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

Resilient Design for Process and Runtime Variations

The main objective of this thesis is to tackle the impact of parameter variations in order to improve the chip performance and extend its lifetime

Estimation à haut-niveau des dégradations temporelles dans les processeurs (méthodologie et mise en oeuvre logicielle)

Actuellement, les circuits numériques nécessitent d'être de plus en plus performants. Aussi, les produits doivent être conçus le plus rapidement possible afin de gagner les précieuses parts de marché. Les méthodes rapides de conception et l'utilisation de MPSoC ont permis de satisfaire à ces exigences, mais sans tenir compte précisément de l'impact du vieillissement des circuits sur la conception. Or les MPSoC utilisent les technologies de fabrication les plus récentes et sont de plus en plus soumis aux défaillances matérielles. De nos jours, les principaux mécanismes de défaillance observés dans les transistors des MPSoC sont le HCI et le NBTI. Des marges sont alors ajoutées pour que le circuit soit fonctionnel pendant son utilisation, en considérant le cas le plus défavorable pour chaque mécanisme. Ces marges deviennent de plus en plus importantes et diminuent les performances attendues. C'est pourquoi les futures méthodes de conception nécessitent de tenir compte des dégradations matérielles en fonction de l utilisation du circuit. Dans cette thèse, nous proposons une méthode originale pour simuler le vieillissement des MPSoC à haut niveau d'abstraction. Cette méthode s'applique lors de la conception du système c.-à-d. entre l'étape de définition des spécifications et la mise en production. Un modèle empirique permet d'estimer les dégradations temporelles en fin de vie d'un circuit. Un exemple d'application est donné pour un processeur embarqué et les résultats pour un ensemble d'applications sont reportés. La solution proposée permet d'explorer différentes configurations d'une architecture MPSoC pour comparer le vieillissement. Aussi, l'application la plus sévère pour le vieillissement peut être identifiée.Nowadays, more and more performance is expected from digital circuits. What s more, the market requires fast conception methods, in order to propose the newest technology available. Fast conception methods and the utilization of MPSoC have enabled high performance and short time-to-market while taking little attention to aging. However, MPSoC are more and more prone to hardware failures that occur in transistors. Today, the prevailing failure mechanisms in MPSoC are HCI and NBTI. Margins are usually added on new products to avoid failures during execution, by considering worst case scenario for each mechanism. For the newest technology, margins are becoming more and more important and products performance is getting lower and lower. That s why the conception needs to take into account hardware failures according to the execution of software. This thesis propose a new methodology to simulate aging at high level of abstraction, which can be applied to MPSoC. The method can be applied during product conception, between the specification phase and the production. An empirical model is used to estimate slack time at circuit's end of life. A use case is conducted on an embedded processor and degradation results are reported for a set of applications. The solution enables architecture exploration and MPSoC aging can thus be compared. The software with most severe impact on aging can also be determined.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

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

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

Thermal Management for Dependable On-Chip Systems

This thesis addresses the dependability issues in on-chip systems from a thermal perspective. This includes an explanation and analysis of models to show the relationship between dependability and tempature. Additionally, multiple novel methods for on-chip thermal management are introduced aiming to optimize thermal properties. Analysis of the methods is done through simulation and through infrared thermal camera measurements

In-situ and In-field temperature and transistor BTI sensing techniques with microprocessor level implementation

In modern deep-scaled CMOS technologies, various silicon-related pitfalls present challenges to the long-term performance of microprocessors. Such challenges include (1) local hot spots, which breach the thermal limitations of a microprocessor, and (2) transistor aging, especially NBTI, which degrades transistor threshold voltage, ultimately threatening the reliability of the entire memory block. In previous systems, the dummy circuit was placed next to the subject, where the dummy was frequently analyzed, and the readout was used to infer the condition of the target. Due to rapidly changing ambient conditions (e.g., temperature and voltage) and the potential scale of the target dimensions, such metrics may not accurately represent the condition of the target. Moreover, such temperature sensors and canary circuits occupy a significant area. Therefore, it would be highly preferable to monitor the target circuit in-situ, i.e., to sense the precise transistor at operation. It is also important to achieve an accurate sensing metric. When the temperature is analyzed, the readout should account for voltage and process variations. While sensing the aging degradation, the readout should account for voltage and temperature fluctuations. This would allow testing during in-field operation, while the circuits achieve area-efficiency. This research had two stages. One result of the first stage was a silicon test chip that was a compact temperature sensor. It involved a family of PTAT+CTAT sensor front-ends that unitized only 6 to 8 conventional CMOS logic devices, yielding a smaller sized chip. The sensor demonstrates accuracy within the target and achieves a 14.3x smaller foot print than preceding published designs. The second product of the first stage was a PMOS aging sensor used in 6T SRAM circuits. The test chip has a real SRAM array, integrated with the proposed PMOS NBTI sensor. It can sense real PMOS NBTI effects in any bit cell (in-situ) and provide robust readings of temperature and voltage (in-field). Intensive aging tests validated the proposed sensing technique. The second stage was focused on implementing the in-situ and in-field sensing techniques in a real processor. The MIPS microprocessor had a modified instruction cache (I$) and instruction set architecture. With the addition of new instruction aging sensing and minor modification of the circuits, the processor can execute aging sensing opportunistically to evaluate the aging level of its instruction cache. A software framework was developed and verified to estimate the retention voltage of the instruction cache over the lifetime of the chip. An area-efficient SoC was developed that could transform the instruction cache into an ambient temperature sensor. It had a physically unclonable function (PUF), and it was built with an area-saving technique similar to the earlier work. This thesis has four chapters. They are presented in chronological and they are aligned with the research described above

