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

Soft-Error Resilience Framework For Reliable and Energy-Efficient CMOS Logic and Spintronic Memory Architectures

The revolution in chip manufacturing processes spanning five decades has proliferated high performance and energy-efficient nano-electronic devices across all aspects of daily life. In recent years, CMOS technology scaling has realized billions of transistors within large-scale VLSI chips to elevate performance. However, these advancements have also continually augmented the impact of Single-Event Transient (SET) and Single-Event Upset (SEU) occurrences which precipitate a range of Soft-Error (SE) dependability issues. Consequently, soft-error mitigation techniques have become essential to improve systems\u27 reliability. Herein, first, we proposed optimized soft-error resilience designs to improve robustness of sub-micron computing systems. The proposed approaches were developed to deliver energy-efficiency and tolerate double/multiple errors simultaneously while incurring acceptable speed performance degradation compared to the prior work. Secondly, the impact of Process Variation (PV) at the Near-Threshold Voltage (NTV) region on redundancy-based SE-mitigation approaches for High-Performance Computing (HPC) systems was investigated to highlight the approach that can realize favorable attributes, such as reduced critical datapath delay variation and low speed degradation. Finally, recently, spin-based devices have been widely used to design Non-Volatile (NV) elements such as NV latches and flip-flops, which can be leveraged in normally-off computing architectures for Internet-of-Things (IoT) and energy-harvesting-powered applications. Thus, in the last portion of this dissertation, we design and evaluate for soft-error resilience NV-latching circuits that can achieve intriguing features, such as low energy consumption, high computing performance, and superior soft errors tolerance, i.e., concurrently able to tolerate Multiple Node Upset (MNU), to potentially become a mainstream solution for the aerospace and avionic nanoelectronics. Together, these objectives cooperate to increase energy-efficiency and soft errors mitigation resiliency of larger-scale emerging NV latching circuits within iso-energy constraints. In summary, addressing these reliability concerns is paramount to successful deployment of future reliable and energy-efficient CMOS logic and spintronic memory architectures with deeply-scaled devices operating at low-voltages

INVESTIGATING THE EFFECTS OF SINGLE-EVENT UPSETS IN STATIC AND DYNAMIC REGISTERS

Radiation-induced single-event upsets (SEUs) pose a serious threat to the reliability of registers. The existing SEU analyses for static CMOS registers focus on the circuit-level impact and may underestimate the pertinent SEU information provided through node analysis. This thesis proposes SEU node analysis to evaluate the sensitivity of static registers and apply the obtained node information to improve the robustness of the register through selective node hardening (SNH) technique. Unlike previous hardening techniques such as the Triple Modular Redundancy (TMR) and the Dual Interlocked Cell (DICE) latch, the SNH method does not introduce larger area overhead. Moreover, this thesis also explores the impact of SEUs in dynamic flip-flops, which are appealing for the design of high-performance microprocessors. Previous work either uses the approaches for static flip-flops to evaluate SEU effects in dynamic flip-flops or overlook the SEU injected during the precharge phase. In this thesis, possible SEU sensitive nodes in dynamic flip-flops are re-examined and their window of vulnerability (WOV) is extended. Simulation results for SEU analysis in non-hardened dynamic flip-flops reveal that the last 55.3 % of the precharge time and a 100% evaluation time are affected by SEUs

IC design for reliability

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

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

Dynamic Partial Reconfiguration for Dependable Systems

Moore’s law has served as goal and motivation for consumer electronics manufacturers in the last decades. The results in terms of processing power increase in the consumer electronics devices have been mainly achieved due to cost reduction and technology shrinking. However, reducing physical geometries mainly affects the electronic devices’ dependability, making them more sensitive to soft-errors like Single Event Transient (SET) of Single Event Upset (SEU) and hard (permanent) faults, e.g. due to aging effects. Accordingly, safety critical systems often rely on the adoption of old technology nodes, even if they introduce longer design time w.r.t. consumer electronics. In fact, functional safety requirements are increasingly pushing industry in developing innovative methodologies to design high-dependable systems with the required diagnostic coverage. On the other hand commercial off-the-shelf (COTS) devices adoption began to be considered for safety-related systems due to real-time requirements, the need for the implementation of computationally hungry algorithms and lower design costs. In this field FPGA market share is constantly increased, thanks to their flexibility and low non-recurrent engineering costs, making them suitable for a set of safety critical applications with low production volumes. The works presented in this thesis tries to face new dependability issues in modern reconfigurable systems, exploiting their special features to take proper counteractions with low impacton performances, namely Dynamic Partial Reconfiguration

