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

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

Cache memory design in the FinFET era

The major problem in the future technology scaling is the variations in process parameters that are interpreted as imperfections in the development process. Moreover, devices are more sensitive to the environmental changes of temperature and supply volt- age as well as to ageing. All these influences are manifested in the integrated circuits as increased power consumption, reduced maximal operating frequency and increased number of failures. These effects have been partially overcome with the introduction of the FinFET technology which have solved the problem of variability caused by Random Dopant Fluctuations. However, in the next ten years channel length is projected to shrink to 10nm where the variability source generated by Line Edge Roughness will dominate, and its effects on the threshold voltage variations will become critical. The embedded memories with their cells as the basic building unit are the most prone to these effects due to their the smallest dimensions. Because of that, memories should be designed with particular care in order to make possible further technology scaling. This thesis explores upcoming 10nm FinFETs and the existing issues in the cache memory design with this technology. More- over, it tries to present some original and novel techniques on the different level of design abstraction for mitigating the effects of process and environmental variability. At first original method for simulating variability of Tri-Gate Fin- FETs is presented using conventional HSPICE simulation environment and BSIM-CMG model cards. When that is accomplished, thorough characterisation of traditional SRAM cell circuits (6T and 8T) is performed. Possibility of using Independent Gate FinFETs for increasing cell stability has been explored, also. Gain Cells appeared in the recent past as an attractive alternative for in the cache memory design. This thesis partially explores this idea by presenting and performing detailed circuit analysis of the dynamic 3T gain cell for 10nm FinFETs. At the top of this work, thesis shows one micro-architecture optimisation of high-speed cache when it is implemented by 3T gain cells. We show how the cache coherency states can be used in order to reduce refresh energy of the memory as well as reduce memory ageing.El principal problema de l'escalat la tecnologia són les variacions en els paràmetres de disseny (imperfeccions) durant procés de fabricació. D'altra banda, els dispositius també són més sensibles als canvis ambientals de temperatura, la tensió d'alimentació, així com l'envelliment. Totes aquestes influències es manifesten en els circuits integrats com l'augment de consum d'energia, la reducció de la freqüència d'operació màxima i l'augment del nombre de xips descartats. Aquests efectes s'han superat parcialment amb la introducció de la tecnologia FinFET que ha resolt el problema de la variabilitat causada per les fluctuacions de dopants aleatòries. No obstant això, en els propers deu anys, l'ample del canal es preveu que es reduirà a 10nm, on la font de la variabilitat generada per les rugositats de les línies de material dominarà, i els seu efecte en les variacions de voltatge llindar augmentarà. Les memòries encastades amb les seves cel·les com la unitat bàsica de construcció són les més propenses a sofrir aquests efectes a causa de les seves dimensions més petites. A causa d'això, cal dissenyar les memòries amb una especial cura per tal de fer possible l'escalat de la tecnologia. Aquesta tesi explora la tecnologia de FinFETs de 10nm i els problemes existents en el disseny de memòries amb aquesta tecnologia. A més a més, presentem noves tècniques originals sobre diferents nivells d'abstracció del disseny per a la mitigació dels efectes les variacions tan de procés com ambientals. En primer lloc, presentem un mètode original per a la simulació de la variabilitat de Tri-Gate FinFETs usant entorn de simulació HSPICE convencional i models de tecnologia BSIMCMG. Després, es realitza la caracterització completa dels circuits de cel·les SRAM tradicionals (6T i 8T) conjuntament amb l'ús de Gate-independent FinFETs per augmentar l'estabilitat de la cèl·lula

