IC design for reliability

textAs the feature size of integrated circuits goes down to the nanometer scale, transient and permanent reliability issues are becoming a significant concern for circuit designers. Traditionally, the reliability issues were mostly handled at the device level as a device engineering problem. However, the increasing severity of reliability challenges and higher error rates due to transient upsets favor higher-level design for reliability (DFR). In this work, we develop several methods for DFR at the circuit level. A major source of transient errors is the single event upset (SEU). SEUs are caused by high-energy particles present in the cosmic rays or emitted by radioactive contaminants in the chip packaging materials. When these particles hit a N+/P+ depletion region of an MOS transistor, they may generate a temporary logic fault. Depending on where the MOS transistor is located and what state the circuit is at, an SEU may result in a circuit-level error. We analyze SEUs both in combinational logic and memories (SRAM). For combinational logic circuit, we propose FASER, a Fast Analysis tool of Soft ERror susceptibility for cell-based designs. The efficiency of FASER is achieved through its static and vector-less nature. In order to evaluate the impact of SEU on SRAM, a theory for estimating dynamic noise margins is developed analytically. The results allow predicting the transient error susceptibility of an SRAM cell using a closedform expression. Among the many permanent failure mechanisms that include time-dependent oxide breakdown (TDDB), electro-migration (EM), hot carrier effect (HCE), and negative bias temperature instability (NBTI), NBTI has recently become important. Therefore, the main focus of our work is NBTI. NBTI occurs when the gate of PMOS is negatively biased. The voltage stress across the gate generates interface traps, which degrade the threshold voltage of PMOS. The degraded PMOS may eventually fail to meet timing requirement and cause functional errors. NBTI becomes severe at elevated temperatures. In this dissertation, we propose a NBTI degradation model that takes into account the temperature variation on the chip and gives the accurate estimation of the degraded threshold voltage. In order to account for the degradation of devices, traditional design methods add guard-bands to ensure that the circuit will function properly during its lifetime. However, the worst-case based guard-bands lead to significant penalty in performance. In this dissertation, we propose an effective macromodel-based reliability tracking and management framework, based on a hybrid network of on-chip sensors, consisting of temperature sensors and ring oscillators. The model is concerned specifically with NBTIinduced transistor aging. The key feature of our work, in contrast to the traditional tracking techniques that rely solely on direct measurement of the increase of threshold voltage or circuit delay, is an explicit macromodel which maps operating temperature to circuit degradation (the increase of circuit delay). The macromodel allows for costeffective tracking of reliability using temperature sensors and is also essential for enabling the control loop of the reliability management system. The developed methods improve the over-conservatism of the device-level, worstcase reliability estimation techniques. As the severity of reliability challenges continue to grow with technology scaling, it will become more important for circuit designers/CAD tools to be equipped with the developed methods.Electrical and Computer Engineerin

Efficient Estimation of Reliability Metrics for Circuits in Deca-Nanometer Nodes

51 σ.Καθώς η τεχνολογία οδηγεί στη κατασκευή τρανζίστορ ολοένα και μικρότερων διαστάσεων, έχουν εμφανιστεί αρκετά φαινόμενα που επηρεάζουν την αξιοπιστία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Ένα από αυτά τα φαινόμενα ονομάζεται "Bias Temperature Instability", αποτελεί σημαντικό κίνδυνο για την αξιοπιστία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και έχει παρατηρηθεί εδώ και πάνω από 30 χρόνια. Το πρώτο μοντέλο που προσπάθησε να εξηγήσει αυτό το φαινόμενο εμφανίστηκε πριν από 30 περίπου χρόνια, βασίστηκε στη διάχυση υδρογόνου και ως εκ τούτου ονομάστηκε "Reaction-Diffusion model". Πριν από μερικά χρόνια δημιουργήθηκε ένα νέο ατομιστικό μοντέλο το οποίο βασίζεται κυρίως στην εμφάνιση ελαττωμάτων στο διηλεκτρικό μεταξύ της πύλης και του καναλιού των FET τρανζίστορ. Μελετώντας κανείς τη βιβλιογραφία που αφορά στο ατομιστικό αυτό μοντέλο, μπορεί να συναντήσει εργαλεία που προσομοιώνουν με ακρίβεια το μοντέλο αλλά δυστυχώς απαιτούν αρκετό χρόνο για να εκτελεστούν, κάτι το οποίο τα καθιστά απαγορευτικά για εκτενή χρήση. Παράλληλα, υπάρχουν εργαλεία βασισμένα στο μοντέλο της διάχυσης τα οποία βέβαια αδυνατούν να παράξουν σωστά και λεπτομερή αποτελέσματα, κυρίως σε τεχνολογίες μικρών διαστάσεων. Η παρούσα λοιπόν διπλωματική εργασία παρουσιάζει τα αποτελέσματα ενός νέου και καινοτόμου εργαλείου το οποίο βασίζεται στο ατομιστικό μοντέλο, ωστόσο προσομοιώνει αποδοτικά αλλά και με ακρίβεια το φαινόμενο της γήρανσης. Ένα αντιπροσωπευτικό μονοπάτι στατικής μνήμης (SRAM) θα χρησιμοποιηθεί ως παράδειγμα της λειτουργίας του μοντέλου ενώ παράλληλα θα υπολογισθούν, με βάση τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων αυτών, μετρικές, σημαντικές για το χαρακτηρισμό της απόδοσης και αξιοπιστίας του κυκλώματος, ενώ παράλληλα θα μελετηθούν λεπτομερώς και οι σχέσεις που τις συνδέουν.In modern technologies of integrated circuits (IC) and with the downscaling of device dimensions, various degradation modes constitute major reliability concerns. Bias Temperature Instability (BTI) is a representative example, posing as a significant reliability threat in Field-Effect Transistor (FET) technologies and has been known for more than 30 years. At first, the model that tried to explain this phenomenon was based on the Reaction-Diffusion (RD) theory and was developed nearly 30 years ago. Recently, an atomistic model has been proposed, that enables the modeling of BTI in modern technologies. By observing the amount of software designed to simulate the BTI degradation, tools can be found that are based on the atomistic theory but are computationally prohibitive when it comes to simulating complex circuits consisting of a large number of devices. Tools based on the RD model are unable to accurately capture the BTI-induced degradation, especially in devices with small dimensions. The current thesis is appropriately positioned since it discusses a novel simulation framework that is efficient yet highly accurate. A subset of an embedded Static Random Access Memory (SRAM) is used for verification purposes. The estimation of the functional yield of the circuit over three years of operation will be examined as well as other reliability metrics, such as defects per million (DPM), mean time to failure (MTTF) and failures in time (FIT rate). Finally, the interplay between these metrics is discussed and efficient computation methods are proposed for each one.Μιχαήλ Α. Νόλτση