A COMPARATIVE STUDY OF RELIABILITY FOR FINFET

The continuous downscaling of CMOS technologies over the last few decades resulted in higher Integrated Circuit (IC) density and performance. The emergence of FinFET technology has brought with it the same reliability issues as standard CMOS with the addition of a new prominent degradation mechanism. The same mechanisms still exist as for previous CMOS devices, including Bias Temperature Instability (BTI), Hot Carrier Degradation (HCD), Electro-migration (EM), and Body Effects. A new and equally important reliability issue for FinFET is the Self -heating, which is a crucial complication since thermal time-constant is generally much longer than the transistor switching times. FinFET technology is the newest technological paradigm that has emerged in the past decade, as downscaling reached beyond 20 nm, which happens also to be the estimated mean free path of electrons at room temperature in silicon. As such, the reliability physics of FinFET was modified in order to fit the newly developed transistor technology. This paper highlights the roles and impacts of these various effects and aging mechanisms on FinFET transistors compared to planar transistors on the basic approach of the physics of failure mechanisms to fit to a comprehensive aging model

Product assurance technology for custom LSI/VLSI electronics

The technology for obtaining custom integrated circuits from CMOS-bulk silicon foundries using a universal set of layout rules is presented. The technical efforts were guided by the requirement to develop a 3 micron CMOS test chip for the Combined Release and Radiation Effects Satellite (CRRES). This chip contains both analog and digital circuits. The development employed all the elements required to obtain custom circuits from silicon foundries, including circuit design, foundry interfacing, circuit test, and circuit qualification

Metodologia determinística para simulação elétrica do impacto de BTI em circuitos MOS

Aborda-se, nesse trabalho, o fenômeno de envelhecimento de transistores MOS por bias temperature instability (BTI), relevante fator de degradação da confiabilidade e de redução do tempo de vida de circuitos integrados CMOS. Uma nova modelagem matemática determinística para BTI é introduzida, proporcionando, rapidamente, informação acerca do desvio na tensão de limiar de um transistor em decorrência da ação de BTI. O modelo é, então, implementado em uma ferramenta comercial SPICE, com o intuito de se verificarem, através de simulações transientes, os efeitos de BTI em circuitos CMOS; nesse sentido, a abordagem determinística representa um enorme avanço em relação à modelagem estocástica tradicional, que, muitas vezes, não pode ser aplicada em simulações transientes de circuitos complexos, devido ao seu vultoso custo computacional. O fenômeno de alargamento de pulso induzido pela propagação (PIPB) de single event transients (SETs), verificado experimentalmente na literatura, é estudado e tido como resultado da ação de BTI nas bordas de subida e descida do pulso transiente. À vista disso, simula-se a propagação de um pulso SET injetado na entrada de uma cadeia de 10000 inversores lógicos de tecnologia PTM bulk 90nm, verificando a dependência do alargamento de pulso com a tensão de alimentação, com o tempo de estresse DC anterior à aplicação do pulso e com a frequência do sinal de entrada. O aumento do atraso de portas lógicas em decorrência da ação de bias temperature instability é abordado, também, através da simulação da aplicação de um pulso nas entradas de uma porta NAND, medindo-se a variação do tempo de atraso de propagação devido à inserção da modelagem matemática para BTI. Utiliza-se novamente o modelo de transistores PTM bulk 90nm, e apuram-se os efeitos da variação da tensão de alimentação e do tempo de estresse DC no tempo de atraso de propagação. Por fim, as disparidades na variação do atraso para as bordas de subida e descida de pulsos lógicos de nível alto-baixo-alto (“101”) e baixo-alto-baixo (“010”) são verificadas, sendo explicadas em termos do diferente impacto de BTI para os períodos de estresse e de relaxação e, também, para transistores PMOS e NMOS.This work addresses the aging of MOS transistors by bias temperature instability (BTI), which is a key factor to the degradation of the reliability and of the lifetime of CMOS integrated circuits. A novel deterministic mathematical model is presented, providing fast information about the impact of BTI in the transistors threshold voltage shifts. The model is implemented in a commercial SPICE tool, in order to verify the effects of BTI in CMOS circuits through transient simulations; in this sense, the deterministic approach represents a great advance compared to the traditional stochastic modelling, that may result in prohibitively long transient simulations for complex circuits, due to its huge computation cost. The phenomenon of propagation induced pulse broadening (PIPB) of single event transients (SETs), verified experimentally in the literature, is studied and understood as the result of the BTI effect on the rising and falling edges of the transient pulse. Therefore, the propagation of a SET injected in the input of a 10,000-inverters chain is simulated, using the PTM bulk 90nm technology model, verifying the dependence of the pulse broadening on the supply voltage, on the DC stress time previous to the application of the pulse and on the input signal frequency. The increase of the propagation delay of logic gates due the action of bias temperature instability is also studied through the simulation of the injection of a pulse in the inputs of a NAND gate, and the variation of the propagation delay time due to the BTI effect is evaluated. The PTM bulk 90nm model is used once again, and the outcome of variations on the supply voltage and on the DC stress time on the propagation delay is measured. Finally, the disparities on the delay variation for the rising and falling edges of high-low-high (“101”) and low-high-low (“010”) input logic pulses are verified, and they are explained as the result of the different impact of BTI for the stress and recovery periods and also for PMOS and NMOS transistors