Sensor de envelhecimento para células de memória CMOS

Dissertação de Mestrado, Engenharia e Tecnologia, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2016As memórias Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) ocupam uma percentagem de área significativa nos circuitos integrados e, com o desenvolvimento de tecnologias de fabrico a uma escala cada vez mais reduzida, surgem problemas de performance e de fiabilidade. Efeitos como o BTI (Bias Thermal Instability), TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown), HCI (Hot Carrier Injection), EM (Electromigration), degradam os parâmetros físicos dos transístores de efeito de campo (MOSFET), alterando as suas propriedades elétricas ao longo do tempo. O efeito BTI pode ser subdividido em NBTI (Negative BTI) e PBTI (Positive BTI). O efeito NBTI é dominante no processo de degradação e envelhecimento dos transístores CMOS, afetando os transístores PMOS, enquanto o efeito PBTI assume especial relevância na degradação dos transístores NMOS. A degradação provocada por estes efeitos, manifesta-se nos transístores através do incremento do módulo da tensão de limiar de condução |ℎ| ao longo do tempo. A degradação dos transístores é designada por envelhecimento, sendo estes efeitos cumulativos e possuindo um grande impacto na performance do circuito, em particular se ocorrerem outras variações paramétricas. Outras variações paramétricas adicionais que podem ocorrer são as variações de processo (P), tensão (V) e temperatura (T), ou considerando todas estas variações, e de uma forma genérica, PVTA (Process, Voltage, Temperature and Aging). As células de memória de acesso aleatório (RAM, Random Access Memory), em particular as memórias estáticas (SRAM, Static Random Access Memory) e dinâmicas (DRAM, Dynamic Random Access Memory), possuem tempos de leitura e escrita precisos. Quando ao longo do tempo ocorre o envelhecimento das células de memória, devido à degradação das propriedades dos transístores MOSFET, ocorre também uma degradação da performance das células de memória. A degradação de performance é, portanto, resultado das transições lentas que ocorrem, devido ao envelhecimento dos transístores MOSFET que comutam mais tarde, comparativamente a transístores novos. A degradação de performance nas memórias devido às transições lentas pode traduzir-se em leituras e escritas mais lentas, bem como em alterações na capacidade de armazenamento da memória. Esta propriedade pode ser expressa através da margem de sinal ruído (SNM). O SNM é reduzido com o envelhecimento dos transístores MOSFET e, quando o valor do SNM é baixo, a célula perde a sua capacidade de armazenamento, tornando-se mais vulnerável a fontes de ruído. O SNM é, portanto, um valor que permite efetuar a aferição (benchmarking) e comparar as características da memória perante o envelhecimento ou outras variações paramétricas que possam ocorrer. O envelhecimento das memórias CMOS traduz-se portanto na ocorrência de erros nas memórias ao longo do tempo, o que é indesejável especialmente em sistemas críticos. O trabalho apresentado nesta dissertação tem como objetivo o desenvolvimento de um sensor de envelhecimento e performance para memórias CMOS, detetando e sinalizando para o exterior o envelhecimento em células de memória SRAM devido à constante monitorização da sua performance. O sensor de envelhecimento e performance é ligado na bit line da célula de memória e monitoriza ativamente as operações de leitura e escrita decorrentes da operação da memória. O sensor de envelhecimento é composto por dois blocos: um detetor de transições e um detetor de pulsos. O detetor de transições é constituído por oito inversores e uma porta lógica XOR realizada com portas de passagem. Os inversores possuem diferentes relações nos tamanhos dos transístores P/N, permitindo tempos de comutação em diferentes valores de tensão. Assim, quando os inversores com tensões de comutações diferentes são estimulados pelo mesmo sinal de entrada e são ligados a uma porta XOR, permitem gerar na saída um impulso sempre que existe uma comutação na bit line. O impulso terá, portanto, uma duração proporcional ao tempo de comutação do sinal de entrada, que neste caso particular são as operações de leitura e escrita da memória. Quando o envelhecimento ocorre e as transições se tornam mais lentas, os pulsos possuem uma duração superior face aos pulsos gerados numa SRAM nova. Os pulsos gerados seguem para um elemento de atraso (delay element) que provoca um