Degradation in FPGAs: Monitoring, Modeling and Mitigation

This dissertation targets the transistor aging degradation as well as the associated thermal challenges in FPGAs (since there is an exponential relation between aging and chip temperature). The main objectives are to perform experimentation, analysis and device-level model abstraction for modeling the degradation in FPGAs, then to monitor the FPGA to keep track of aging rates and ultimately to propose an aging-aware FPGA design flow to mitigate the aging

Cross-Layer Approaches for an Aging-Aware Design of Nanoscale Microprocessors

Thanks to aggressive scaling of transistor dimensions, computers have revolutionized our life. However, the increasing unreliability of devices fabricated in nanoscale technologies emerged as a major threat for the future success of computers. In particular, accelerated transistor aging is of great importance, as it reduces the lifetime of digital systems. This thesis addresses this challenge by proposing new methods to model, analyze and mitigate aging at microarchitecture-level and above

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

근사 컴퓨팅을 이용한 회로 노화 보상과 에너지 효율적인 신경망 구현

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2020. 8. 이혁재.Approximate computing reduces the cost (energy and/or latency) of computations by relaxing the correctness (i.e., precision) of computations up to the level, which is dependent on types of applications. Moreover, it can be realized in various hierarchies of computing system design from circuit level to application level. This dissertation presents the methodologies applying approximate computing across such hierarchies; compensating aging-induced delay in logic circuit by dynamic computation approximation (Chapter 1), designing energy-efficient neural network by combining low-power and low-latency approximate neuron models (Chapter 2), and co-designing in-memory gradient descent module with neural processing unit so as to address a memory bottleneck incurred by memory I/O for high-precision data (Chapter 3). The first chapter of this dissertation presents a novel design methodology to turn the timing violation caused by aging into computation approximation error without the reliability guardband or increasing the supply voltage. It can be realized by accurately monitoring the critical path delay at run-time. The proposal is evaluated at two levels: RTL component level and system level. The experimental results at the RTL component level show a significant improvement in terms of (normalized) mean squared error caused by the timing violation and, at the system level, show that the proposed approach successfully transforms the aging-induced timing violation errors into much less harmful computation approximation errors, therefore it recovers image quality up to perceptually acceptable levels. It reduces the dynamic and static power consumption by 21.45% and 10.78%, respectively, with 0.8% area overhead compared to the conventional approach. The second chapter of this dissertation presents an energy-efficient neural network consisting of alternative neuron models; Stochastic-Computing (SC) and Spiking (SP) neuron models. SC has been adopted in various fields to improve the power efficiency of systems by performing arithmetic computations stochastically, which approximates binary computation in conventional computing systems. Moreover, a recent work showed that deep neural network (DNN) can be implemented