Robust low-power digital circuit design in nano-CMOS technologies

Device scaling has resulted in large scale integrated, high performance, low-power, and low cost systems. However the move towards sub-100 nm technology nodes has increased variability in device characteristics due to large process variations. Variability has severe implications on digital circuit design by causing timing uncertainties in combinational circuits, degrading yield and reliability of memory elements, and increasing power density due to slow scaling of supply voltage. Conventional design methods add large pessimistic safety margins to mitigate increased variability, however, they incur large power and performance loss as the combination of worst cases occurs very rarely. In-situ monitoring of timing failures provides an opportunity to dynamically tune safety margins in proportion to on-chip variability that can significantly minimize power and performance losses. We demonstrated by simulations two delay sensor designs to detect timing failures in advance that can be coupled with different compensation techniques such as voltage scaling, body biasing, or frequency scaling to avoid actual timing failures. Our simulation results using 45 nm and 32 nm technology BSIM4 models indicate significant reduction in total power consumption under temperature and statistical variations. Future work involves using dual sensing to avoid useless voltage scaling that incurs a speed loss. SRAM cache is the first victim of increased process variations that requires handcrafted design to meet area, power, and performance requirements. We have proposed novel 6 transistors (6T), 7 transistors (7T), and 8 transistors (8T)-SRAM cells that enable variability tolerant and low-power SRAM cache designs. Increased sense-amplifier offset voltage due to device mismatch arising from high variability increases delay and power consumption of SRAM design. We have proposed two novel design techniques to reduce offset voltage dependent delays providing a high speed low-power SRAM design. Increasing leakage currents in nano-CMOS technologies pose a major challenge to a low-power reliable design. We have investigated novel segmented supply voltage architecture to reduce leakage power of the SRAM caches since they occupy bulk of the total chip area and power. Future work involves developing leakage reduction methods for the combination logic designs including SRAM peripherals

Design and Analysis of Robust Low Voltage Static Random Access Memories.

Static Random Access Memory (SRAM) is an indispensable part of most modern VLSI designs and dominates silicon area in many applications. In scaled technologies, maintaining high SRAM yield becomes more challenging since they are particularly vulnerable to process variations due to 1) the minimum sized devices used in SRAM bitcells and 2) the large array sizes. At the same time, low power design is a key focus throughout the semiconductor industry. Since low voltage operation is one of the most effective ways to reduce power consumption due to its quadratic relationship to energy savings, lowering the minimum operating voltage (Vmin) of SRAM has gained significant interest. This thesis presents four different approaches to design and analyze robust low voltage SRAM: SRAM analysis method improvement, SRAM bitcell development, SRAM peripheral optimization, and advance device selection. We first describe a novel yield estimation method for bit-interleaved voltage-scaled 8-T SRAMs. Instead of the traditional trade-off between write and read, the trade-off between write and half select disturb is analyzed. In addition, this analysis proposes a method to find an appropriate Write Word-Line (WWL) pulse width to maximize yield. Second, low leakage 10-T SRAM with speed compensation scheme is proposed. During sleep mode of a sensor application, SRAM retaining data cannot be shut down so it is important to minimize leakage in SRAM. This work adopts several leakage reduction techniques while compensating performance. Third, adaptive write architecture for low voltage 8-T SRAMs is proposed. By adaptively modulating WWL width and voltage level, it is possible to achieve low power consumption while maintaining high yield without excessive performance degradation. Finally, low power circuit design based on heterojunction tunneling transistors (HETTs) is discussed. HETTs have a steep subthreshold swing beneficial for low voltage operation. Device modeling and design of logic and SRAM are proposed.Ph.D.Electrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/91569/1/daeyeonk_1.pd

Circuits and Systems Advances in Near Threshold Computing

Modern society is witnessing a sea change in ubiquitous computing, in which people have embraced computing systems as an indispensable part of day-to-day existence. Computation, storage, and communication abilities of smartphones, for example, have undergone monumental changes over the past decade. However, global emphasis on creating and sustaining green environments is leading to a rapid and ongoing proliferation of edge computing systems and applications. As a broad spectrum of healthcare, home, and transport applications shift to the edge of the network, near-threshold computing (NTC) is emerging as one of the promising low-power computing platforms. An NTC device sets its supply voltage close to its threshold voltage, dramatically reducing the energy consumption. Despite showing substantial promise in terms of energy efficiency, NTC is yet to see widescale commercial adoption. This is because circuits and systems operating with NTC suffer from several problems, including increased sensitivity to process variation, reliability problems, performance degradation, and security vulnerabilities, to name a few. To realize its potential, we need designs, techniques, and solutions to overcome these challenges associated with NTC circuits and systems. The readers of this book will be able to familiarize themselves with recent advances in electronics systems, focusing on near-threshold computing

