Secure Physical Design

An integrated circuit is subject to a number of attacks including information leakage, side-channel attacks, fault-injection, malicious change, reverse engineering, and piracy. Majority of these attacks take advantage of physical placement and routing of cells and interconnects. Several measures have already been proposed to deal with security issues of the high level functional design and logic synthesis. However, to ensure end-to-end trustworthy IC design flow, it is necessary to have security sign-off during physical design flow. This paper presents a secure physical design roadmap to enable end-to-end trustworthy IC design flow. The paper also discusses utilization of AI/ML to establish security at the layout level. Major research challenges in obtaining a secure physical design are also discussed

Reliable Low-Power High Performance Spintronic Memories

Moores Gesetz folgend, ist es der Chipindustrie in den letzten fünf Jahrzehnten gelungen, ein explosionsartiges Wachstum zu erreichen. Dies hatte ebenso einen exponentiellen Anstieg der Nachfrage von Speicherkomponenten zur Folge, was wiederum zu speicherlastigen Chips in den heutigen Computersystemen führt. Allerdings stellen traditionelle on-Chip Speichertech- nologien wie Static Random Access Memories (SRAMs), Dynamic Random Access Memories (DRAMs) und Flip-Flops eine Herausforderung in Bezug auf Skalierbarkeit, Verlustleistung und Zuverlässigkeit dar. Eben jene Herausforderungen und die überwältigende Nachfrage nach höherer Performanz und Integrationsdichte des on-Chip Speichers motivieren Forscher, nach neuen nichtflüchtigen Speichertechnologien zu suchen. Aufkommende spintronische Spe- ichertechnologien wie Spin Orbit Torque (SOT) und Spin Transfer Torque (STT) erhielten in den letzten Jahren eine hohe Aufmerksamkeit, da sie eine Reihe an Vorteilen bieten. Dazu gehören Nichtflüchtigkeit, Skalierbarkeit, hohe Beständigkeit, CMOS Kompatibilität und Unan- fälligkeit gegenüber Soft-Errors. In der Spintronik repräsentiert der Spin eines Elektrons dessen Information. Das Datum wird durch die Höhe des Widerstandes gespeichert, welche sich durch das Anlegen eines polarisierten Stroms an das Speichermedium verändern lässt. Das Prob- lem der statischen Leistung gehen die Speichergeräte sowohl durch deren verlustleistungsfreie Eigenschaft, als auch durch ihr Standard- Aus/Sofort-Ein Verhalten an. Nichtsdestotrotz sind noch andere Probleme, wie die hohe Zugriffslatenz und die Energieaufnahme zu lösen, bevor sie eine verbreitete Anwendung finden können. Um diesen Problemen gerecht zu werden, sind neue Computerparadigmen, -architekturen und -entwurfsphilosophien notwendig. Die hohe Zugriffslatenz der Spintroniktechnologie ist auf eine vergleichsweise lange Schalt- dauer zurückzuführen, welche die von konventionellem SRAM übersteigt. Des Weiteren ist auf Grund des stochastischen Schaltvorgangs der Speicherzelle und des Einflusses der Prozessvari- ation ein nicht zu vernachlässigender Zeitraum dafür erforderlich. In diesem Zeitraum wird ein konstanter Schreibstrom durch die Bitzelle geleitet, um den Schaltvorgang zu gewährleisten. Dieser Vorgang verursacht eine hohe Energieaufnahme. Für die Leseoperation wird gleicher- maßen ein beachtliches Zeitfenster benötigt, ebenfalls bedingt durch den Einfluss der Prozess- variation. Dem gegenüber stehen diverse Zuverlässigkeitsprobleme. Dazu gehören unter An- derem die Leseintereferenz und andere Degenerationspobleme, wie das des Time Dependent Di- electric Breakdowns (TDDB). Diese Zuverlässigkeitsprobleme sind wiederum auf die benötigten längeren Schaltzeiten zurückzuführen, welche in der Folge auch einen über längere Zeit an- liegenden Lese- bzw. Schreibstrom implizieren. Es ist daher notwendig, sowohl die Energie, als auch die Latenz zur Steigerung der Zuverlässigkeit zu reduzieren, um daraus einen potenziellen Kandidaten für ein on-Chip Speichersystem zu machen. In dieser Dissertation werden wir Entwurfsstrategien vorstellen, welche das Ziel verfolgen, die Herausforderungen des Cache-, Register- und Flip-Flop-Entwurfs anzugehen. Dies erre- ichen wir unter Zuhilfenahme eines Cross-Layer Ansatzes. Für Caches entwickelten wir ver- schiedene Ansätze auf Schaltkreisebene, welche sowohl auf der Speicherarchitekturebene, als auch auf der Systemebene in Bezug auf Energieaufnahme, Performanzsteigerung und Zuver- lässigkeitverbesserung evaluiert werden. Wir entwickeln eine Selbstabschalttechnik, sowohl für die Lese-, als auch die Schreiboperation von Caches. Diese ist in der Lage, den Abschluss der entsprechenden Operation dynamisch zu ermitteln. Nachdem der Abschluss erkannt wurde, wird die Lese- bzw. Schreiboperation sofort gestoppt, um Energie zu sparen. Zusätzlich limitiert die Selbstabschalttechnik die Dauer des Stromflusses durch die Speicherzelle, was wiederum das Auftreten von TDDB und Leseinterferenz bei Schreib- bzw. Leseoperationen re- duziert. Zur Verbesserung der Schreiblatenz heben wir den Schreibstrom an der Bitzelle an, um den magnetischen Schaltprozess zu beschleunigen. Um registerbankspezifische Anforderungen zu berücksichtigen, haben wir zusätzlich eine Multiport-Speicherarchitektur entworfen, welche eine einzigartige Eigenschaft der SOT-Zelle ausnutzt, um simultan Lese- und Schreiboperatio- nen auszuführen. Es ist daher möglich Lese/Schreib- Konfilkte auf Bitzellen-Ebene zu lösen, was sich wiederum in einer sehr viel einfacheren Multiport- Registerbankarchitektur nieder- schlägt. Zusätzlich zu den Speicheransätzen haben wir ebenfalls zwei Flip-Flop-Architekturen vorgestellt. Die erste ist eine nichtflüchtige non-Shadow Flip-Flop-Architektur, welche die Speicherzelle als aktive Komponente nutzt. Dies ermöglicht das sofortige An- und Ausschalten der Versorgungss- pannung und ist daher besonders gut für aggressives Powergating geeignet. Alles in Allem zeigt der vorgestellte Flip-Flop-Entwurf eine ähnliche Timing-Charakteristik wie die konventioneller CMOS Flip-Flops auf. Jedoch erlaubt er zur selben Zeit eine signifikante Reduktion der statis- chen Leistungsaufnahme im Vergleich zu nichtflüchtigen Shadow- Flip-Flops. Die zweite ist eine fehlertolerante Flip-Flop-Architektur, welche sich unanfällig gegenüber diversen Defekten und Fehlern verhält. Die Leistungsfähigkeit aller vorgestellten Techniken wird durch ausführliche Simulationen auf Schaltkreisebene verdeutlicht, welche weiter durch detaillierte Evaluationen auf Systemebene untermauert werden. Im Allgemeinen konnten wir verschiedene Techniken en- twickeln, die erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Performanz, Energie und Zuverlässigkeit von spintronischen on-Chip Speichern, wie Caches, Register und Flip-Flops erreichen

