Product assurance technology for procuring reliable, radiation-hard, custom LSI/VLSI electronics

Advanced measurement methods using microelectronic test chips are described. These chips are intended to be used in acquiring the data needed to qualify Application Specific Integrated Circuits (ASIC's) for space use. Efforts were focused on developing the technology for obtaining custom IC's from CMOS/bulk silicon foundries. A series of test chips were developed: a parametric test strip, a fault chip, a set of reliability chips, and the CRRES (Combined Release and Radiation Effects Satellite) chip, a test circuit for monitoring space radiation effects. The technical accomplishments of the effort include: (1) development of a fault chip that contains a set of test structures used to evaluate the density of various process-induced defects; (2) development of new test structures and testing techniques for measuring gate-oxide capacitance, gate-overlap capacitance, and propagation delay; (3) development of a set of reliability chips that are used to evaluate failure mechanisms in CMOS/bulk: interconnect and contact electromigration and time-dependent dielectric breakdown; (4) development of MOSFET parameter extraction procedures for evaluating subthreshold characteristics; (5) evaluation of test chips and test strips on the second CRRES wafer run; (6) two dedicated fabrication runs for the CRRES chip flight parts; and (7) publication of two papers: one on the split-cross bridge resistor and another on asymmetrical SRAM (static random access memory) cells for single-event upset analysis

Validating foundry technologies for extended mission profiles

This paper presents a process qualification and characterization strategy that can extend the foundry process reliability potential to meet specific automotive mission profile requirements. In this case study, data and analyses are provided that lead to sufficient confidence for pushing the allowed mission profile envelope of a process towards more aggressive (automotive) applications.\ud \u

IC design for reliability

textAs the feature size of integrated circuits goes down to the nanometer scale, transient and permanent reliability issues are becoming a significant concern for circuit designers. Traditionally, the reliability issues were mostly handled at the device level as a device engineering problem. However, the increasing severity of reliability challenges and higher error rates due to transient upsets favor higher-level design for reliability (DFR). In this work, we develop several methods for DFR at the circuit level. A major source of transient errors is the single event upset (SEU). SEUs are caused by high-energy particles present in the cosmic rays or emitted by radioactive contaminants in the chip packaging materials. When these particles hit a N+/P+ depletion region of an MOS transistor, they may generate a temporary logic fault. Depending on where the MOS transistor is located and what state the circuit is at, an SEU may result in a circuit-level error. We analyze SEUs both in combinational logic and memories (SRAM). For combinational logic circuit, we propose FASER, a Fast Analysis tool of Soft ERror susceptibility for cell-based designs. The efficiency of FASER is achieved through its static and vector-less nature. In order to evaluate the impact of SEU on SRAM, a theory for estimating dynamic noise margins is developed analytically. The results allow predicting the transient error susceptibility of an SRAM cell using a closedform expression. Among the many permanent failure mechanisms that include time-dependent oxide breakdown (TDDB), electro-migration (EM), hot carrier effect (HCE), and negative bias temperature instability (NBTI), NBTI has recently become important. Therefore, the main focus of our work is NBTI. NBTI occurs when the gate of PMOS is negatively biased. The voltage stress across the gate generates interface traps, which degrade the threshold voltage of PMOS. The degraded PMOS may eventually fail to meet timing requirement and cause functional errors. NBTI becomes severe at elevated temperatures. In this dissertation, we propose a NBTI degradation model that takes into account the temperature variation on the chip and gives the accurate estimation of the degraded threshold voltage. In order to account for the degradation of devices, traditional design methods add guard-bands to ensure that the circuit will function properly during its lifetime. However, the worst-case based guard-bands lead to significant penalty in performance. In this dissertation, we propose an effective macromodel-based reliability tracking and management framework, based on a hybrid network of on-chip sensors, consisting of temperature sensors and ring oscillators. The model is concerned specifically with NBTIinduced transistor aging. The key feature of our work, in contrast to the traditional tracking techniques that rely solely on direct measurement of the increase of threshold voltage or circuit delay, is an explicit macromodel which maps operating temperature to circuit degradation (the increase of circuit delay). The macromodel allows for costeffective tracking of reliability using temperature sensors and is also essential for enabling the control loop of the reliability management system. The developed methods improve the over-conservatism of the device-level, worstcase reliability estimation techniques. As the severity of reliability challenges continue to grow with technology scaling, it will become more important for circuit designers/CAD tools to be equipped with the developed methods.Electrical and Computer Engineerin