Modeling and Mitigation of Soft Errors in Nanoscale SRAMs

Energetic particle (alpha particle, cosmic neutron, etc.) induced single event data upset or soft error has emerged as a key reliability concern in SRAMs in sub-100 nanometre technologies. Low operating voltage, small node capacitance, high packing density, and lack of error masking mechanisms are primarily responsible for the soft error susceptibility of SRAMs. In addition, since SRAM occupies the majority of die area in system-on-chips (SoCs) and microprocessors, different leakage reduction techniques, such as, supply voltage reduction, gated grounding, etc., are applied to SRAMs in order to limit the overall chip leakage. These leakage reduction techniques exponentially increase the soft error rate in SRAMs. The soft error rate is further accentuated by process variations, which are prominent in scaled-down technologies. In this research, we address these concerns and propose techniques to characterize and mitigate soft errors in nanoscale SRAMs. We develop a comprehensive analytical model of the critical charge, which is a key to assessing the soft error susceptibility of SRAMs. The model is based on the dynamic behaviour of the cell and a simple decoupling technique for the non-linearly coupled storage nodes. The model describes the critical charge in terms of NMOS and PMOS transistor parameters, cell supply voltage, and noise current parameters. Consequently, it enables characterizing the spread of critical charge due to process induced variations in these parameters and to manufacturing defects, such as, resistive contacts or vias. In addition, the model can estimate the improvement in critical charge when MIM capacitors are added to the cell in order to improve the soft error robustness. The model is validated by SPICE simulations (90nm CMOS) and radiation test. The critical charge calculated by the model is in good agreement with SPICE simulations with a maximum discrepancy of less than 5%. The soft error rate estimated by the model for low voltage (sub 0.8 V) operations is within 10% of the soft error rate measured in the radiation test. Therefore, the model can serve as a reliable alternative to time consuming SPICE simulations for optimizing the critical charge and hence the soft error rate at the design stage. In order to limit the soft error rate further, we propose an area-efficient multiword based error correction code (MECC) scheme. The MECC scheme combines four 32 bit data words to form a composite 128 bit ECC word and uses an optimized 4-input transmission-gate XOR logic. Thus MECC significantly reduces the area overhead for check-bit storage and the delay penalty for error correction. In addition, MECC interleaves two composite words in a row for limiting cosmic neutron induced multi-bit errors. The ground potentials of the composite words are controlled to minimize leakage power without compromising the read data stability. However, use of composite words involves a unique write operation where one data word is written while other three data words are read to update the check-bits. A power efficient word line signaling technique is developed to facilitate the write operation. A 64 kb SRAM macro with MECC is designed and fabricated in a commercial 90nm CMOS technology. Measurement results show that the SRAM consumes 534 μW at 100 MHz with a data latency of 3.3 ns for a single bit error correction. This translates into 82% per-bit energy saving and 8x speed improvement over recently reported multiword ECC schemes. Accelerated neutron radiation test carried out at TRIUMF in Vancouver confirms that the proposed MECC scheme can correct up to 85% of soft errors

Current state of ASoC design methodology

This paper gives an overview of the current state of ASoC design methodology and presents preliminary results on evaluating the learning classifier system XCS for the control of a QuadCore. The ASoC design methodology can determine system reliability based on activity, power and temperature analysis, together with reliability block diagrams. The evaluation of the XCS shows that in the evaluated setup, XCS can find optimal operating points, even in changed environments or with changed reward functions. This even works, though limited, without the genetic algorithm the XCS uses internally. The results motivate us to continue the evaluation for more complex setups

Embracing Low-Power Systems with Improvement in Security and Energy-Efficiency

As the economies around the world are aligning more towards usage of computing systems, the global energy demand for computing is increasing rapidly. Additionally, the boom in AI based applications and services has already invited the pervasion of specialized computing hardware architectures for AI (accelerators). A big chunk of research in the industry and academia is being focused on providing energy efficiency to all kinds of power hungry computing architectures. This dissertation adds to these efforts. Aggressive voltage underscaling of chips is one the effective low power paradigms of providing energy efficiency. This dissertation identifies and deals with the reliability and performance problems associated with this paradigm and innovates novel energy efficient approaches. Specifically, the properties of a low power security primitive have been improved and, higher performance has been unlocked in an AI accelerator (Google TPU) in an aggressively voltage underscaled environment. And, novel power saving opportunities have been unlocked by characterizing the usage pattern of a baseline TPU with rigorous mathematical analysis

Reliability in the face of variability in nanometer embedded memories

In this thesis, we have investigated the impact of parametric variations on the behaviour of one performance-critical processor structure - embedded memories. As variations manifest as a spread in power and performance, as a first step, we propose a novel modeling methodology that helps evaluate the impact of circuit-level optimizations on architecture-level design choices. Choices made at the design-stage ensure conflicting requirements from higher-levels are decoupled. We then complement such design-time optimizations with a runtime mechanism that takes advantage of adaptive body-biasing to lower power whilst improving performance in the presence of variability. Our proposal uses a novel fully-digital variation tracking hardware using embedded DRAM (eDRAM) cells to monitor run-time changes in cache latency and leakage. A special fine-grain body-bias generator uses the measurements to generate an optimal body-bias that is needed to meet the required yield targets. A novel variation-tolerant and soft-error hardened eDRAM cell is also proposed as an alternate candidate for replacing existing SRAM-based designs in latency critical memory structures. In the ultra low-power domain where reliable operation is limited by the minimum voltage of operation (Vddmin), we analyse the impact of failures on cache functional margin and functional yield. Towards this end, we have developed a fully automated tool (INFORMER) capable of estimating memory-wide metrics such as power, performance and yield accurately and rapidly. Using the developed tool, we then evaluate the #effectiveness of a new class of hybrid techniques in improving cache yield through failure prevention and correction. Having a holistic perspective of memory-wide metrics helps us arrive at design-choices optimized simultaneously for multiple metrics needed for maintaining lifetime requirements

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

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

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