atraso aos pulsos, invertendo-os de seguida, e garantindo que a duração dos pulsos é suficiente para que exista uma deteção. O impulso gerado é ligado ao bloco seguinte que compõe o sensor de envelhecimento e performance, sendo um circuito detetor de pulso. O detetor de pulso implementa um NOR CMOS, controlado por um sinal de relógio (clock) e pelos pulsos invertidos. Quando os dois sinais de input do NOR são ‘0’ o output resultante será ‘1’, criando desta forma uma janela de deteção. O sensor de envelhecimento será ajustado em cada implementação, de forma a que numa célula de memória nova os pulsos invertidos se encontrem alinhados temporalmente com os pulsos de relógio. Este ajuste é feito durante a fase de projeto, em função da frequência de operação requerida para a célula, quer pelo dimensionamento do delay element (ajustando o seu atraso), quer pela definição do período do sinal de relógio. À medida que o envelhecimento dos circuitos ocorre e as comutações nos transístores se tornam mais lentas, a duração dos pulsos aumenta e consequentemente entram na janela de deteção, originando uma sinalização na saída do sensor. Assim, caso ocorram operações de leitura e escrita instáveis, ou seja, que apresentem tempos de execução acima do expectável ou que os seus níveis lógicos estejam degradados, o sensor de envelhecimento e performance devolve para o exterior ‘1’, sinalizando um desempenho crítico para a operação realizada, caso contrário a saída será ‘0’, indicando que não é verificado nenhum erro no desempenho das operações de escrita e leitura. Os transístores do sensor de envelhecimento e performance são dimensionados de acordo com a implementação; por exemplo, os modelos dos transístores selecionados, tensões de alimentação, ou número de células de memória conectadas na bit line, influenciam o dimensionamento prévio do sensor, já que tanto a performance da memória como o desempenho do sensor dependem das condições de operação. Outras soluções previamente propostas e disponíveis na literatura, nomeadamente o sensor de envelhecimento embebido no circuito OCAS (On-Chip Aging Sensor), permitem detetar envelhecimento numa SRAM devido ao envelhecimento por NBTI. Porém esta solução OCAS apenas se aplica a um conjunto de células SRAM conectadas a uma bit line, não sendo aplicado individualmente a outras células de memória como uma DRAM e não contemplando o efeito PBTI. Uma outra solução já existente, o sensor Scout flip-flop utilizado para aplicações ASIC (Application Specific Integrated Circuit) em circuitos digitais síncronos, atua também como um sensor de performance local e responde de forma preditiva na monitorização de faltas por atraso, utilizando por base janelas de deteção. Esta solução não foi projetada para a monitorização de operações de leitura e escrita em memórias SRAM e DRAM. No entanto, pela sua forma de atuar, esta solução aproxima-se mais da solução proposta neste trabalho, uma vez que o seu funcionamento se baseia em sinalização de sinais atrasados. Nesta dissertação, o recurso a simulações SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) permite validar e testar o sensor de envelhecimento e performance. O caso de estudo utilizado para aplicar o sensor é uma memória CMOS, SRAM, composta por 6 transístores, juntamente com os seus circuitos periféricos, nomeadamente o amplificador sensor e o circuito de pré-carga e equalização, desenvolvidos em tecnologia CMOS de 65nm e 22nm, com recurso aos modelos de MOSFET ”Berkeley Predictive Technology Models (PTM)”. O sensor é devolvido e testado em 65nm e em 22nm com os modelos PTM, permitindo caracterizar o sensor de envelhecimento e performance desenvolvido, avaliando também de que forma o envelhecimento degrada as operações de leitura e escrita da SRAM, bem como a sua capacidade de armazenamento e robustez face ao ruído. Por fim, as simulações apresentadas provam que o sensor de envelhecimento e performance desenvolvido nesta tese de mestrado permite monitorizar com sucesso a performance e o envelhecimento de circuitos de memória SRAM, ultrapassando os desafios existentes nas anteriores soluções disponíveis para envelhecimento de memórias. Verificou-se que na presença de um envelhecimento que provoque uma degradação igual ou superior a 10%, o sensor de envelhecimento e performance deteta eficazmente a degradação na performance, sinalizando os erros. A sua utilização em memórias DRAM, embora possível, não foi testada nesta dissertação, ficando reservada para trabalho futuro

