Radiation Hardened by Design Methodologies for Soft-Error Mitigated Digital Architectures

abstract: Digital architectures for data encryption, processing, clock synthesis, data transfer, etc. are susceptible to radiation induced soft errors due to charge collection in complementary metal oxide semiconductor (CMOS) integrated circuits (ICs). Radiation hardening by design (RHBD) techniques such as double modular redundancy (DMR) and triple modular redundancy (TMR) are used for error detection and correction respectively in such architectures. Multiple node charge collection (MNCC) causes domain crossing errors (DCE) which can render the redundancy ineffectual. This dissertation describes techniques to ensure DCE mitigation with statistical confidence for various designs. Both sequential and combinatorial logic are separated using these custom and computer aided design (CAD) methodologies. Radiation vulnerability and design overhead are studied on VLSI sub-systems including an advanced encryption standard (AES) which is DCE mitigated using module level coarse separation on a 90-nm process with 99.999% DCE mitigation. A radiation hardened microprocessor (HERMES2) is implemented in both 90-nm and 55-nm technologies with an interleaved separation methodology with 99.99% DCE mitigation while achieving 4.9% increased cell density, 28.5 % reduced routing and 5.6% reduced power dissipation over the module fences implementation. A DMR register-file (RF) is implemented in 55 nm process and used in the HERMES2 microprocessor. The RF array custom design and the decoders APR designed are explored with a focus on design cycle time. Quality of results (QOR) is studied from power, performance, area and reliability (PPAR) perspective to ascertain the improvement over other design techniques. A radiation hardened all-digital multiplying pulsed digital delay line (DDL) is designed for double data rate (DDR2/3) applications for data eye centering during high speed off-chip data transfer. The effect of noise, radiation particle strikes and statistical variation on the designed DDL are studied in detail. The design achieves the best in class 22.4 ps peak-to-peak jitter, 100-850 MHz range at 14 pJ/cycle energy consumption. Vulnerability of the non-hardened design is characterized and portions of the redundant DDL are separated in custom and auto-place and route (APR). Thus, a range of designs for mission critical applications are implemented using methodologies proposed in this work and their potential PPAR benefits explored in detail.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

AI/ML Algorithms and Applications in VLSI Design and Technology

An evident challenge ahead for the integrated circuit (IC) industry in the nanometer regime is the investigation and development of methods that can reduce the design complexity ensuing from growing process variations and curtail the turnaround time of chip manufacturing. Conventional methodologies employed for such tasks are largely manual; thus, time-consuming and resource-intensive. In contrast, the unique learning strategies of artificial intelligence (AI) provide numerous exciting automated approaches for handling complex and data-intensive tasks in very-large-scale integration (VLSI) design and testing. Employing AI and machine learning (ML) algorithms in VLSI design and manufacturing reduces the time and effort for understanding and processing the data within and across different abstraction levels via automated learning algorithms. It, in turn, improves the IC yield and reduces the manufacturing turnaround time. This paper thoroughly reviews the AI/ML automated approaches introduced in the past towards VLSI design and manufacturing. Moreover, we discuss the scope of AI/ML applications in the future at various abstraction levels to revolutionize the field of VLSI design, aiming for high-speed, highly intelligent, and efficient implementations

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

On Improving Robustness of Hardware Security Primitives and Resistance to Reverse Engineering Attacks

The continued growth of information technology (IT) industry and proliferation of interconnected devices has aggravated the problem of ensuring security and necessitated the need for novel, robust solutions. Physically unclonable functions (PUFs) have emerged as promising secure hardware primitives that can utilize the disorder introduced during manufacturing process to generate unique keys. They can be utilized as \textit{lightweight} roots-of-trust for use in authentication and key generation systems. Unlike insecure non-volatile memory (NVM) based key storage systems, PUFs provide an advantage -- no party, including the manufacturer, should be able to replicate the physical disorder and thus, effectively clone the PUF. However, certain practical problems impeded the widespread deployment of PUFs. This dissertation addresses such problems of (i) reliability and (ii) unclonability. Also, obfuscation techniques have proven necessary to protect intellectual property in the presence of an untrusted supply chain and are needed to aid against counterfeiting. This dissertation explores techniques utilizing layout and logic-aware obfuscation. Collectively, we present secure and cost-effective solutions to address crucial hardware security problems

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

Designing energy-efficient computing systems using equalization and machine learning