Reliability Enhancement Of Ring Oscillator Based Physically Unclonable Functions

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2012Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2012Bu çalışmada, halka osilatör tabanlı fiziksel klonlanamayan fonksiyon devrelerinin, çeşitli çevresel etkiler karşısında güvenilirliklerin artırılması amaçlanmıştır. Öncelikle, osilatör çiftlerinin ürettiği frekans farklılıklarını ve dinamik etkileri gözlemleyip modelleyebilmek için çeşitli sahada programlanabilir kapı dizilerinin (FPGA) farklı bölgelerinde osilatör çiftleri gerçeklenmiş ve frekans farklılıkları ölçülmüştür. Bu ölçümler sonucunda halka osilatör çiftlerinine ilişkin statik ve dinamik dağılımlar elde edilmiştir. Güvenilirliği artırmak amacıyla halka osilatörleri etiketleyen bir yöntem önerilmiştir. Bu çalışmada ayrıca, bir osilatör çiftinden birden fazla bit elde etme işlemi de incelenmiş ve dinamik etkilere karşı test edilmiştir. Etiketleme yönteminin etkinliğini ve bir osilatör çiftinden birden fazla bit elde etme işlemini gerçek devre üzerinde incelemek amacıyla, fiziksel klonlanamayan fonksiyon devresi FPGA üzerinde gerçeklenmiştir. Sıcaklık odası ile ortamın sıcaklığı 10 – 65 °C arasında değiştirilmiştir. Sonuç olarak, ortam sıcaklığının artmasıyla birlikte güvenilmez bit sayısının arttığı gözlenmiştir. Etiketleme yöntemi kullanıldığında güvenilmez bite rastlanmamıştır. Bir halka osilatör çiftinden birden fazla bit (iki ve üç bit bilgi) elde edilmesi de test edilmiştir. Elde edilen iki ve üç bitlik verilerin küçük bir farklılıkla birlikte eşit dağılımlı olduğu gözlenmiştir. Bir osilatör çiftinden elde edilen bit sayısı arttıkça, güvenilir olmayan bitlerin sayısı da artmıştır. Fakat bir osilatörden iki ve üç bit elde etmede tüm hataların komşu bölgede olduğu gözlenmiştir.In this thesis, it is aimed to enhance the reliability of ring oscillator based Physically Unclonable Functions (PUFs) under different environmental variations. In order to observe and model the frequency difference of ring oscillator pairs and dynamic effects, ring oscillators are realized and measured at different locations of different Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). After the measurements, static and dynamic distributions of ring oscillator pairs are obtained. In order to increase the reliability, a new technique that is labeling ring oscillators, is proposed. Also, in this study, the process of obtaining multiple bits from a ring oscillator pair is observed and tested with respect to dynamic effects. In order to analyze the enhancement of labeling technique and multiple bit extraction at the circuit, the PUF circuit is implemented on an FPGA. The ambient temperature is changed between 10 – 65 °C with a temperature chamber. As a result, it is observed that with increasing ambient temperature, the number of unreliable bits are increased. When labeling technique is used, no unreliable bits are observed. Multiple bits extraction (two and three bits extraction) is also tested. It is observed that the distribution of two and three bit wide data are almost equally distributed. The number of unreliable bits are increased with the extracted bit numbers. However, it is seen that all erronous bits are caused by jumping to adjacent region.Yüksek LisansM.Sc

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

Robust Circuit Design for Low-Voltage VLSI.

Voltage scaling is an effective way to reduce the overall power consumption, but the major challenges in low voltage operations include performance degradation and reliability issues due to PVT variations. This dissertation discusses three key circuit components that are critical in low-voltage VLSI. Level converters must be a reliable interface between two voltage domains, but the reduced on/off-current ratio makes it extremely difficult to achieve robust conversions at low voltages. Two static designs are proposed: LC2 adopts a novel pulsed-operation and modulates its pull-up strength depending on its state. A 3-sigma robustness is guaranteed using a current margin plot; SLC inherently reduces the contention by diode-insertion. Improvements in performance, power, and robustness are measured from 130nm CMOS test chips. SRAM is a major bottleneck in voltage-scaling due to its inherent ratioed-bitcell design. The proposed 7T SRAM alleviates the area overhead incurred by 8T bitcells and provides robust operation down to 0.32V in 180nm CMOS test chips with 3.35fW/bit leakage. Auto-Shut-Off provides a 6.8x READ energy reduction, and its innate Quasi-Static READ has been demonstrated which shows a much improved READ error rate. A use of PMOS Pass-Gate improves the half-select robustness by directly modulating the device strength through bitline voltage. Clocked sequential elements, flip-flops in short, are ubiquitous in today’s digital systems. The proposed S2CFF is static, single-phase, contention-free, and has the same number of devices as in TGFF. It shows a 40% power reduction as well as robust low-voltage operations in fabricated 45nm SOI test chips. Its simple hold-time path and the 3.4x improvement in 3-sigma hold-time is presented. A new on-chip flip-flop testing harness is also proposed, and measured hold-time variations of flip-flops are presented.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/111525/1/yejoong_1.pd

Techniques for Aging, Soft Errors and Temperature to Increase the Reliability of Embedded On-Chip Systems

This thesis investigates the challenge of providing an abstracted, yet sufficiently accurate reliability estimation for embedded on-chip systems. In addition, it also proposes new techniques to increase the reliability of register files within processors against aging effects and soft errors. It also introduces a novel thermal measurement setup that perspicuously captures the infrared images of modern multi-core processors