A statistical study of time dependent reliability degradation of nanoscale MOSFET devices

Charge trapping at the channel interface is a fundamental issue that adversely affects the reliability of metal-oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) devices. This effect represents a new source of statistical variability as these devices enter the nano-scale era. Recently, charge trapping has been identified as the dominant phenomenon leading to both random telegraph noise (RTN) and bias temperature instabilities (BTI). Thus, understanding the interplay between reliability and statistical variability in scaled transistors is essential to the implementation of a ‘reliability-aware’ complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit design. In order to investigate statistical reliability issues, a methodology based on a simulation flow has been developed in this thesis that allows a comprehensive and multi-scale study of charge-trapping phenomena and their impact on transistor and circuit performance. The proposed methodology is accomplished by using the Gold Standard Simulations (GSS) technology computer-aided design (TCAD)-based design tool chain co-optimization (DTCO) tool chain. The 70 nm bulk IMEC MOSFET and the 22 nm Intel fin-shape field effect transistor (FinFET) have been selected as targeted devices. The simulation flow starts by calibrating the device TCAD simulation decks against experimental measurements. This initial phase allows the identification of the physical structure and the doping distributions in the vertical and lateral directions based on the modulation in the inversion layer’s depth as well as the modulation of short channel effects. The calibration is further refined by taking into account statistical variability to match the statistical distributions of the transistors’ figures of merit obtained by measurements. The TCAD simulation investigation of RTN and BTI phenomena is then carried out in the presence of several sources of statistical variability. The study extends further to circuit simulation level by extracting compact models from the statistical TCAD simulation results. These compact models are collected in libraries, which are then utilised to investigate the impact of the BTI phenomenon, and its interaction with statistical variability, in a six transistor-static random access memory (6T-SRAM) cell. At the circuit level figures of merit, such as the static noise margin (SNM), and their statistical distributions are evaluated. The focus of this thesis is to highlight the importance of accounting for the interaction between statistical variability and statistical reliability in the simulation of advanced CMOS devices and circuits, in order to maintain predictivity and obtain a quantitative agreement with a measured data. The main findings of this thesis can be summarised by the following points: Based on the analysis of the results, the dispersions of VT and ΔVT indicate that a change in device technology must be considered, from the planar MOSFET platform to a new device architecture such as FinFET or SOI. This result is due to the interplay between a single trap charge and statistical variability, which has a significant impact on device operation and intrinsic parameters as transistor dimensions shrink further. The ageing process of transistors can be captured by using the trapped charge density at the interface and observing the VT shift. Moreover, using statistical analysis one can highlight the extreme transistors and their probable effect on the circuit or system operation. The influence of the passgate (PG) transistor in a 6T-SRAM cell gives a different trend of the mean static noise margin

