정적 램 및 파워 게이트 회로에 대한 전압 및 보존용 공간 할당 문제

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2021.8. 김태환.칩의 저전력 동작은 중요한 문제이며, 공정이 발전하면서 그 중요성은 점점 커지고 있다. 본 논문은 칩을 구성하는 정적 램(SRAM) 및 로직(logic) 각각에 대해서 저전력으로 동작시키는 방법론을 논한다. 우선, 본 논문에서는 칩을 문턱 전압 근처의 전압(NTV)에서 동작시키고자 할 때 모니터링 회로의 측정을 통해 칩 내의 모든 SRAM 블록에서 동작 실패가 발생하지 않는 최소 동작 전압을 추론하는 방법론을 제안한다. 칩을 NTV 영역에서 동작시키는 것은 에너지 효율성을 증대시킬 수 있는 매우 효과적인 방법 중 하나이지만 SRAM의 경우 동작 실패 때문에 동작 전압을 낮추기 어렵다. 하지만 칩마다 영향을 받는 공정 변이가 다르므로 최소 동작 전압은 칩마다 다르며, 모니터링을 통해 이를 추론해낼 수 있다면 칩별로 SRAM에 서로 다른 전압을 인가해 에너지 효율성을 높일 수 있다. 본 논문에서는 다음과 같은 과정을 통해 이 문제를 해결한다: (1) 디자인 인프라 설계 단계에서는 SRAM의 최소 동작 전압을 추론하고 칩 생산 단계에서는 SRAM 모니터의 측정을 통해 전압을 인가하는 방법론을 제안한다; (2) 칩의 SRAM 비트셀(bitcell)과 주변 회로를 포함한 SRAM 블록들의 공정 변이를 모니터링할 수 있는 SRAM 모니터와 SRAM 모니터에서 모니터링할 대상을 정의한다; (3) SRAM 모니터의 측정값을 이용해 같은 칩에 존재하는 모든 SRAM 블록에서 목표 신뢰수준 내에서 읽기, 쓰기, 및 접근 동작 실패가 발생하지 않는 최소 동작 전압을 추론한다. 벤치마크 회로의 실험 결과는 본 논문에서 제안한 방법을 따라 칩별로 SRAM 블록들의 최소 동작 전압을 다르게 인가할 경우, 기존 방법대로 모든 칩에 동일한 전압을 인가하는 것 대비 수율은 같은 수준으로 유지하면서 SRAM 비트셀 배열의 전력 소모를 감소시킬 수 있음을 보인다. 두 번째로, 본 논문에서는 파워 게이트 회로에서 기존의 보존용 공간 할당 방법들이 지니고 있는 문제를 해결하고 누설 전력 소모를 더 줄일 수 있는 방법론을 제안한다. 기존의 보존용 공간 할당 방법은 멀티플렉서 피드백 루프가 있는 모든 플립플롭에는 무조건 보존용 공간을 할당해야 해야 하기 때문에 다중 비트 보존용 공간의 장점을 충분히 살리지 못하는 문제가 있다. 본 논문에서는 다음과 같은 방법을 통해 보존용 공간을 최소화하는 문제를 해결한다: (1) 보존용 공간 할당 과정에서 멀티플렉서 피드백 루프를 무시할 수 있는 조건을 제시하고, (2) 해당 조건을 이용해 멀티플렉서 피드백 루프가 있는 플립플롭이 많이 존재하는 회로에서 보존용 공간을 최소화한다; (3) 추가로, 플립플롭에 이미 할당된 보존용 공간 중 일부를 제거할 수 있는 조건을 찾고, 이를 이용해 보존용 공간을 더 감소시킨다. 벤치마크 회로의 실험 결과는 본 논문에서 제안한 방법론이 기존의 보존용 공간 할당 방법론보다 더 적은 보존용 공간을 할당하며, 따라서 칩의 면적 및 전력 소모를 감소시킬 수 있음을 보인다.Low power operation of a chip is an important issue, and its importance is increasing as the process technology advances. This dissertation addresses the methodology of operating at low power for each of the SRAM and logic constituting the chip. Firstly, we propose a methodology to infer the minimum operating voltage at which SRAM failure does not occur in all SRAM blocks in the chip operating on near threshold voltage (NTV) regime through the measurement of a monitoring circuit. Operating the chip on NTV regime is one of the most effective ways to increase energy efficiency, but in case of SRAM, it is difficult to lower the operating voltage because of SRAM failure. However, since the process variation on each chip is different, the minimum operating voltage is also different for each chip. If it is possible to infer the minimum operating voltage of SRAM blocks of each chip through monitoring, energy efficiency can be increased by applying different voltage. In this dissertation, we propose a new methodology of resolving this problem. Specifically, (1) we propose to infer minimum operation voltage of SRAM in design infra development phase, and assign the voltage using measurement of SRAM monitor in silicon production phase; (2) we define a SRAM monitor and features to be monitored that can monitor process variation on SRAM blocks including SRAM bitcell and peripheral circuits; (3) we propose a new methodology of inferring minimum operating voltage of SRAM blocks in a chip that does not cause read, write, and access failures under a target confidence level. Through experiments with benchmark circuits, it is confirmed that applying different voltage to SRAM blocks in each chip that inferred by our proposed methodology can save