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

Circuit reliability prediction: Challenges and solutions for the device time-dependent variability characterization roadblock

Copyright IEEEThe characterization of the MOSFET Time-Dependent Variability (TDV) can be a showstopper for reliability-Aware circuit design in advanced CMOS nodes. In this work, a complete MOSFET characterization flow is presented, in the context of a physics-based TDV compact model, that addresses the main TDV characterization challenges for accurate circuit reliability prediction at design time. The pillars of this approach are described and illustrated through examples.This work was supported by the VIGILANT Project (PID2019-103869RB / AEI / 10.13039/501100011033) and the TEC2016-75151-C3-R Project (AEI/FEDER, UE).Peer reviewe

NEGATIVE BIAS TEMPERATURE INSTABILITY STUDIES FOR ANALOG SOC CIRCUITS

Negative Bias Temperature Instability (NBTI) is one of the recent reliability issues in sub threshold CMOS circuits. NBTI effect on analog circuits, which require matched device pairs and mismatches, will cause circuit failure. This work is to assess the NBTI effect considering the voltage and the temperature variations. It also provides a working knowledge of NBTI awareness to the circuit design community for reliable design of the SOC analog circuit. There have been numerous studies to date on the NBTI effect to analog circuits. However, other researchers did not study the implication of NBTI stress on analog circuits utilizing bandgap reference circuit. The reliability performance of all matched pair circuits, particularly the bandgap reference, is at the mercy of aging differential. Reliability simulation is mandatory to obtain realistic risk evaluation for circuit design reliability qualification. It is applicable to all circuit aging problems covering both analog and digital. Failure rate varies as a function of voltage and temperature. It is shown that PMOS is the reliabilitysusceptible device and NBTI is the most vital failure mechanism for analog circuit in sub-micrometer CMOS technology. This study provides a complete reliability simulation analysis of the on-die Thermal Sensor and the Digital Analog Converter (DAC) circuits and analyzes the effect of NBTI using reliability simulation tool. In order to check out the robustness of the NBTI-induced SOC circuit design, a bum-in experiment was conducted on the DAC circuits. The NBTI degradation observed in the reliability simulation analysis has given a clue that under a severe stress condition, a massive voltage threshold mismatch of beyond the 2mV limit was recorded. Bum-in experimental result on DAC proves the reliability sensitivity of NBTI to the DAC circuitry

Fault-tolerant design of RF front-end circuits

The continuing trends of scaling in the CMOS industry have, inevitably, been accompanied by an ever-increasing array of process faults and fabrication complexities. The relentless march towards miniaturization and massive integration, in addition to increasing operating frequencies has resulted in increasing concerns about the reliability of integrated RF front-ends. Coupled with rising cost per chip, the fault-tolerant paradigm has become pertinent in the RFIC domain. Two main reasons have contributed to the fact that fault-tolerant solutions for circuits that operate in the GHz domain have not been realized so far. First, GHz signals are extremely sensitive to higher-order effects such as stray pick-ups, interference, package & on-chip parasitics, etc. Secondly, the use of passives, especially inductors, in the feedback path poses huge area overheads, in addition to a slew of instability problems due to wide variations and soft faults. Hence traditional fault-tolerance methods used in digital and low frequency analog circuits cannot be applied in the RF domain. This work presents a unique methodology to achieve fault-tolerance in RF circuits through dynamic sensing and on-chip self-correction, along with the development of robust algorithms. This technique is minimally intrusive and is transparent during \u27normal\u27 use of the circuit. It is characterized by low area and power overheads, does not need any off-chip computing or DSP cores, and is characterized by self-correction times in the range of a few hundreds of microseconds. It compares very well with existing commercial RF test solutions that use DSP cores and require hundreds of milliseconds. The methodology is demonstrated on a LNA, since it is critical for the performance of the entire front-end. It is validated with simulation and fabrication results of the system designed in IBM 0.25 µm CMOS 6RF process

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

Challenges and Opportunities in Implementing Negative Differential Resistance Mode Reconfigurable Field Effect Transistors