Reliability-aware memory design using advanced reconfiguration mechanisms

Fast and Complex Data Memory systems has become a necessity in modern computational units in today's integrated circuits. These memory systems are integrated in form of large embedded memory for data manipulation and storage. This goal has been achieved by the aggressive scaling of transistor dimensions to few nanometer (nm) sizes, though; such a progress comes with a drawback, making it critical to obtain high yields of the chips. Process variability, due to manufacturing imperfections, along with temporal aging, mainly induced by higher electric fields and temperature, are two of the more significant threats that can no longer be ignored in nano-scale embedded memory circuits, and can have high impact on their robustness. Static Random Access Memory (SRAM) is one of the most used embedded memories; generally implemented with the smallest device dimensions and therefore its robustness can be highly important in nanometer domain design paradigm. Their reliable operation needs to be considered and achieved both in cell and also in architectural SRAM array design. Recently, and with the approach to near/below 10nm design generations, novel non-FET devices such as Memristors are attracting high attention as a possible candidate to replace the conventional memory technologies. In spite of their favorable characteristics such as being low power and highly scalable, they also suffer with reliability challenges, such as process variability and endurance degradation, which needs to be mitigated at device and architectural level. This thesis work tackles such problem of reliability concerns in memories by utilizing advanced reconfiguration techniques. In both SRAM arrays and Memristive crossbar memories novel reconfiguration strategies are considered and analyzed, which can extend the memory lifetime. These techniques include monitoring circuits to check the reliability status of the memory units, and architectural implementations in order to reconfigure the memory system to a more reliable configuration before a fail happens.Actualmente, el diseño de sistemas de memoria en circuitos integrados busca continuamente que sean más rápidos y complejos, lo cual se ha vuelto de gran necesidad para las unidades de computación modernas. Estos sistemas de memoria están integrados en forma de memoria embebida para una mejor manipulación de los datos y de su almacenamiento. Dicho objetivo ha sido conseguido gracias al agresivo escalado de las dimensiones del transistor, el cual está llegando a las dimensiones nanométricas. Ahora bien, tal progreso ha conllevado el inconveniente de una menor fiabilidad, dado que ha sido altamente difícil obtener elevados rendimientos de los chips. La variabilidad de proceso - debido a las imperfecciones de fabricación - junto con la degradación de los dispositivos - principalmente inducido por el elevado campo eléctrico y altas temperaturas - son dos de las más relevantes amenazas que no pueden ni deben ser ignoradas por más tiempo en los circuitos embebidos de memoria, echo que puede tener un elevado impacto en su robusteza final. Static Random Access Memory (SRAM) es una de las celdas de memoria más utilizadas en la actualidad. Generalmente, estas celdas son implementadas con las menores dimensiones de dispositivos, lo que conlleva que el estudio de su robusteza es de gran relevancia en el actual paradigma de diseño en el rango nanométrico. La fiabilidad de sus operaciones necesita ser considerada y conseguida tanto a nivel de celda de memoria como en el diseño de arquitecturas complejas basadas en celdas de memoria SRAM. Actualmente, con el diseño de sistemas basados en dispositivos de 10nm, dispositivos nuevos no-FET tales como los memristores están atrayendo una elevada atención como posibles candidatos para reemplazar las actuales tecnologías de memorias convencionales. A pesar de sus características favorables, tales como el bajo consumo como la alta escabilidad, ellos también padecen de relevantes retos de fiabilidad, como son la variabilidad de proceso y la degradación de la resistencia, la cual necesita ser mitigada tanto a nivel de dispositivo como a nivel arquitectural. Con todo esto, esta tesis doctoral afronta tales problemas de fiabilidad en memorias mediante la utilización de técnicas de reconfiguración avanzada. La consideración de nuevas estrategias de reconfiguración han resultado ser validas tanto para las memorias basadas en celdas SRAM como en `memristive crossbar¿, donde se ha observado una mejora significativa del tiempo de vida en ambos casos. Estas técnicas incluyen circuitos de monitorización para comprobar la fiabilidad de las unidades de memoria, y la implementación arquitectural con el objetivo de reconfigurar los sistemas de memoria hacia una configuración mucho más fiables antes de que el fallo suced

Charge Trap Transistors (CTT): Turning Logic Transistors into Embedded Non-Volatile Memory for Advanced High-k/Metal Gate CMOS Technologies