Development of the readout electronics for the high luminosity upgrade of the CMS outer strip tracker

The High-luminosity upgrade of the LHC will deliver the dramatic increase in luminosity required for precision measurements and to probe Beyond the Standard Model theories. At the same time, it will present unprecedented challenges in terms of pileup and radiation degradation. The CMS experiment is set for an extensive upgrade campaign, which includes the replacement of the current Tracker with another all-silicon detector with improved performance and reduced mass. One of the most ambitious aspects of the future Tracker will be the ability to identify high transverse momentum track candidates at every bunch crossing and with very low latency, in order to include tracking information at the L1 hardware trigger stage, a critical and effective step to achieve triggers with high purity and low threshold. This thesis presents the development and the testing of the CMS Binary Chip 2 (CBC2), a prototype Application Specific Integrated Circuit (ASIC) for the binary front-end readout of silicon strip detectors modules in the Outer Tracker, which also integrates the logic necessary to identify high transverse momentum candidates by correlating hits from two silicon strip detectors, separated by a few millimetres. The design exploits the relation between the transverse momentum and the curvature in the trajectory of charged particles subject to the large magnetic field of CMS. The logic which follows the analogue amplification and binary conversion rejects clusters wider than a programmable maximum number of adjacent strips, compensates for the geometrical offset in the alignment of the module, and correlates the hits between the two sensor layers. Data are stored in a memory buffer before being transferred to an additional buffer stage and being serially read-out upon receipt of a Level 1 trigger. The CBC2 has been subject to extensive testing since its production in January 2013: this work reports the results of electrical characterization, of the total ionizing dose irradiation tests, and the performance of a prototype module instrumented with CBC2 in realistic conditions in a beam test. The latter is the first experimental demonstration of the Pt-selection principle central to the future of CMS. Several total-ionizing-dose tests highlighted no functional issue, but observed significant excess static current for doses <1 Mrad. The source of the excess was traced to static leakage current in the memory pipeline, and is believed to be a consequence of the high instantaneous dose delivered by the x-ray setup. Nevertheless, a new SRAM layout aimed at removing the leakage path was proposed for the CBC3. The results of single event upset testing of the chip are also reported, two of the three distinct memory circuits used in the chip were proven to meet the expected robustness, while the third will be replaced in the next iteration of the chip. Finally, the next version of the ASIC is presented, highlighting the additional features of the final prototype, such as half-strip resolution, additional trigger logic functionality, longer trigger latency and higher rate, and fully synchronous stub readout.Open Acces

