133 research outputs found

    The planar anodic Al2O3-ZrO2 nanocomposite capacitor dielectrics for advanced passive device integration

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    The need for integrated passive devices (IPDs) emerges from the increasing consumer demand for electronic product miniaturization. Metal-insulator-metal (MIM) capacitors are vital components of IPD systems. Developing new materials and technologies is essential for advancing capacitor characteristics and co-integrating with other electronic passives. Here we present an innovative electrochemical technology joined with the sputter-deposition of Al and Zr layers to synthesize novel planar nanocomposite metal-oxide dielectrics consisting of ZrO2 nanorods self-embedded into the nanoporous Al2O3 matrix such that its pores are entirely filled with zirconium oxide. The technology is utilized in MIM capacitors characterized by modern surface and interface analysis techniques and electrical measurements. In the 95-480 nm thickness range, the best-achieved MIM device characteristics are the one-layer capacitance density of 112 nF center dot cm(-2), the loss tangent of 4 center dot 10(-3) at frequencies up to 1 MHz, the leakage current density of 40 pA center dot cm(-2), the breakdown field strength of up to 10 MV center dot cm(-1), the energy density of 100 J center dot cm(-3), the quadratic voltage coefficient of capacitance of 4 ppm center dot V-2, and the temperature coefficient of capacitance of 480 ppm center dot K-1 at 293-423 K at 1 MHz. The outstanding performance, stability, and tunable capacitors' characteristics allow for their application in low-pass filters, coupling/decoupling/bypass circuits, RC oscillators, energy-storage devices, ultrafast charge/discharge units, or high-precision analog-to-digital converters. The capacitor technology based on the non-porous planar anodic-oxide dielectrics complements the electrochemical conception of IPDs that combined, until now, the anodized aluminum interconnection, microresistors, and microinductors, all co-related in one system for use in portable electronic devices

    Medical devices with embedded electronics: design and development methodology for start-ups

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    358 p.El sector de la biotecnología demanda innovación constante para hacer frente a los retos del sector sanitario. Hechos como la reciente pandemia COVID-19, el envejecimiento de la población, el aumento de las tasas de dependencia o la necesidad de promover la asistencia sanitaria personalizada tanto en entorno hospitalario como domiciliario, ponen de manifiesto la necesidad de desarrollar dispositivos médicos de monitorización y diagnostico cada vez más sofisticados, fiables y conectados de forma rápida y eficaz. En este escenario, los sistemas embebidos se han convertido en tecnología clave para el diseño de soluciones innovadoras de bajo coste y de forma rápida. Conscientes de la oportunidad que existe en el sector, cada vez son más las denominadas "biotech start-ups" las que se embarcan en el negocio de los dispositivos médicos. Pese a tener grandes ideas y soluciones técnicas, muchas terminan fracasando por desconocimiento del sector sanitario y de los requisitos regulatorios que se deben cumplir. La gran cantidad de requisitos técnicos y regulatorios hace que sea necesario disponer de una metodología procedimental para ejecutar dichos desarrollos. Por ello, esta tesis define y valida una metodología para el diseño y desarrollo de dispositivos médicos embebidos

    Co-designing reliability and performance for datacenter memory

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    Memory is one of the key components that affects reliability and performance of datacenter servers. Memory in today’s servers is organized and shared in several ways to provide the most performant and efficient access to data. For example, cache hierarchy in multi-core chips to reduce access latency, non-uniform memory access (NUMA) in multi-socket servers to improve scalability, disaggregation to increase memory capacity. In all these organizations, hardware coherence protocols are used to maintain memory consistency of this shared memory and implicitly move data to the requesting cores. This thesis aims to provide fault-tolerance against newer models of failure in the organization of memory in datacenter servers. While designing for improved reliability, this thesis explores solutions that can also enhance performance of applications. The solutions build over modern coherence protocols to achieve these properties. First, we observe that DRAM memory system failure rates have increased, demanding stronger forms of memory reliability. To combat this, the thesis proposes Dvé, a hardware driven replication mechanism where data blocks are replicated across two different memory controllers in a cache-coherent NUMA system. Data blocks are accompanied by a code with strong error detection capabilities so that when an error is detected, correction is performed using the replica. Dvé’s organization offers two independent points of access to data which enables: (a) strong error correction that can recover from a range of faults affecting any of the components in the memory and (b) higher performance by providing another nearer point of memory access. Dvé’s coherent replication keeps the replicas in sync for reliability and also provides coherent access to read replicas during fault-free operation for improved performance. Dvé can flexibly provide these benefits on-demand at runtime. Next, we observe that the coherence protocol itself requires to be hardened against failures. Memory in datacenter servers is being disaggregated from the compute servers into dedicated memory servers, driven by standards like CXL. CXL specifies the coherence protocol semantics for compute servers to access and cache data from a shared region in the disaggregated memory. However, the CXL specification lacks the requisite level of fault-tolerance necessary to operate at an inter-server scale within the datacenter. Compute servers can fail or be unresponsive in the datacenter and therefore, it is important that the coherence protocol remain available in the presence of such failures. The thesis proposes Āpta, a CXL-based, shared disaggregated memory system for keeping the cached data consistent without compromising availability in the face of compute server failures. Āpta architects a high-performance fault-tolerant object-granular memory server that significantly improves performance for stateless function-as-a-service (FaaS) datacenter applications

