Cross-Layer Resiliency Modeling and Optimization: A Device to Circuit Approach

The never ending demand for higher performance and lower power consumption pushes the VLSI industry to further scale the technology down. However, further downscaling of technology at nano-scale leads to major challenges. Reduced reliability is one of them, arising from multiple sources e.g. runtime variations, process variation, and transient errors. The objective of this thesis is to tackle unreliability with a cross layer approach from device up to circuit level

Design and Analysis of Optimized Fin-FETs

Semiconductor industry greatly depends on CMOS technology and now needs competent technology with handful benefits. This paper examines and analyzes the modern FINFET technology. This analysis is performed through 9 stages Ring Oscillator equipped with FINFET. Performance is analyzed by comparing the proposed structure with CMOS based 9 stage Ring Oscillator at the nano-scale level of abstraction

Impact of NCFET on Neural Network Accelerators

This is the first work to investigate the impact that Negative Capacitance Field-Effect Transistor (NCFET) brings on the efficiency and accuracy of future Neural Networks (NN). NCFET is at the forefront of emerging technologies, especially after it has become compatible with the existing fabrication process of CMOS. Neural Network inference accelerators are becoming ubiquitous in modern SoCs and there is an ever-increasing demand for tighter and tighter throughput constraints and lower energy consumption. To explore the benefits that NCFET brings to NN inference regarding frequency, energy, and accuracy, we investigate different configurations of the multiply-add (MADD) circuit, which is the core computational unit in any NN accelerator. We demonstrate that, compared to the baseline 7nm FinFET technology, its negative capacitance counterpart reduces the energy by 55%, without any frequency reduction. In addition, it enables leveraging higher computational precision, which results to a considerable improvement in the inference accuracy. Importantly, the achieved accuracy improvement comes also together with a significant energy reduction and without any loss in frequency

Low Leakage and PDP Optimized FinFET based 8T SRAM Design

The paper proposes a Fin Field Effect Transistors (FinFETs) based SRAM design comprising of 8 transistors. The circuit utilizes channel length of 22 nanometers. The operation of this circuit is dependent upon the control switch CS that decides the operating mode and minimizes the leakage current flowing in the cell which in turn lowers the leakage power to a minimal value of 0.331pW. The read buffer available in the design provides a different path for read mode and also enhances the Read Static Noise Margin (RSNM), thus enhancing the readability of the circuit.This design is also able to operate at a minimal voltage of 70mV, thus efficiently utilizing the power available. It also optimizes the power delay product (PDP) for both read and write operations

Nano-scale TG-FinFET: Simulation and Analysis

Transistor has been designed and fabricated in the same way since its invention more than four decades ago enabling exponential shrinking in the channel length. However, hitting fundamental limits imposed the need for introducing disruptive technology to take over. FinFET - 3-D transistor - has been emerged as the first successor to MOSFET to continue the technology scaling roadmap. In this thesis, scaling of nano-meter FinFET has been investigated on both the device and circuit levels. The studies, primarily, consider FinFET in its tri-gate (TG) structure. On the device level, first, the main TCAD models used in simulating electron transport are benchmarked against the most accurate results on the semi-classical level using Monte Carlo techniques. Different models and modifications are investigated in a trial to extend one of the conventional models to the nano-scale simulations. Second, a numerical study for scaling TG-FinFET according to the most recent International Technology Roadmap of Semiconductors is carried out by means of quantum corrected 3-D Monte Carlo simulations in the ballistic and quasi-ballistic regimes, to assess its ultimate performance and scaling behavior for the next generations. Ballisticity ratio (BR) is extracted and discussed over different channel lengths. The electron velocity along the channel is analyzed showing the physical significance of the off-equilibrium transport with scaling the channel length. On the circuit level, first, the impact of FinFET scaling on basic circuit blocks is investigated based on the PTM models. 256-bit (6T) SRAM is evaluated for channel lengths of 20nm down to 7nm showing the scaling trends of basic performance metrics. In addition, the impact of VT variations on the delay, power, and stability is reported considering die-to-die variations. Second, we move to another peer-technology which is 28nm FD-SOI as a comparative study, keeping the SRAM cell as the test block, more advanced study is carried out considering the cell‘s stability and the evolution from dynamic to static metrics

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

Novel dual-threshold voltage FinFETs for circuit design and optimization

A great research effort has been invested on finding alternatives to CMOS that have better process variation and subthreshold leakage. From possible candidates, FinFET is the most compatible with respect to CMOS and it has shown promising leakage and speed performance. This thesis introduces basic characteristics of FinFETs and the effects of FinFET physical parameters on their performance are explained quantitatively. I show how dual- V th independent-gate FinFETs can be fabricated by optimizing their physical parameters. Optimum values for these physical parameters are derived using the physics-based University of Florida SPICE model for double-gate devices, and the optimized FinFETs are simulated and validated using Sentaurus TCAD simulations. Dual-14, FinFETs with independent gates enable series and parallel merge transformations in logic gates, realizing compact low power alternative gates with competitive performance and reduced input capacitance in comparison to conventional FinFET gates. Furthermore, they also enable the design of a new class of compact logic gates with higher expressive power and flexibility than CMOS gates. Synthesis results for 16 benchmark circuits from the ISCAS and OpenSPARC suites indicate that on average at 2GHz and 75°C, the library that contains the novel gates reduces total power and the number of fins by 36% and 37% respectively, over a conventional library that does not have novel gates in the 32nm technology

Performance, Power and Cooling Trade-Offs with NCFET-based Many-Cores

Negative Capacitance Field-Effect Transistor (NCFET) is an emerging technology that incorporates a ferroelectric layer within the transistor gate stack to overcome the fundamental limit of sub-threshold swing in transistors. Even though physics-based NCFET models have been recently proposed, system-level NCFET models do not exist and research is still in its infancy. In this work, we are the first to investigate the impact of NCFET on performance, energy and cooling costs in many-core processors. Our proposed methodology starts from accurate physics models all the way up to the system level, where the performance and power of a many-core are widely affected. Our new methodology and system-level models allow, for the first time, the exploration of the novel trade-offs between performance gains and power losses that NCFET now offers to system-level designers. We demonstrate that an optimal ferroelectric thickness does exist. In addition, we reveal that current state-of-the-art power management techniques fail when NCFET (with a thick ferroelectric layer) comes into play