High Quality Delay Testing Scheme for a Self-Timed Microprocessor

RÉSUMÉ La popularité d’internet et la quantité toujours croissante de données qui transitent à travers ses terminaux nécessite d’importantes infrastructures de serveurs qui consomment énormément d’énergie. Par conséquent, et puisqu’une augmentation de la consommation d’énergie se traduit par une augmentation des coûts, la demande pour des processeurs efficaces en énergie est en forte hausse. Une manière d’augmenter l’efficacité énergétique des processeurs consiste à moduler la fréquence d’opération du système en fonction de la charge de travail. Les processeurs endochrones et asynchrones sont une des solutions mettant en œuvre ce principe de modulation de l’activité à la demande. Cependant, les méthodes de conception non conventionnelles qui leur sont associées, en particulier en termes de testabilité et d’automation, sont un frein au développement de ce type de systèmes. Ce travail s’intéresse au développement d’une méthode de test de haute qualité adressée aux pannes de retards dans une architecture de processeur endochrone spécifique, appelée AnARM. La méthode proposée consiste à détecter les pannes à faibles retards (PFR) dans l’AnARM en tirant profit des lignes à délais configurables intégrées. Ces pannes sont connues pour passer au travers des modèles de pannes de retards utilisés habituellement (les pannes de retards de portes). Ce travail s’intéresse principalement aux PFR qui échappent à la détection des pannes de retards de portes mais qui sont suffisamment longues pour provoquer des erreurs dans des conditions normales d’opération. D’autre part, la détection de pannes à très faibles retards est évitée, autant que possible, afin de limiter le nombre de faux positifs. Pour réaliser un test de haute qualité, ce travail propose, dans un premier temps, une métrique de test dédiée aux PFR, qui est mieux adaptée aux circuits endochrones, puis, dans un second temps, une méthode de test des pannes de retards basée sur la modulation de la vitesse des lignes à délais intégrés, qui s’adapte à un jeu de vecteurs de test préexistant.Ce travail présente une métrique de test ciblant les PFR, appelée pourcentage de marges pondérées (PoMP), ainsi qu’un nouveau modèle de test pour les PFR (appelé test de PFR idéal).----------ABSTRACT The popularity of the Internet and the huge amount of data that is transfered between devices nowadays requires very powerful servers that demand lots of power. Since higher power consumptions mean more expenses to companies, there is an increase in demand for power eÿcient processors. One of the ways to increase the power eÿciency of processors is to adapt the processing speeds and chip activity according the needed computation load. Self-timed or asynchronous processors are one of the solutions that apply this principle of activity on demand. However, their unconventional design methodology introduces several challenges in terms of testability and design automation. This work focuses on developing a high quality delay test for a specific architecture of self-timed processors called the AnARM. The proposed delay test focuses on catching e˙ective small-delay defects (SDDs) in the AnARM by taking advantage of built-in configurable delay lines. Those defects are known to escape one of the most commonly used delay fault models (the transition delay fault model). This work mainly focuses on e˙ective SDDs which can escape transition delay fault testing and are large enough to fail the circuit under normal operating conditions. At the same time, catching very small delay defects is avoided, when possible, to avoid falsely failing functional chips. To build the high quality delay test, this work develops an SDD test quality metric that is better suited for circuits with adaptable speeds. Then, it builds a delay test optimizer that adapts the built-in delay lines speeds to a preexisting at-speed pattern set to create a high quality SDD test. This work presents a novel SDD test quality metric called the weighted slack percentage (WeSPer), along with a new SDD testing model (named the ideal SDD test model). WeSPer is built to be a flexible metric capable of adapting to the availability of information about the circuit under test and the test environment. Since the AnARM can use multiple test speeds, WeSPer computation takes special care of assessing the effects of test frequency changes on the test quality. Specifically, special care is taken into avoiding overtesting the circuit. Overtesting will cause circuits under test to fail due to defects that are too small to affect the functionality of these circuits in their present state. A computation framework is built to compute WeSPer and compare it with other existing metrics in the literature over a large sets of process-voltage-temperature computation points. Simulations are done on a selected set of known benchmark circuits synthesized in the 28nm FD-SOI technology from STMicroelectronics