overall power consumption of SRAM bitcell array compared to applying same voltage to SRAM blocks in all chips, while meeting the same yield target. Secondly, we propose a methodology to resolve the problem of the conventional retention storage allocation methods and thereby further reduce leakage power consumption of power gated circuit. Conventional retention storage allocation methods have problem of not fully utilizing the advantage of multi-bit retention storage because of the unavoidable allocation of retention storage on flip-flops with mux-feedback loop. In this dissertation, we propose a new methodology of breaking the bottleneck of minimizing the state retention storage. Specifically, (1) we find a condition that mux-feedback loop can be disregarded during the retention storage allocation; (2) utilizing the condition, we minimize the retention storage of circuits that contain many flip-flops with mux-feedback loop; (3) we find a condition to remove some of the retention storage already allocated to each of flip-flops and propose to further reduce the retention storage. Through experiments with benchmark circuits, it is confirmed that our proposed methodology allocates less retention storage compared to the state-of-the-art methods, occupying less cell area and consuming less power.1 Introduction 1 1.1 Low Voltage SRAM Monitoring Methodology 1 1.2 Retention Storage Allocation on Power Gated Circuit 5 1.3 Contributions of this Dissertation 8 2 SRAM On-Chip Monitoring Methodology for High Yield and Energy Efficient Memory Operation at Near Threshold Voltage 13 2.1 SRAM Failures 13 2.1.1 Read Failure 13 2.1.2 Write Failure 15 2.1.3 Access Failure 16 2.1.4 Hold Failure 16 2.2 SRAM On-chip Monitoring Methodology: Bitcell Variation 18 2.2.1 Overall Flow 18 2.2.2 SRAM Monitor and Monitoring Target 18 2.2.3 Vfail to Vddmin Inference 22 2.3 SRAM On-chip Monitoring Methodology: Peripheral Circuit IR Drop and Variation 29 2.3.1 Consideration of IR Drop 29 2.3.2 Consideration of Peripheral Circuit Variation 30 2.3.3 Vddmin Prediction including Access Failure Prohibition 33 2.4 Experimental Results 41 2.4.1 Vddmin Considering Read and Write Failures 42 2.4.2 Vddmin Considering Read/Write and Access Failures 45 2.4.3 Observation for Practical Use 45 3 Allocation of Always-On State Retention Storage for Power Gated Circuits - Steady State Driven Approach 49 3.1 Motivations and Analysis 49 3.1.1 Impact of Self-loop on Power Gating 49 3.1.2 Circuit Behavior Before Sleeping 52 3.1.3 Wakeup Latency vs. Retention Storage 54 3.2 Steady State Driven Retention Storage Allocation 56 3.2.1 Extracting Steady State Self-loop FFs 57 3.2.2 Allocating State Retention Storage 59 3.2.3 Designing and Optimizing Steady State Monitoring Logic 59 3.2.4 Analysis of the Impact of Steady State Monitoring Time on the Standby Power 63 3.3 Retention Storage Refinement Utilizing Steadiness 65 3.3.1 Extracting Flip-flops for Retention Storage Refinement 66 3.3.2 Designing State Monitoring Logic and Control Signals 68 3.4 Experimental Results 73 3.4.1 Comparison of State Retention Storage 75 3.4.2 Comparison of Power Consumption 79 3.4.3 Impact on Circuit Performance 82 3.4.4 Support for Immediate Power Gating 83 4 Conclusions 89 4.1 Chapter 2 89 4.2 Chapter 3 90박

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