Resilience of an embedded architecture using hardware redundancy

In the last decade the dominance of the general computing systems market has being replaced by embedded systems with billions of units manufactured every year. Embedded systems appear in contexts where continuous operation is of utmost importance and failure can be profound. Nowadays, radiation poses a serious threat to the reliable operation of safety-critical systems. Fault avoidance techniques, such as radiation hardening, have been commonly used in space applications. However, these components are expensive, lag behind commercial components with regards to performance and do not provide 100% fault elimination. Without fault tolerant mechanisms, many of these faults can become errors at the application or system level, which in turn, can result in catastrophic failures. In this work we study the concepts of fault tolerance and dependability and extend these concepts providing our own definition of resilience. We analyse the physics of radiation-induced faults, the damage mechanisms of particles and the process that leads to computing failures. We provide extensive taxonomies of 1) existing fault tolerant techniques and of 2) the effects of radiation in state-of-the-art electronics, analysing and comparing their characteristics. We propose a detailed model of faults and provide a classification of the different types of faults at various levels. We introduce an algorithm of fault tolerance and define the system states and actions necessary to implement it. We introduce novel hardware and system software techniques that provide a more efficient combination of reliability, performance and power consumption than existing techniques. We propose a new element of the system called syndrome that is the core of a resilient architecture whose software and hardware can adapt to reliable and unreliable environments. We implement a software simulator and disassembler and introduce a testing framework in combination with ERA’s assembler and commercial hardware simulators