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

Accelerated Aging in Devices and Circuits

abstract: The aging mechanism in devices is prone to uncertainties due to dynamic stress conditions. In AMS circuits these can lead to momentary fluctuations in circuit voltage that may be missed by a compact model and hence cause unpredictable failure. Firstly, multiple aging effects in the devices may have underlying correlations. The generation of new traps during TDDB may significantly accelerate BTI, since these traps are close to the dielectric-Si interface in scaled technology. Secondly, the prevalent reliability analysis lacks a direct validation of the lifetime of devices and circuits. The aging mechanism of BTI causes gradual degradation of the device leading to threshold voltage shift and increasing the failure rate. In the 28nm HKMG technology, contribution of BTI to NMOS degradation has become significant at high temperature as compared to Channel Hot Carrier (CHC). This requires revising the End of Lifetime (EOL) calculation based on contribution from induvial aging effects especially in feedback loops. Conventionally, aging in devices is extrapolated from a short-term measurement, but this practice results in unreliable prediction of EOL caused by variability in initial parameters and stress conditions. To mitigate the extrapolation issues and improve predictability, this work aims at providing a new approach to test the device to EOL in a fast and controllable manner. The contributions of this thesis include: (1) based on stochastic trapping/de-trapping mechanism, new compact BTI models are developed and verified with 14nm FinFET and 28nm HKMG data. Moreover, these models are implemented into circuit simulation, illustrating a significant increase in failure rate due to accelerated BTI, (2) developing a model to predict accelerated aging under special conditions like feedback loops and stacked inverters, (3) introducing a feedback loop based test methodology called Adaptive Accelerated Aging (AAA) that can generate accurate aging data till EOL, (4) presenting simulation and experimental data for the models and providing test setup for multiple stress conditions, including those for achieving EOL in 1 hour device as well as ring oscillator (RO) circuit for validation of the proposed methodology, and (5) scaling these models for finding a guard band for VLSI design circuits that can provide realistic aging impact.Dissertation/ThesisMasters Thesis Electrical Engineering 201

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

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

On variability and reliability of poly-Si thin-film transistors

In contrast to conventional bulk-silicon technology, polysilicon (poly-Si) thin-film transistors (TFTs) can be implanted in flexible substrate and can have low process temperature. These attributes make poly-Si TFT technology more attractive for new applications, such as flexible displays, biosensors, and smart clothing. However, due to the random nature of grain boundaries (GBs) in poly-Si film and self-heating enhanced negative bias temperature instability (NBTI), the variability and reliability of poly-Si TFTs are the main obstacles that impede the application of poly-Si TFTs in high-performance circuits. The primary focus of this dissertation is to develop new design methodologies and modeling techniques for facilitating new applications of poly-Si TFT technology. In order to do that, a physical model is first presented to characterize the GB-induced transistor threshold voltage (V th)variations considering not only the number but also the position and orientation of each GB in 3-D space. The fast computation time of the proposed model makes it suitable for evaluation of GB-induced transistor Vthvariation in the early design phase. Furthermore, a self-consistent electro-thermal model that considers the effects of device geometry, substrate material, and stress conditions on NBTI is proposed. With the proposed modeling methodology, the significant impacts of device geometry, substrate, and supply voltage on NBTI in poly-Si TFTs are shown. From a circuit design perspective, a voltage programming pixel circuit is developed for active-matrix organic light emitting diode (AMOLED) displays for compensating the shift of Vth and mobility in driver TFTs as well as compensating the supply voltage degradation. In addition, a self-repair design methodology is proposed to compensate the GB-induced variations for liquid crystal displays (LCDs) and AMOLED displays. Based on the simulation results, the proposed circuit can decrease the required supply voltage by 20% without performance and yield degradation. In the final section of this dissertation, an optimization methodology for circuit-level reliability tests is explored. To effectively predict circuit lifetime, accelerated aging (i.e. elevated voltage and temperature) is commonly applied in circuit-level reliability tests, such as constant voltage stress (CVS) and ramp voltage stress (RVS) tests. However, due to the accelerated aging, shifting of dominant degradation mechanism might occur leading to the wrong lifetime prediction. To get around this issue, we proposed a technique to determine the proper stress range for accelerated aging tests

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 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