Fault simulation and test generation for small delay faults

Delay faults are an increasingly important test challenge. Traditional delay fault models are incomplete in that they model only a subset of delay defect behaviors. To solve this problem, a more realistic delay fault model has been developed which models delay faults caused by the combination of spot defects and parametric process variation. According to the new model, a realistic delay fault coverage metric has been developed. Traditional path delay fault coverage metrics result in unrealistically low fault coverage, and the real test quality is not reflected. The new metric uses a statistical approach and the simulation based fault coverage is consistent with silicon data. Fast simulation algorithms are also included in this dissertation. The new metric suggests that testing the K longest paths per gate (KLPG) has high detection probability for small delay faults under process variation. In this dissertation, a novel automatic test pattern generation (ATPG) methodology to find the K longest testable paths through each gate for both combinational and sequential circuits is presented. Many techniques are used to reduce search space and CPU time significantly. Experimental results show that this methodology is efficient and able to handle circuits with an exponential number of paths, such as ISCAS85 benchmark circuit c6288. The ATPG methodology has been implemented on industrial designs. Speed binning has been done on many devices and silicon data has shown significant benefit of the KLPG test, compared to several traditional delay test approaches

An advanced Framework for efficient IC optimization based on analytical models engine

En base als reptes sorgits a conseqüència de l'escalat de la tecnologia, la present tesis desenvolupa i analitza un conjunt d'eines orientades a avaluar la sensibilitat a la propagació d'esdeveniments SET en circuits microelectrònics. S'han proposant varies mètriques de propagació de SETs considerant l'impacto dels emmascaraments lògic, elèctric i combinat lògic-elèctric. Aquestes mètriques proporcionen una via d'anàlisi per quantificar tant les regions més susceptibles a propagar SETs com les sortides més susceptibles de rebre'ls. S'ha desenvolupat un conjunt d'algorismes de cerca de camins sensibilitzables altament adaptables a múltiples aplicacions, un sistema lògic especific i diverses tècniques de simplificació de circuits. S'ha demostrat que el retard d'un camí donat depèn dels vectors de sensibilització aplicats a les portes que formen part del mateix, essent aquesta variació de retard comparable a la atribuïble a les variacions paramètriques del proces.En base a los desafíos surgidos a consecuencia del escalado de la tecnología, la presente tesis desarrolla y analiza un conjunto de herramientas orientadas a evaluar la sensibilidad a la propagación de eventos SET en circuitos microelectrónicos. Se han propuesto varias métricas de propagación de SETs considerando el impacto de los enmascaramientos lógico, eléctrico y combinado lógico-eléctrico. Estas métricas proporcionan una vía de análisis para cuantificar tanto las regiones más susceptibles a propagar eventos SET como las salidas más susceptibles a recibirlos. Ha sido desarrollado un conjunto de algoritmos de búsqueda de caminos sensibilizables altamente adaptables a múltiples aplicaciones, un sistema lógico especifico y diversas técnicas de simplificación de circuitos. Se ha demostrado que el retardo de un camino dado depende de los vectores de sensibilización aplicados a las puertas que forman parte del mismo, siendo esta variación de retardo comparable a la atribuible a las variaciones paramétricas del proceso.Based on the challenges arising as a result of technology scaling, this thesis develops and evaluates a complete framework for SET propagation sensitivity. The framework comprises a number of processing tools capable of handling circuits with high complexity in an efficient way. Various SET propagation metrics have been proposed considering the impact of logic, electric and combined logic-electric masking. Such metrics provide a valuable vehicle to grade either in-circuit regions being more susceptible of propagating SETs toward the circuit outputs or circuit outputs more susceptible to produce SET. A quite efficient and customizable true path finding algorithm with a specific logic system has been constructed and its efficacy demonstrated on large benchmark circuits. It has been shown that the delay of a path depends on the sensitization vectors applied to the gates within the path. In some cases, this variation is comparable to the one caused by process parameters variation

Hardware / Software Architectural and Technological Exploration for Energy-Efficient and Reliable Biomedical Devices

