3,202 research outputs found
Recommended from our members
Probabilistic design for emerging memory and nanometer-scale logic
As semiconductor technology has scaled down, the impact of stochastic behavior in very large scale integrated circuits (VLSI) has become an ever-more important concern. This dissertation investigates two distinct classes of problems that require the use of probabilistic methods and models: (1) Modeling and exploiting stochastic behavior in advanced memory technologies; (2) Probabilistic modeling of faults due to on-chip voltage variation.
This dissertation first investigates the unique physics-level stochasticity of spin-transfer torque magnetic RAM (STT-RAM). The write process of STT-RAM is stochastic: specifically, the write time of a bitcell varies significantly. The wors-tcase approach, which uses the longest write pulse duration, guarantees a successful write; however, it introduces significant energy overhead due to excessive margins since the average write pulse duration is far shorter than the worst-case pulse duration. This dissertation develops novel circuit techniques to exploit the stochastic properties of STT-RAM write operation for energy savings by moving away from the worst-case approach to dynamic strategies while maintaining the required low error rate. The first contribution is a variable energy write (VEW) architecture that effectively exploits the wide distribution of write time to greatly reduce energy via a mechanism that checks the instantaneous state of the bitcell and deactivates the write current once the correct value has registered. The second contribution is a multiple attempt write (MAW) strategy that utilizes the asymptotic temporal stochastic independence of repeated switching events to achieve a dramatic reduction in energy. The proposed architectures are evaluated using a compact STT-RAM cell model. Analysis indicates that VEW succeeded in reducing the write energy by 94.7% with approximately 1% relative area overhead under an efficient design methodology compared with the conventional designs relying on the worst case approach. MAW reduced the overall write energy by 94.6% with approximately 0.05% relative area overhead.
This dissertation then addresses the problem of probabilistic modeling of faults due to on-chip voltage variations. The power supply voltage variation can increase gate delay, resulting in timing faults on near-critical paths. These low-level faults ultimately propagate to architecture and application levels, often leading to critical system failures. Developing an accurate fault model and injection tool that generates and propagates faults from circuit- to gate-level is important for accurately predicting the resulting system failures. This is challenging since the model needs to accurately capture the physical characteristics at the circuit level that define the likelihood of a fault and use that information to guide the injection with the proper probability. At the same time, the analysis and fault injections need to be computationally manageable to allow analysis of realistic systems under realistic workloads. The conventional fault models rely on either Monte Carlo sampling or time-consuming runtime simulation using the worst-case voltage drop. To overcome simulation overheads of runtime circuit-level simulation, a novel two-phase approach is proposed. The main idea is that circuit characterization can be done before simulation. The result of pre-characterization is used at runtime via a form of look-up to enable gate-level efficiency. The two-phase methodology is time-efficient but may require high memory unless the look-up tables are carefully optimized. This dissertation also develops the fault probability estimation based on workload-specific voltage distribution, rather than a fixed worst-case voltage. The proposed methodology is implemented on an OpenSPARC design targeting on a 32nm technology node. Analysis indicates the proposed fault modeling and injection flow reduces runtime overhead by 24X compared to the previously best-known gate-level fault simulator while having circuit level accuracy.Electrical and Computer Engineerin
Modeling the impact of process variations in worst-case energy consumption estimation
The advent of autonomous power-limited systems poses a new challenge for system verification. Powerful processors needed to enable autonomous operation, are typically power-hungry, jeopardizing battery duration. Therefore, guaranteeing a given battery duration requires worst-case energy consumption (WCEC) estimation for tasks running on those systems. Unfortunately, processor energy and power can suffer significant variation across different units due to process variation (PV), i.e. variability in the electrical properties of transistors and wires due to imperfect manufacturing, which challenges existing WCEC estimation methods for applications. In this paper, we propose a statistical modeling approach to capture PV impact on applications energy and a methodology to compute their WCEC capturing PV, as required to deploy portable critical devices.This work has been partially supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO) under grant TIN2015-65316-P and the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreement No. 772773). MINECO partially supported Jaume Abella under Ramon y Cajal fellowship RYC-2013-14717.Peer ReviewedPostprint (author's final draft
Modeling Power Consumption and Temperature in TLM Models
International audienceMany techniques and tools exist to estimate the power consumption and the temperature map of a chip. These tools help the hardware designers develop power efficient chips in the presence of temperature constraints. For this task, the application can be ignored or at least abstracted by some high level scenarios; at this stage, the actual embedded software is generally not available yet. However, after the hardware is defined, the embedded software can still have a significant influence on the power consumption; i.e., two implementations of the same application can consume more or less power. Moreover, the actual software powe
Dependable Embedded Systems
This Open Access book introduces readers to many new techniques for enhancing and optimizing reliability in embedded systems, which have emerged particularly within the last five years. This book introduces the most prominent reliability concerns from today’s points of view and roughly recapitulates the progress in the community so far. Unlike other books that focus on a single abstraction level such circuit level or system level alone, the focus of this book is to deal with the different reliability challenges across different levels starting from the physical level all the way to the system level (cross-layer approaches). The book aims at demonstrating how new hardware/software co-design solution can be proposed to ef-fectively mitigate reliability degradation such as transistor aging, processor variation, temperature effects, soft errors, etc. Provides readers with latest insights into novel, cross-layer methods and models with respect to dependability of embedded systems; Describes cross-layer approaches that can leverage reliability through techniques that are pro-actively designed with respect to techniques at other layers; Explains run-time adaptation and concepts/means of self-organization, in order to achieve error resiliency in complex, future many core systems
ControlPULP: A RISC-V On-Chip Parallel Power Controller for Many-Core HPC Processors with FPGA-Based Hardware-In-The-Loop Power and Thermal Emulation
High-Performance Computing (HPC) processors are nowadays integrated
Cyber-Physical Systems demanding complex and high-bandwidth closed-loop power
and thermal control strategies. To efficiently satisfy real-time multi-input
multi-output (MIMO) optimal power requirements, high-end processors integrate
an on-die power controller system (PCS).