Desirably, the world relies on the devices being compact, as they could drive to the increased functionality of integrated circuits at the provided footstep, that is becoming more reliable. To reduce the scalability over the devices, approach has been outlined utilizing the NDR mode reconfigurable functionality over the transistors. Being an individual device efficient in exhibiting different task with the different configurations in the same physical circuitry. On the view of reconfigurable transistors, possibly authorize the reconfiguration from a p-type to n-type channel transistor has been expelled as an emerging application such as static memory cells, fast switching logic circuits as well as energy efficient computational multi valued logic. This article emphasizes NDR mode RFET along with its classification, followed by enhancing the RFET technology concepts and RFETs future potential has been discussed briefing with the growing applications like hardware security as well as neuro-inspired computing.Comment: 28 pages, 9 figure

A novel deep submicron bulk planar sizing strategy for low energy subthreshold standard cell libraries

Engineering andPhysical Science ResearchCouncil (EPSRC) and Arm Ltd for providing funding in the form of grants and studentshipsThis work investigates bulk planar deep submicron semiconductor physics in an attempt to improve standard cell libraries aimed at operation in the subthreshold regime and in Ultra Wide Dynamic Voltage Scaling schemes. The current state of research in the field is examined, with particular emphasis on how subthreshold physical effects degrade robustness, variability and performance. How prevalent these physical effects are in a commercial 65nm library is then investigated by extensive modeling of a BSIM4.5 compact model. Three distinct sizing strategies emerge, cells of each strategy are laid out and post-layout parasitically extracted models simulated to determine the advantages/disadvantages of each. Full custom ring oscillators are designed and manufactured. Measured results reveal a close correlation with the simulated results, with frequency improvements of up to 2.75X/2.43X obs erved for RVT/LVT devices respectively. The experiment provides the first silicon evidence of the improvement capability of the Inverse Narrow Width Effect over a wide supply voltage range, as well as a mechanism of additional temperature stability in the subthreshold regime. A novel sizing strategy is proposed and pursued to determine whether it is able to produce a superior complex circuit design using a commercial digital synthesis flow. Two 128 bit AES cores are synthesized from the novel sizing strategy and compared against a third AES core synthesized from a state-of-the-art subthreshold standard cell library used by ARM. Results show improvements in energy-per-cycle of up to 27.3% and frequency improvements of up to 10.25X. The novel subthreshold sizing strategy proves superior over a temperature range of 0 °C to 85 °C with a nominal (20 °C) improvement in energy-per-cycle of 24% and frequency improvement of 8.65X. A comparison to prior art is then performed. Valid cases are presented where the proposed sizing strategy would be a candidate to produce superior subthreshold circuits

Floating-Gate MOS Transistor with Dynamic Biasing as a Radiation Sensor

This paper describes the possibility of using an Electrically Programmable Analog Device (EPAD) as a gamma radiation sensor. Zero-biased EPAD has the lowest fading and the highest sensitivity in the 300 Gy dose range. Dynamic bias of the control gate during irradiation was presented for the first time; this method achieved higher sensitivity compared to static-biased EPADs and better linear dependence. Due to the degradation of the transfer characteristics of EPAD during irradiation, a function of the safe operation area has been found that determines the maximum voltage at the control gate for the desired dose, which will not lead to degradation of the transistor. Using an energy band diagram, it was explained why the zero-biased EPAD has higher sensitivity than the static-biased EPAD

The Conference on High Temperature Electronics

The status of and directions for high temperature electronics research and development were evaluated. Major objectives were to (1) identify common user needs; (2) put into perspective the directions for future work; and (3) address the problem of bringing to practical fruition the results of these efforts. More than half of the presentations dealt with materials and devices, rather than circuits and systems. Conference session titles and an example of a paper presented in each session are (1) User requirements: High temperature electronics applications in space explorations; (2) Devices: Passive components for high temperature operation; (3) Circuits and systems: Process characteristics and design methods for a 300 degree QUAD or AMP; and (4) Packaging: Presently available energy supply for high temperature environment