in the manner of stochastic computing and it greatly reduces power consumption. However, Stochastic DNN (SC-DNN) suffers from problem of high latency as it processes only a bit per cycle. To address such problem, it is proposed to adopt Spiking DNN (SP-DNN) as an input interface for SC-DNN since SP effectively processes more bits per cycle than SC-DNN. Moreover, this chapter resolves the encoding mismatch problem, between two different neuron models, without hardware cost by compensating the encoding mismatch with synapse weight calibration. A resultant hybrid DNN (SPSC-DNN) consists of SP-DNN as bottom layers and SC-DNN as top layers. Exploiting the reduced latency from SP-DNN and low-power consumption from SC-DNN, the proposed SPSC-DNN achieves improved energy-efficiency with lower error-rate compared to SC-DNN and SP-DNN in same network configuration. The third chapter of this dissertation proposes GradPim architecture, which accelerates the parameter updates by in-memory processing which is codesigned with 8-bit floating-point training in Neural Processing Unit (NPU) for deep neural networks. By keeping the high precision processing algorithms in memory, such as the parameter update incorporating high-precision weights in its computation, the GradPim architecture can achieve high computational efficiency using 8-bit floating point in NPU and also gain power efficiency by eliminating massive high-precision data transfers between NPU and off-chip memory. A simple extension of DDR4 SDRAM utilizing bank-group parallelism makes the operation designs in processing-in-memory (PIM) module efficient in terms of hardware cost and performance. The experimental results show that the proposed architecture can improve the performance of the parameter update phase in the training by up to 40% and greatly reduce the memory bandwidth requirement while posing only a minimal amount of overhead to the protocol and the DRAM area.근사 컴퓨팅은 연산의 정확도의 손실을 어플리케이션 별 적절한 수준까지 허용함으로써 연산에 필요한 비용 (에너지나 지연시간)을 줄인다. 게다가, 근사 컴퓨팅은 컴퓨팅 시스템 설계의 회로 계층부터 어플리케이션 계층까지 다양한 계층에 적용될 수 있다. 본 논문에서는 근사 컴퓨팅 방법론을 다양한 시스템 설계의 계층에 적용하여 전력과 에너지 측면에서 이득을 얻을 수 있는 방법들을 제안하였다. 이는, 연산 근사화 (computation Approximation)를 통해 회로의 노화로 인해 증가된 지연시간을 추가적인 전력소모 없이 보상하는 방법과 (챕터 1), 근사 뉴런모델 (approximate neuron model)을 이용해 에너지 효율이 높은 신경망을 구성하는 방법 (챕터 2), 그리고 메모리 대역폭으로 인한 병목현상 문제를 높은 정확도 데이터를 활용한 연산을 메모리 내에서 수행함으로써 완화시키는 방법을 (챕터3) 제안하였다. 첫 번째 챕터는 회로의 노화로 인한 지연시간위반을 (timing violation) 설계마진이나 (reliability guardband) 공급전력의 증가 없이 연산오차 (computation approximation error)를 통해 보상하는 설계방법론 (design methodology)를 제안하였다. 이를 위해 주요경로의 (critical path) 지연시간을 동작시간에 정확하게 측정할 필요가 있다. 여기서 제안하는 방법론은 RTL component와 system 단계에서 평가되었다. RTL component 단계의 실험결과를 통해 제안한 방식이 표준화된 평균제곱오차를 (normalized mean squared error) 상당히 줄였음을 볼 수 있다. 그리고 system 단계에서는 이미지처리 시스템에서 이미지의 품질이 인지적으로 충분히 회복되는 것을 보임으로써 회로노화로 인해 발생한 지연시간위반 오차가 에러의 크기가 작은 연산오차로 변경되는 것을 확인 할 수 있었다. 결론적으로, 제안된 방법론을 따랐을 때 0.8%의 공간을 (area) 더 사용하는 비용을 지불하고 21.45%의 동적전력소모와 (dynamic power consumption) 10.78%의 정적전력소모의 (static power consumption) 감소를 달성할 수 있었다. 두 번째 챕터는 근사 뉴런모델을 활용하는 고-에너지효율의 신경망을 (neural network) 제안하였다. 본 논문에서 사용한 두 가지의 근사 뉴런모델은 확률컴퓨팅과 (stochastic computing) 스파이킹뉴런 (spiking neuron) 이론들을 기반으로 모델링되었다. 확률컴퓨팅은 산술연산들을 확률적으로 수행함으로써 이진연산을 낮은 전력소모로 수행한다. 최근에 확률컴퓨팅 뉴런모델을 이용하여 심층 신경망 (deep neural network)를 구현할 수 있다는 연구가 진행되었다. 그러나, 확률컴퓨팅을 뉴런모델링에 활용할 경우 심층신경망이 매 클락사이클마다 (clock cycle) 하나의 비트만을 (bit) 처리하므로, 지연시간 측면에서 매우 나쁠 수 밖에 없는 문제가 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 스파이킹 뉴런모델로 구성된 스파이킹 심층신경망을 확률컴퓨팅을 활용한 심층신경망 구조와 결합하였다. 