Runtime Monitoring for Dependable Hardware Design

Mit dem Voranschreiten der Technologieskalierung und der Globalisierung der Produktion von integrierten Schaltkreisen eröffnen sich eine Fülle von Schwachstellen bezüglich der Verlässlichkeit von Computerhardware. Jeder Mikrochip wird aufgrund von Produktionsschwankungen mit einem einzigartigen Charakter geboren, welcher sich durch seine Arbeitsbedingungen, Belastung und Umgebung in individueller Weise entwickelt. Daher sind deterministische Modelle, welche zur Entwurfszeit die Verlässlichkeit prognostizieren, nicht mehr ausreichend um Integrierte Schaltkreise mit Nanometertechnologie sinnvoll abbilden zu können. Der Bedarf einer Laufzeitanalyse des Zustandes steigt und mit ihm die notwendigen Maßnahmen zum Erhalt der Zuverlässigkeit. Transistoren sind anfällig für auslastungsbedingte Alterung, die die Laufzeit der Schaltung erhöht und mit ihr die Möglichkeit einer Fehlberechnung. Hinzu kommen spezielle Abläufe die das schnelle Altern des Chips befördern und somit seine zuverlässige Lebenszeit reduzieren. Zusätzlich können strahlungsbedingte Laufzeitfehler (Soft-Errors) des Chips abnormales Verhalten kritischer Systeme verursachen. Sowohl das Ausbreiten als auch das Maskieren dieser Fehler wiederum sind abhängig von der Arbeitslast des Systems. Fabrizierten Chips können ebenfalls vorsätzlich während der Produktion boshafte Schaltungen, sogenannte Hardwaretrojaner, hinzugefügt werden. Dies kompromittiert die Sicherheit des Chips. Da diese Art der Manipulation vor ihrer Aktivierung kaum zu erfassen ist, ist der Nachweis von Trojanern auf einem Chip direkt nach der Produktion extrem schwierig. Die Komplexität dieser Verlässlichkeitsprobleme machen ein einfaches Modellieren der Zuverlässigkeit und Gegenmaßnahmen ineffizient. Sie entsteht aufgrund verschiedener Quellen, eingeschlossen der Entwicklungsparameter (Technologie, Gerät, Schaltung und Architektur), der Herstellungsparameter, der Laufzeitauslastung und der Arbeitsumgebung. Dies motiviert das Erforschen von maschinellem Lernen und Laufzeitmethoden, welche potentiell mit dieser Komplexität arbeiten können. In dieser Arbeit stellen wir Lösungen vor, die in der Lage sind, eine verlässliche Ausführung von Computerhardware mit unterschiedlichem Laufzeitverhalten und Arbeitsbedingungen zu gewährleisten. Wir entwickelten Techniken des maschinellen Lernens um verschiedene Zuverlässigkeitseffekte zu modellieren, zu überwachen und auszugleichen. Verschiedene Lernmethoden werden genutzt, um günstige Überwachungspunkte zur Kontrolle der Arbeitsbelastung zu finden. Diese werden zusammen mit Zuverlässigkeitsmetriken, aufbauend auf Ausfallsicherheit und generellen Sicherheitsattributen, zum Erstellen von Vorhersagemodellen genutzt. Des Weiteren präsentieren wir eine kosten-optimierte Hardwaremonitorschaltung, welche die Überwachungspunkte zur Laufzeit auswertet. Im Gegensatz zum aktuellen Stand der Technik, welcher mikroarchitektonische Überwachungspunkte ausnutzt, evaluieren wir das Potential von Arbeitsbelastungscharakteristiken auf der Logikebene der zugrundeliegenden Hardware. Wir identifizieren verbesserte Features auf Logikebene um feingranulare Laufzeitüberwachung zu ermöglichen. Diese Logikanalyse wiederum hat verschiedene Stellschrauben um auf höhere Genauigkeit und niedrigeren Overhead zu optimieren. Wir untersuchten die Philosophie, Überwachungspunkte auf Logikebene mit Hilfe von Lernmethoden zu identifizieren und günstigen Monitore zu implementieren um eine adaptive Vorbeugung gegen statisches Altern, dynamisches Altern und strahlungsinduzierte Soft-Errors zu schaffen und zusätzlich die Aktivierung von Hardwaretrojanern zu erkennen. Diesbezüglich haben wir ein Vorhersagemodell entworfen, welches den Arbeitslasteinfluss auf alterungsbedingte Verschlechterungen des Chips mitverfolgt und dazu genutzt werden kann, dynamisch zur Laufzeit vorbeugende Techniken, wie Task-Mitigation, Spannungs- und Frequenzskalierung zu benutzen. Dieses Vorhersagemodell wurde in Software implementiert, welche verschiedene Arbeitslasten aufgrund ihrer Alterungswirkung einordnet. Um die Widerstandsfähigkeit gegenüber beschleunigter Alterung sicherzustellen, stellen wir eine Überwachungshardware vor, welche einen Teil der kritischen Flip-Flops beaufsichtigt, nach beschleunigter Alterung Ausschau hält und davor warnt, wenn ein zeitkritischer Pfad unter starker Alterungsbelastung steht. Wir geben die Implementierung einer Technik zum Reduzieren der durch das Ausführen spezifischer Subroutinen auftretenden Belastung von zeitkritischen Pfaden. Zusätzlich schlagen wir eine Technik zur Abschätzung von online Soft-Error-Schwachstellen von Speicherarrays und Logikkernen vor, welche auf der Überwachung einer kleinen Gruppe Flip-Flops des Entwurfs basiert. Des Weiteren haben wir eine Methode basierend auf Anomalieerkennung entwickelt, um Arbeitslastsignaturen von Hardwaretrojanern während deren Aktivierung zur Laufzeit zu erkennen und somit eine letzte Verteidigungslinie zu bilden. Basierend auf diesen Experimenten demonstriert diese Arbeit das Potential von fortgeschrittener Feature-Extraktion auf Logikebene und lernbasierter Vorhersage basierend auf Laufzeitdaten zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Harwareentwürfen

Cross-Layer Optimization for Power-Efficient and Robust Digital Circuits and Systems

With the increasing digital services demand, performance and power-efficiency become vital requirements for digital circuits and systems. However, the enabling CMOS technology scaling has been facing significant challenges of device uncertainties, such as process, voltage, and temperature variations. To ensure system reliability, worst-case corner assumptions are usually made in each design level. However, the over-pessimistic worst-case margin leads to unnecessary power waste and performance loss as high as 2.2x. Since optimizations are traditionally confined to each specific level, those safe margins can hardly be properly exploited. To tackle the challenge, it is therefore advised in this Ph.D. thesis to perform a cross-layer optimization for digital signal processing circuits and systems, to achieve a global balance of power consumption and output quality. To conclude, the traditional over-pessimistic worst-case approach leads to huge power waste. In contrast, the adaptive voltage scaling approach saves power (25% for the CORDIC application) by providing a just-needed supply voltage. The power saving is maximized (46% for CORDIC) when a more aggressive voltage over-scaling scheme is applied. These sparsely occurred circuit errors produced by aggressive voltage over-scaling are mitigated by higher level error resilient designs. For functions like FFT and CORDIC, smart error mitigation schemes were proposed to enhance reliability (soft-errors and timing-errors, respectively). Applications like Massive MIMO systems are robust against lower level errors, thanks to the intrinsically redundant antennas. This property makes it applicable to embrace digital hardware that trades quality for power savings.Comment: 190 page