While need for embedded non-volatile memory (eNVM) in modern computing systems continues to grow rapidly, the options have been limited due to integration and scaling challenges as well as operational voltage incompatibilities. Introduced in this work is a unique multi-time programmable memory (MTPM) solution for advanced high-k/metal-gate (HKMG) CMOS technologies which turns as-fabricated standard logic transistors into eNVM elements, without the need for any process adders or additional masks. These logic transistors, when employed as eNVM elements, are dubbed “Charge Trap Transistors” (CTTs). The fundamental device physics, principles of operation, and technological breakthroughs required for employing logic transistors as eNVM are presented. Implementation of CTT eNVM in 32 nm, 22 nm, 14 nm, and 7 nm production technologies has been realized and demonstrated in this work. The emerging memory technology landscape and the space that the CTT technology occupies therein are examined.The motivation behind this work is to develop an eNVM technology that is completely process/mask-free, multi-time programmable, operable at low/logic-compatible voltages, scalable, and secure. The CTT technology satisfies all of the aforementioned criteria. CTTs offer a data retention lifetime of > 10 years at 125 �C and an operation temperature range of -55�-125� C. Hardware results demonstrate an endurance of > 10^4 program/erase cycles which is more than adequate for most embedded applications. Hardware security enhancement, on-chip reconfigurable encryption, firmware, BIOS, chip ID, redundancy, repair at wafer and module test and in the field, performance tailoring, and chip configuration are a few of the applications of CTT eNVM. Moreover, the CTT array in its native (unprogrammed) state measures very well as an entropy source for potential PUF (Physically Unclonable Function) applications such as identification, authentication, anti-counterfeiting, secure boot, and cryptographic IP. In addition to the numerous digital applications, CTTs can also be utilized as an analog memory for applications like neuromorphic computing for machine learning (ML) and artificial intelligence (AI)

Scaling and variability in ultra thin body silicon on insulator (UTB SOI) MOSFETs

The main objective of this thesis is to perform a comprehensive simulation study of the statistical variability in well scaled fully depleted ultra thin body silicon on insulator (FD-UTB SOI) at nanometer regime. It describes the design procedure for template FDUTB SOI transistor scaling and the impacts of statistical variability and reliability the scaled template transistor. The starting point of this study is a systematic simulation analysis based on a welldesigned 32nm thin body SOI template transistor provided by the FP7 project PULLNANO. The 32nm template transistor is consistent with the International Technology Roadmap for Semiconductor (ITRS) 2009 specifications. The wellestablished 3D ‘atomistic’ simulator GARAND has been employed in the designing of the scaled transistors and to carry out the statistical variability simulations. Following the foundation work in characterizing and optimizing the template 32 nm gate length transistor, the scaling proceeds down to 22 nm, 16 nm and 11 nm gate lengths using typically 0.7 scaling factor in respect of the horizontal and vertical transistor dimensions. The device design process is targeted for low power applications with a careful consideration of the impacts of the design parameters choice including buried oxide thickness (TBOX), source/drain doping abruptness (σ) and spacer length (Lspa). In order to determine the values of TBOX, σ, and Lspa, it is important to analyze simulation results, carefully assessing the impact on manufacturability and to consider the corresponding trade-off between short channel effects and on-current performance. Considering the above factors, TBOX = 10nm, σ = 2nm/dec and Lspa = 7nm have been adopted as optimum values respectively. iv The statistical variability of the transistor characteristics due to intrinsic parameter fluctuation (IPF) in well-scaled FD-UTB SOI devices is systematically studied for the first time. The impact of random dopant fluctuation (RDF), line edge roughness (LER) and metal gate granularity (MGG) on threshold voltage (Vth), on-current (Ion) and drain induced barrier lowering (DIBL) are analysed. Each principal sources of variability is treated individually and in combination with other variability sources in the simulation of large ensembles of microscopically different devices. The introduction of highk/ metal gate stack has improved the electrostatic integrity and enhanced the overall device performance. However, in the case of fully depleted channel transistors, MGG has become a dominant variability factor for all critical electrical parameters at gate first technology. For instance, σVth due to MGG increased to 41.9 mV at 11nm gate length compared to 26.0 mV at 22nm gate length. Similar trend has also been observed in σIon, increasing from 0.065 up to 0.174 mA/μm when the gate length is reduced from 22 nm down to 11 nm. Both RDF and LER have significant role in the intrinsic parameter fluctuations and therefore, none of these sources should be overlooked in the simulations. Finally, the impact of different variability sources in combination with positive bias temperature instability (PBTI) degradation on Vth, Ion and DIBL of the scaled nMOSFETs is investigated. Our study indicates that BTI induced charge trapping is a crucial reliability problem for the FD-UTB SOI transistors operation. Its impact not only introduces a significant degradation of transistor performance, but also accelerates the statistical variability. For example, the effect of a late degradation stage (at trap density of 1e12/cm2) in the presence of RDF, LER and MGG results in σVth increase to 36.9 mV, 45.0 mV and 58.3 mV for 22 nm, 16 nm and 11 nm respectively from the original 29.0 mV, 37.9 mV and 50.4 mV values in the fresh transistors