스파이킹 뉴런모델의 경우 매 클락사이클마다 여러 비트를 처리할 수 있으므로 심층신경망의 입력 인터페이스로 사용될 경우 지연시간을 줄일 수 있다. 하지만, 확률컴퓨팅 뉴런모델과 스파이킹 뉴런모델의 경우 부호화 (encoding) 방식이 다른 문제가 있다. 따라서 본 논문에서는 해당 부호화 불일치 문제를 모델의 파라미터를 학습할 때 고려함으로써, 파라미터들의 값이 부호화 불일치를 고려하여 조절 (calibration) 될 수 있도록 하여 문제를 해결하였다. 이러한 분석의 결과로, 앞 쪽에는 스파이킹 심층신경망을 배치하고 뒷 쪽애는 확률컴퓨팅 심층신경망을 배치하는 혼성신경망을 제안하였다. 혼성신경망은 스파이킹 심층신경망을 통해 매 클락사이클마다 처리되는 비트 양의 증가로 인한 지연시간 감소 효과와 확률컴퓨팅 심층신경망의 저전력 소모 특성을 모두 활용함으로써 각 심층신경망을 따로 사용하는 경우 대비 우수한 에너지 효율성을 비슷하거나 더 나은 정확도 결과를 내면서 달성한다. 세 번째 챕터는 심층신경망을 8비트 부동소숫점 연산으로 학습하는 신경망처리유닛의 (neural processing unit) 파라미터 갱신을 (parameter update) 메모리-내-연산으로 (in-memory processing) 가속하는 GradPIM 아키텍쳐를 제안하였다. GradPIM은 8비트의 낮은 정확도 연산은 신경망처리유닛에 남기고, 높은 정확도를 가지는 데이터를 활용하는 연산은 (파라미터 갱신) 메모리 내부에 둠으로써 신경망처리유닛과 메모리간의 데이터통신의 양을 줄여, 높은 연산효율과 전력효율을 달성하였다. 또한, GradPIM은 bank-group 수준의 병렬화를 이루어 내 높은 내부 대역폭을 활용함으로써 메모리 대역폭을 크게 확장시킬 수 있게 되었다. 또한 이러한 메모리 구조의 변경이 최소화되었기 때문에 추가적인 하드웨어 비용도 최소화되었다. 실험 결과를 통해 GradPIM이 최소한의 DRAM 프로토콜 변화와 DRAM칩 내의 공간사용을 통해 심층신경망 학습과정 중 파라미터 갱신에 필요한 시간을 40%만큼 향상시켰음을 보였다.Chapter I: Dynamic Computation Approximation for Aging Compensation 1 1.1 Introduction 1 1.1.1 Chip Reliability 1 1.1.2 Reliability Guardband 2 1.1.3 Approximate Computing in Logic Circuits 2 1.1.4 Computation approximation for Aging Compensation 3 1.1.5 Motivational Case Study 4 1.2 Previous Work 5 1.2.1 Aging-induced Delay 5 1.2.2 Delay-Configurable Circuits 6 1.3 Proposed System 8 1.3.1 Overview of the Proposed System 8 1.3.2 Proposed Adder 9 1.3.3 Proposed Multiplier 11 1.3.4 Proposed Monitoring Circuit 16 1.3.5 Aging Compensation Scheme 19 1.4 Design Methodology 20 1.5 Evaluation 24 1.5.1 Experimental setup 24 1.5.2 RTL component level Adder/Multiplier 27 1.5.3 RTL component level Monitoring circuit 30 1.5.4 System level 31 1.6 Summary 38 Chapter II: Energy-Efficient Neural Network by Combining Approximate Neuron Models 40 2.1 Introduction 40 2.1.1 Deep Neural Network (DNN) 40 2.1.2 Low-power designs for DNN 41 2.1.3 Stochastic-Computing Deep Neural Network 41 2.1.4 Spiking Deep Neural Network 43 2.2 Hybrid of Stochastic and Spiking DNNs 44 2.2.1 Stochastic-Computing vs Spiking Deep Neural Network 44 2.2.2 Combining Spiking Layers and Stochastic Layers 46 2.2.3 Encoding Mismatch 47 2.3 Evaluation 49 2.3.1 Latency and Test Error 49 2.3.2 Energy Efficiency 51 2.4 Summary 54 Chapter III: GradPIM: In-memory Gradient Descent in Mixed-Precision DNN Training 55 3.1 Introduction 55 3.1.1 Neural Processing Unit 55 3.1.2 Mixed-precision Training 56 3.1.3 Mixed-precision Training with In-memory Gradient Descent 57 3.1.4 DNN Parameter Update Algorithms 59 3.1.5 Modern DRAM Architecture 61 3.1.6 Motivation 63 3.2 Previous Work 65 3.2.1 Processing-In-Memory 65 3.2.2 Co-design Neural Processing Unit and Processing-In-Memory 66 3.2.3 Low-precision Computation in NPU 67 3.3 GradPIM 68 3.3.1 GradPIM Architecture 68 3.3.2 GradPIM Operations 69 3.3.3 Timing Considerations 70 3.3.4 Update Phase Procedure 73 3.3.5 Commanding GradPIM 75 3.4 NPU Co-design with GradPIM 76 3.4.1 NPU Architecture 76 3.4.2 Data Placement 79 3.5 Evaluation 82 3.5.1 Evaluation Methodology 82 3.5.2 Experimental Results 83 3.5.3 Sensitivity Analysis 88 3.5.4 Layer Characterizations 90 3.5.5 Distributed Data Parallelism 90 3.6 Summary 92 3.6.1 Discussion 92 Bibliography 113 요약 114Docto

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

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