlichen Sicherheitsabstands vermeidet und folglich den kleinsten, dennoch ausreichenden Sicherheitsabstand ermittelt. $\textbf{(c)}$ Eindämmung von Alterungseffekten bei Transistoren durch „Graceful Approximation“, eine Technik zur Erhöhung der Taktfrequenz bei Bedarf. Der durch Alterungseffekte bedingte zeitlich Sicherheitsabstand wird durch Approximate Computing Techniken ersetzt. Des Weiteren wird Quantisierung verwendet um ausreichend Genauigkeit bei den Berechnungen zu gewährleisten. $\textbf{(d)}$ Eindämmung von temperaturabhängigen Verschlechterungen der Signallaufzeit durch den Betrieb nahe des Null-Temperatur Koeffizienten (N-ZTC). Der Betrieb bei N-ZTC minimiert temperaturbedingte Abweichungen der Performance und der Leistungsaufnahme. Qualitative und quantitative Vergleiche gegenüber dem traditionellen zeitlichen Sicherheitsabstand werden präsentiert. $\textbf{(e)}$ Modellierung von Power-Management Techniken für NCFET-basierte Prozessoren. Die NCFET Technologie hat einzigartige Eigenschaften, durch die herkömmliche Verfahren zur Spannungs- und Frequenzskalierungen zur Laufzeit (DVS/DVFS) suboptimale Ergebnisse erzielen. Dies erfordert NCFET-spezifische Power-Management Techniken, die in dieser Arbeit vorgestellt werden. $\textbf{(f)}$ Vorstellung eines neuartigen heterogenen Multicore Designs in NCFET Technologie. Das Design beinhaltet identische Kerne; Heterogenität entsteht durch die Anwendung der individuellen, optimalen Konfiguration der Kerne. Amdahls Gesetz wird erweitert, um neue system- und anwendungsspezifische Parameter abzudecken und die Vorzüge des neuen Designs aufzuzeigen. Die Auswertungen der vorgestellten Techniken werden mithilfe von Implementierungen und Simulationen auf Schaltkreisebene (gate-level) durchgeführt. Des Weiteren werden Simulatoren auf Systemebene (system-level) verwendet, um Multicore Designs zu implementieren und zu simulieren. Zur Validierung und Bewertung der Effektivität gegenüber dem Stand der Technik werden analytische, gate-level und system-level Simulationen herangezogen, die sowohl synthetische als auch reale Anwendungen betrachten

On Improving Robustness of Hardware Security Primitives and Resistance to Reverse Engineering Attacks

The continued growth of information technology (IT) industry and proliferation of interconnected devices has aggravated the problem of ensuring security and necessitated the need for novel, robust solutions. Physically unclonable functions (PUFs) have emerged as promising secure hardware primitives that can utilize the disorder introduced during manufacturing process to generate unique keys. They can be utilized as \textit{lightweight} roots-of-trust for use in authentication and key generation systems. Unlike insecure non-volatile memory (NVM) based key storage systems, PUFs provide an advantage -- no party, including the manufacturer, should be able to replicate the physical disorder and thus, effectively clone the PUF. However, certain practical problems impeded the widespread deployment of PUFs. This dissertation addresses such problems of (i) reliability and (ii) unclonability. Also, obfuscation techniques have proven necessary to protect intellectual property in the presence of an untrusted supply chain and are needed to aid against counterfeiting. This dissertation explores techniques utilizing layout and logic-aware obfuscation. Collectively, we present secure and cost-effective solutions to address crucial hardware security problems

Limits on Fundamental Limits to Computation

An indispensable part of our lives, computing has also become essential to industries and governments. Steady improvements in computer hardware have been supported by periodic doubling of transistor densities in integrated circuits over the last fifty years. Such Moore scaling now requires increasingly heroic efforts, stimulating research in alternative hardware and stirring controversy. To help evaluate emerging technologies and enrich our understanding of integrated-circuit scaling, we review fundamental limits to computation: in manufacturing, energy, physical space, design and verification effort, and algorithms. To outline what is achievable in principle and in practice, we recall how some limits were circumvented, compare loose and tight limits. We also point out that engineering difficulties encountered by emerging technologies may indicate yet-unknown limits.Comment: 15 pages, 4 figures, 1 tabl

A novel optimization framework for controlling stabilization issue in design principle of FinFET based SRAM

The conventional design principle of the finFET offers various constraints that act as an impediment towards improving ther performance of finFET SRAM. After reviewing existing approaches, it has been found that there are not enough work found to be emphasizing on cost-effective optimization by addressing the stability problems in finFET design.Therefore, the proposed system introduces a novel optimization mechanism considering some essential design attributes e.g. area, thickness of fin, and number of components. The contribution of the proposed technique is to determine the better form of thickness of fin and its related aspect that can act as a solution to minimize various other asscoiated problems in finFET SRAM. Implemented using soft-computational approach, the proposed system exhibits that it offers better energy retention, lower delay, and potential capability to offer higher throughput irrespective of presence of uncertain amount of noise within the component

Configurable Circuits Featuring Dual-Threshold-Voltage Design With Three-Independent-Gate Silicon Nanowire FETs

Silicon nanowire transistors with Schottky-barrier contacts exhibit both n-type and p-type characteristics under different bias conditions. Polarity controllability of silicon nanowire transistors has been further demonstrated by using an additional polarity gate. The device can be configured as n-type or p-type by controlling the polarity gate voltage. This paper extends this approach by using three independent gates and shows its interest to implement dual-threshold-voltage configurable circuits. Polarity and threshold voltage of uncommitted devices are determined by applying different bias patterns to the three gates. Uncommitted logic gates can thus be configured to implement different logic functions, targeting either high-performance or low-leakage applications. Dual-threshold-voltage design is thereby achievable through the use of a wiring scheme on an uncommitted pattern. With the polarity controllability of the three-independent-gate device, a range of logic functions is also obtained by replacing VDD and GND by complementary input signals. Synthesis results of ISCAS’85 and VTR sequential benchmark circuits with these devices show, before place and route, comparable performance and 51% reduction of leakage power consumption compared to 22-nm low-standby-power FinFET technology