As technology scaling slows down in the nanometer CMOS regime and mobile computing becomes more ubiquitous, designing energy-efficient hardware for mobile systems is becoming increasingly critical and challenging. Although various approaches like near-threshold computing (NTC), aggressive voltage scaling with shadow latches, etc. have been proposed to get the most out of limited battery life, there is still no “silver bullet” to increasing power-performance demands of the mobile systems. Moreover, given that a mobile system could operate in a variety of environmental conditions, like different temperatures, have varying performance requirements, etc., there is a growing need for designing tunable/reconfigurable systems in order to achieve energy-efficient operation. In this work we propose to address the energy- efficiency problem of mobile systems using two different approaches: circuit tunability and distributed adaptive algorithms. Inspired by the communication systems, we developed feedback equalization based digital logic that changes the threshold of its gates based on the input pattern. We showed that feedback equalization in static complementary CMOS logic enabled up to 20% reduction in energy dissipation while maintaining the performance metrics. We also achieved 30% reduction in energy dissipation for pass-transistor digital logic (PTL) with equalization while maintaining performance. In addition, we proposed a mechanism that leverages feedback equalization techniques to achieve near optimal operation of static complementary CMOS logic blocks over the entire voltage range from near threshold supply voltage to nominal supply voltage. Using energy-delay product (EDP) as a metric we analyzed the use of the feedback equalizer as part of various sequential computational blocks. Our analysis shows that for near-threshold voltage operation, when equalization was used, we can improve the operating frequency by up to 30%, while the energy increase was less than 15%, with an overall EDP reduction of ≈10%. We also observe an EDP reduction of close to 5% across entire above-threshold voltage range. On the distributed adaptive algorithm front, we explored energy-efficient hardware implementation of machine learning algorithms. We proposed an adaptive classifier that leverages the wide variability in data complexity to enable energy-efficient data classification operations for mobile systems. Our approach takes advantage of varying classification hardness across data to dynamically allocate resources and improve energy efficiency. On average, our adaptive classifier is ≈100× more energy efficient but has ≈1% higher error rate than a complex radial basis function classifier and is ≈10× less energy efficient but has ≈40% lower error rate than a simple linear classifier across a wide range of classification data sets. We also developed a field of groves (FoG) implementation of random forests (RF) that achieves an accuracy comparable to Convolutional Neural Networks (CNN) and Support Vector Machines (SVM) under tight energy budgets. The FoG architecture takes advantage of the fact that in random forests a small portion of the weak classifiers (decision trees) might be sufficient to achieve high statistical performance. By dividing the random forest into smaller forests (Groves), and conditionally executing the rest of the forest, FoG is able to achieve much higher energy efficiency levels for comparable error rates. We also take advantage of the distributed nature of the FoG to achieve high level of parallelism. Our evaluation shows that at maximum achievable accuracies FoG consumes ≈1.48×, ≈24×, ≈2.5×, and ≈34.7× lower energy per classification compared to conventional RF, SVM-RBF , Multi-Layer Perceptron Network (MLP), and CNN, respectively. FoG is 6.5× less energy efficient than SVM-LR, but achieves 18% higher accuracy on average across all considered datasets

Heterogeneous Chip Multiprocessor: Data Representation, Mixed-Signal Processing Tiles, and System Design

With the emergence of big data, the need for more computationally intensive processors that can handle the increased processing demand has risen. Conventional computing paradigms based on the Von Neumann model that separates computational and memory structures have become outdated and less efficient for this increased demand. As the speed and memory density of processors have increased significantly over the years, these models of computing, which rely on a constant stream of data between the processor and memory, see less gains due to finite bandwidth and latency. Moreover, in the presence of extreme scaling, these conventional systems, implemented in submicron integrated circuits, have become even more susceptible to process variability, static leakage current, and more. In this work, alternative paradigms, predicated on distributive processing with robust data representation and mixed-signal processing tiles, are explored for constructing more efficient and scalable computing systems in application specific integrated circuits (ASICs). The focus of this dissertation work has been on heterogeneous chip multi-processor (CMP) design and optimization across different levels of abstraction. On the level of data representation, a different modality of representation based on random pulse density modulation (RPDM) coding is explored for more efficient processing using stochastic computation. On the level of circuit description, mixed-signal integrated circuits that exploit charge-based computing for energy efficient fixed point arithmetic are designed. Consequently, 8 different chips that test and showcase these circuits were fabricated in submicron CMOS processes. Finally, on the architectural level of description, a compact instruction-set processor and controller that facilitates distributive computing on System-On-Chips (SoCs) is designed. In addition to this, a robust bufferless network architecture is designed with a network simulator, and I/O cells are designed for SoCs. The culmination of this thesis work has led to the design and fabrication of a heterogeneous chip multi- processor prototype comprised of over 12,000 VVM cores, warp/dewarp processors, cache, and additional processors, which can be applied towards energy efficient large-scale data processing

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

Variability-aware low-power techniques for nanoscale mixed-signal circuits.

New circuit design techniques that accommodate lower supply voltages necessary for portable systems need to be integrated into the semiconductor intellectual property (IP) core. Systems that once worked at 3.3 V or 2.5 V now need to work at 1.8 V or lower, without causing any performance degradation. Also, the fluctuation of device characteristics caused by process variation in nanometer technologies is seen as design yield loss. The numerous parasitic effects induced by layouts, especially for high-performance and high-speed circuits, pose a problem for IC design. Lack of exact layout information during circuit sizing leads to long design iterations involving time-consuming runs of complex tools. There is a strong need for low-power, high-performance, parasitic-aware and process-variation-tolerant circuit design. This dissertation proposes methodologies and techniques to achieve variability, power, performance, and parasitic-aware circuit designs. Three approaches are proposed: the single iteration automatic approach, the hybrid Monte Carlo and design of experiments (DOE) approach, and the corner-based approach. Widely used mixed-signal circuits such as analog-to-digital converter (ADC), voltage controlled oscillator (VCO), voltage level converter and active pixel sensor (APS) have been designed at nanoscale complementary metal oxide semiconductor (CMOS) and subjected to the proposed methodologies. The effectiveness of the proposed methodologies has been demonstrated through exhaustive simulations. Apart from these methodologies, the application of dual-oxide and dual-threshold techniques at circuit level in order to minimize power and leakage is also explored