While traditional PCSs are based on a simple microcontroller (MCU)-class
core, more scalable and flexible PCS architectures are required to support
advanced MIMO control algorithms for managing the ever-increasing number of
cores, power states, and process, voltage, and temperature variability.
This paper presents ControlPULP, an open-source, HW/SW RISC-V parallel PCS
platform consisting of a single-core MCU with fast interrupt handling coupled
with a scalable multi-core programmable cluster accelerator and a specialized
DMA engine for the parallel acceleration of real-time power management
policies. ControlPULP relies on FreeRTOS to schedule a reactive power control
firmware (PCF) application layer.
We demonstrate ControlPULP in a power management use-case targeting a
next-generation 72-core HPC processor. We first show that the multi-core
cluster accelerates the PCF, achieving 4.9x speedup compared to single-core
execution, enabling more advanced power management algorithms within the
control hyper-period at a shallow area overhead, about 0.1% the area of a
modern HPC CPU die. We then assess the PCS and PCF by designing an FPGA-based,
closed-loop emulation framework that leverages the heterogeneous SoCs paradigm,
achieving DVFS tracking with a mean deviation within 3% the plant's thermal
design power (TDP) against a software-equivalent model-in-the-loop approach.
Finally, we show that the proposed PCF compares favorably with an
industry-grade control algorithm under computational-intensive workloads.Comment: 33 pages, 11 figure
GPU devices for safety-critical systems: a survey
Graphics Processing Unit (GPU) devices and their associated software programming languages and frameworks can deliver the computing performance required to facilitate the development of next-generation high-performance safety-critical systems such as autonomous driving systems. However, the integration of complex, parallel, and computationally demanding software functions with different safety-criticality levels on GPU devices with shared hardware resources contributes to several safety certification challenges. This survey categorizes and provides an overview of research contributions that address GPU devices’ random hardware failures, systematic failures, and independence of execution.This work has been partially supported by the European Research Council with Horizon 2020 (grant agreements No. 772773 and 871465), the Spanish Ministry of Science and Innovation under grant PID2019-107255GB, the HiPEAC Network of Excellence and the Basque Government under grant KK-2019-00035. The Spanish Ministry of Economy and Competitiveness has also partially supported Leonidas Kosmidis with a Juan de la Cierva Incorporación postdoctoral fellowship (FJCI-2020- 045931-I).Peer ReviewedPostprint (author's final draft
A dynamic probabilistic safety margin characterization approach in support of Integrated Deterministic and Probabilistic Safety Analysis
The challenge of Risk-Informed Safety Margin Characterization (RISMC) is to develop a methodology for estimating system safety margins in the presence of stochastic and epistemic uncertainties affecting the system dynamic behavior. This is useful to support decision-making for licensing purposes. In the present work, safety margin uncertainties are handled by Order Statistics (OS) (with both Bracketing and Coverage approaches) to jointly estimate percentiles of the distributions of the safety parameter and of the time required for it to reach these percentiles values during its dynamic evolution. The novelty of the proposed approach consists in the integration of dynamic aspects (i.e., timing of events) into the definition of a dynamic safety margin for a probabilistic Quantification of Margin and Uncertainties (QMU). The system here considered for demonstration purposes is the Lead-Bismuth Eutectic- eXperimental Accelerator Driven System (LBE-XADS)
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
Reconfigurable writing architecture for reliable RRAM operation in wide temperature ranges
Resistive switching memories [resistive RAM (RRAM)] are an attractive alternative to nonvolatile storage and nonconventional computing systems, but their behavior strongly depends on the cell features, driver circuit, and working conditions. In particular, the circuit temperature and writing voltage schemes become critical issues, determining resistive switching memories performance. These dependencies usually force a design time tradeoff among reliability, device endurance, and power consumption, thereby imposing nonflexible functioning schemes and limiting the system performance. In this paper, we present a writing architecture that ensures the correct operation no matter the working temperature and allows the dynamic load of application-oriented writing profiles. Thus, taking advantage of more efficient configurations, the system can be dynamically adapted to overcome RRAM intrinsic challenges. Several profiles are analyzed regarding power consumption, temperature-variations protection, and operation speed, showing speedups near 700x compared with other published drivers
- …