Monitor amb control strategies to reduce the impact of process variations in digital circuits

As CMOS technology scales down, Process, Voltage, Temperature and Ageing (PVTA) variations have an increasing impact on the performance and power consumption of electronic devices. These issues may hold back the continuous improvement of these devices in the near future. There are several ways to face the variability problem: to increase the operating margins of maximum clock frequency, the implementation of lithographic friendly layout styles, and the last one and the focus of this thesis, to adapt the circuit to its actual manufacturing and environment conditions by tuning some of the adjustable parameters once the circuit has been manufactured. The main challenge of this thesis is to develop a low-area variability compensation mechanism to automatically mitigate PVTA variations in run-time, i.e. while integrated circuit is running. This implies the development of a sensor to obtain the most accurate picture of variability, and the implementation of a control block to knob some of the electrical parameters of the circuit.A mesura que la tecnologia CMOS escala, les variacions de Procés, Voltatge, Temperatura i Envelliment (PVTA) tenen un impacte creixent en el rendiment i el consum de potència dels dispositius electrònics. Aquesta problemàtica podria arribar a frenar la millora contínua d'aquests dispositius en un futur proper. Hi ha diverses maneres d'afrontar el problema de la variabilitat: relaxar el marge de la freqüència màxima d'operació, implementar dissenys físics de xips més fàcils de litografiar, i per últim i com a tema principal d'aquesta tesi, adaptar el xip a les condicions de fabricació i d'entorn mitjançant la modificació d'algun dels seus paràmetres ajustables una vegada el circuit ja ha estat fabricat. El principal repte d'aquesta tesi és desenvolupar un mecanisme de compensació de variabilitat per tal de mitigar les variacions PVTA de manera automàtica en temps d'execució, és a dir, mentre el xip està funcionant. Això implica el desenvolupament d'un sensor capaç de mesurar la variabilitat de la manera més acurada possible, i la implementació d'un bloc de control que permeti l'ajust d'alguns dels paràmetres elèctrics dels circuits

Radiation Tolerant Electronics, Volume II

Research on radiation tolerant electronics has increased rapidly over the last few years, resulting in many interesting approaches to model radiation effects and design radiation hardened integrated circuits and embedded systems. This research is strongly driven by the growing need for radiation hardened electronics for space applications, high-energy physics experiments such as those on the large hadron collider at CERN, and many terrestrial nuclear applications, including nuclear energy and safety management. With the progressive scaling of integrated circuit technologies and the growing complexity of electronic systems, their ionizing radiation susceptibility has raised many exciting challenges, which are expected to drive research in the coming decade.After the success of the first Special Issue on Radiation Tolerant Electronics, the current Special Issue features thirteen articles highlighting recent breakthroughs in radiation tolerant integrated circuit design, fault tolerance in FPGAs, radiation effects in semiconductor materials and advanced IC technologies and modelling of radiation effects

The development of sub-25 nm III-V High Electron Mobility Transistors

High Electron Mobility Transistors (HEMTs) are crucially important devices in microwave circuit applications. As the technology has matured, new applications have arisen, particularly at millimetre-wave and sub-millimetre wave frequencies. There now exists great demand for low-visibility, security and medical imaging in addition to telecommunications applications operating at frequencies well above 100 GHz. These new applications have driven demand for high frequency, low noise device operation; key areas in which HEMTs excel. As a consequence, there is growing incentive to explore the ultimate performance available from such devices. As with all FETs, the key to HEMT performance optimisation is the reduction of gate length, whilst optimally scaling the rest of the device and minimising parasitic extrinsic influences on device performance. Although HEMTs have been under development for many years, key performance metrics have latterly slowed in their evolution, largely due to the difficulty of fabricating devices at increasingly nanometric gate lengths and maintaining satisfactory scaling and device performance. At Glasgow, the world-leading 50 nm HEMT process developed in 2003 had not since been improved in the intervening five years. This work describes the fabrication of sub-25 nm HEMTs in a robust and repeatable manner by the use of advanced processing techniques: in particular, electron beam lithography and reactive ion etching. This thesis describes firstly the development of robust gate lithography for sub-25 nm patterning, and its incorporation into a complete device process flow. Secondly, processes and techniques for the optimisation of the complete device are described. This work has led to the successful fabrication of functional 22 nm HEMTs and the development of 10 nm scale gate pattern transfer: simultaneously some of the shortest gate length devices reported and amongst the smallest scale structures ever lithographically defined on III-V substrates. The first successful fabrication of implant-isolated planar high-indium HEMTs is also reported amongst other novel secondary processes