Nowadays, the ubiquity of smart appliances in our everyday lives is increasingly strengthening the links between humans and machines. Beyond making our lives easier and more convenient, smart devices are now playing an important role in personalized healthcare delivery. This technological breakthrough is particularly relevant in a world where population aging and unhealthy habits have made non-communicable diseases the first leading cause of death worldwide according to international public health organizations. In this context, smart health monitoring systems termed Wireless Body Sensor Nodes (WBSNs), represent a paradigm shift in the healthcare landscape by greatly lowering the cost of long-term monitoring of chronic diseases, as well as improving patients' lifestyles. WBSNs are able to autonomously acquire biological signals and embed on-node Digital Signal Processing (DSP) capabilities to deliver clinically-accurate health diagnoses in real-time, even outside of a hospital environment. Energy efficiency and reliability are fundamental requirements for WBSNs, since they must operate for extended periods of time, while relying on compact batteries. These constraints, in turn, impose carefully designed hardware and software architectures for hosting the execution of complex biomedical applications. In this thesis, I develop and explore novel solutions at the architectural and technological level of the integrated circuit design domain, to enhance the energy efficiency and reliability of current WBSNs. Firstly, following a top-down approach driven by the characteristics of biomedical algorithms, I perform an architectural exploration of a heterogeneous and reconfigurable computing platform devoted to bio-signal analysis. By interfacing a shared Coarse-Grained Reconfigurable Array (CGRA) accelerator, this domain-specific platform can achieve higher performance and energy savings, beyond the capabilities offered by a baseline multi-processor system. More precisely, I propose three CGRA architectures, each contributing differently to the maximization of the application parallelization. The proposed Single, Multi and Interleaved-Datapath CGRA designs allow the developed platform to achieve substantial energy savings of up to 37%, when executing complex biomedical applications, with respect to a multi-core-only platform. Secondly, I investigate how the modeling of technology reliability issues in logic and memory components can be exploited to adequately adjust the frequency and supply voltage of a circuit, with the aim of optimizing its computing performance and energy efficiency. To this end, I propose a novel framework for workload-dependent Bias Temperature Instability (BTI) impact analysis on biomedical application results quality. Remarkably, the framework is able to determine the range of safe circuit operating frequencies without introducing worst-case guard bands. Experiments highlight the possibility to safely raise the frequency up to 101% above the maximum obtained with the classical static timing analysis. Finally, through the study of several well-known biomedical algorithms, I propose an approach allowing energy savings by dynamically and unequally protecting an under-powered data memory in a new way compared to regular error protection schemes. This solution relies on the Dynamic eRror compEnsation And Masking (DREAM) technique that reduces by approximately 21% the energy consumed by traditional error correction codes

Dependable Embedded Systems

This Open Access book introduces readers to many new techniques for enhancing and optimizing reliability in embedded systems, which have emerged particularly within the last five years. This book introduces the most prominent reliability concerns from today’s points of view and roughly recapitulates the progress in the community so far. Unlike other books that focus on a single abstraction level such circuit level or system level alone, the focus of this book is to deal with the different reliability challenges across different levels starting from the physical level all the way to the system level (cross-layer approaches). The book aims at demonstrating how new hardware/software co-design solution can be proposed to ef-fectively mitigate reliability degradation such as transistor aging, processor variation, temperature effects, soft errors, etc. Provides readers with latest insights into novel, cross-layer methods and models with respect to dependability of embedded systems; Describes cross-layer approaches that can leverage reliability through techniques that are pro-actively designed with respect to techniques at other layers; Explains run-time adaptation and concepts/means of self-organization, in order to achieve error resiliency in complex, future many core systems

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

Design Space Exploration and Resource Management of Multi/Many-Core Systems

The increasing demand of processing a higher number of applications and related data on computing platforms has resulted in reliance on multi-/many-core chips as they facilitate parallel processing. However, there is a desire for these platforms to be energy-efficient and reliable, and they need to perform secure computations for the interest of the whole community. This book provides perspectives on the aforementioned aspects from leading researchers in terms of state-of-the-art contributions and upcoming trends

Reliable Software for Unreliable Hardware - A Cross-Layer Approach

A novel cross-layer reliability analysis, modeling, and optimization approach is proposed in this thesis that leverages multiple layers in the system design abstraction (i.e. hardware, compiler, system software, and application program) to exploit the available reliability enhancing potential at each system layer and to exchange this information across multiple system layers