Function Implementation in a Multi-Gate Junctionless FET Structure

Title from PDF of title page, viewed September 18, 2023Dissertation advisor: Mostafizur RahmanVitaIncludes bibliographical references (pages 95-117)Dissertation (Ph.D.)--Department of Computer Science and Electrical Engineering, Department of Physics and Astronomy. University of Missouri--Kansas City, 2023This dissertation explores designing and implementing a multi-gate junctionless field-effect transistor (JLFET) structure and its potential applications beyond conventional devices. The JLFET is a promising alternative to conventional transistors due to its simplified fabrication process and improved electrical characteristics. However, previous research has focused primarily on the device's performance at the individual transistor level, neglecting its potential for implementing complex functions. This dissertation fills this research gap by investigating the function implementation capabilities of the JLFET structure and proposing novel circuit designs based on this technology. The first part of this dissertation presents a comprehensive review of the existing literature on JLFETs, including their fabrication techniques, operating principles, and performance metrics. It highlights the advantages of JLFETs over traditional metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) and discusses the challenges associated with their implementation. Additionally, the review explores the limitations of conventional transistor technologies, emphasizing the need for exploring alternative device architectures. Building upon the theoretical foundation, the dissertation presents a detailed analysis of the multi-gate JLFET structure and its potential for realizing advanced functions. The study explores the impact of different design parameters, such as channel length, gate oxide thickness, and doping profiles, on the device performance. It investigates the trade-offs between power consumption, speed, and noise immunity, and proposes design guidelines for optimizing the function implementation capabilities of the JLFET. To demonstrate the practical applicability of the JLFET structure, this dissertation introduces several novel circuit designs based on this technology. These designs leverage the unique characteristics of the JLFET, such as its steep subthreshold slope and improved on/off current ratio, to implement complex functions efficiently. The proposed circuits include arithmetic units, memory cells, and digital logic gates. Detailed simulations and analyses are conducted to evaluate their performance, power consumption, and scalability. Furthermore, this dissertation explores the potential of the JLFET structure for emerging technologies, such as neuromorphic computing and bioelectronics. It investigates how the JLFET can be employed to realize energy-efficient and biocompatible devices for applications in artificial intelligence and biomedical engineering. The study investigates the compatibility of the JLFET with various materials and substrates, as well as its integration with other functional components. In conclusion, this dissertation contributes to the field of nanoelectronics by providing a comprehensive investigation into the function implementation capabilities of the multi-gate JLFET structure. It highlights the potential of this device beyond its individual transistor performance and proposes novel circuit designs based on this technology. The findings of this research pave the way for the development of advanced electronic systems that are more energy-efficient, faster, and compatible with emerging applications in diverse fields.Introduction -- Literature review -- Crosstalk principle -- Experiment of crosstalk -- Device architecture -- Simulation & results -- Conclusio