    Study of Radiation Tolerant Storage Cells for Digital Systems

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    Single event upsets (SEUs) are a significant reliability issue in semiconductor devices. Fully Depleted Silicon-on-Insulator (FDSOI) technologies have been shown to exhibit better SEU performance compared to bulk technologies. This is attributed to the thin Silicon (Si) layer on top of a Buried Oxide (BOX) layer, which allows each transistor to function as an insulated Si island, thus reducing the threat of charge-sharing. Moreover, the small volume of the Si in FDSOI devices results in a reduction of the amount of charge induced by an ion strike. The effects of Total Ionizing Dose (TID) on integrated circuits (ICs) can lead to changes in gate propagation delays, leakage currents, and device functionality. When IC circuits are exposed to ionizing radiation, positive charges accumulate in the gate oxide and field oxide layers, which results in reduced gate control and increased leakage current. TID effects in bulk technologies are usually simpler due to the presence of only one gate oxide layer, but FDSOI technologies have a more complex response to TID effects because of the additional BOX layer. In this research, we aim to address the challenges of developing cost-effective electronics for space applications by bridging the gap between expensive space-qualified components and high-performance commercial technologies. Key research questions involve exploring various radiation-hardening-by-design (RHBD) techniques and their trade-offs, as well as investigating the feasibility of radiation-hardened microcontrollers. The effectiveness of RHBD techniques in mitigating soft errors is well-established. In our study, a test chip was designed using the 22-nm FDSOI process, incorporating multiple RHBD Flip-Flop (FF) chains alongside a conventional FF chain. Three distinct types of ring oscillators (ROs) and a 256 kbit SRAM was also fabricated in the test chip. To evaluate the SEU and TID performance of these designs, we conducted multiple irradiation experiments with alpha particles, heavy ions, and gamma-rays. Alpha particle irradiation tests were carried out at the University of Saskatchewan using an Americium-241 alpha source. Heavy ion experiments were performed at the Texas A&M University Cyclotron Institute, utilizing Ne, Ar, Cu, and Ag in a 15 MeV/amu cocktail. Lastly, TID experiments were conducted using a Gammacell 220 Co-60 chamber at the University of Saskatchewan. By evaluating the performance of these designs under various irradiation conditions, we strive to advance the development of cost-effective, high-performance electronics suitable for space applications, ultimately demonstrating the significance of this project. When exposed to heavy ions, radiation-hardened FFs demonstrated varying levels of improvement in SEU performance, albeit with added power and timing penalties compared to conventional designs. Stacked-transistor DFF designs showed significant enhancement, while charge-cancelling and interleaving techniques further reduced upsets. Guard-gate (GG) based FF designs provided additional SEU protection, with the DFR-FF and GG-DICE FF designs showing zero upsets under all test conditions. Schmitt-trigger-based DFF designs exhibited improved SEU performance, making them attractive choices for hardening applications. The 22-nm FDSOI process proved more resilient to TID effects than the 28-nm process; however, TID effects remained prominent, with increased leakage current and SRAM block degradation at high doses. These findings offer valuable insights for designers aiming to meet performance and SER specifications for circuits in radiation environments, emphasizing the need for additional attention during the design phase for complex radiation-hardened circuits

    Degradation Models and Optimizations for CMOS Circuits

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    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

    Understanding Quantum Technologies 2022

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    Understanding Quantum Technologies 2022 is a creative-commons ebook that provides a unique 360 degrees overview of quantum technologies from science and technology to geopolitical and societal issues. It covers quantum physics history, quantum physics 101, gate-based quantum computing, quantum computing engineering (including quantum error corrections and quantum computing energetics), quantum computing hardware (all qubit types, including quantum annealing and quantum simulation paradigms, history, science, research, implementation and vendors), quantum enabling technologies (cryogenics, control electronics, photonics, components fabs, raw materials), quantum computing algorithms, software development tools and use cases, unconventional computing (potential alternatives to quantum and classical computing), quantum telecommunications and cryptography, quantum sensing, quantum technologies around the world, quantum technologies societal impact and even quantum fake sciences. The main audience are computer science engineers, developers and IT specialists as well as quantum scientists and students who want to acquire a global view of how quantum technologies work, and particularly quantum computing. This version is an extensive update to the 2021 edition published in October 2021.Comment: 1132 pages, 920 figures, Letter forma

    Applications in Electronics Pervading Industry, Environment and Society

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    This book features the manuscripts accepted for the Special Issue “Applications in Electronics Pervading Industry, Environment and Society—Sensing Systems and Pervasive Intelligence” of the MDPI journal Sensors. Most of the papers come from a selection of the best papers of the 2019 edition of the “Applications in Electronics Pervading Industry, Environment and Society” (APPLEPIES) Conference, which was held in November 2019. All these papers have been significantly enhanced with novel experimental results. The papers give an overview of the trends in research and development activities concerning the pervasive application of electronics in industry, the environment, and society. The focus of these papers is on cyber physical systems (CPS), with research proposals for new sensor acquisition and ADC (analog to digital converter) methods, high-speed communication systems, cybersecurity, big data management, and data processing including emerging machine learning techniques. Physical implementation aspects are discussed as well as the trade-off found between functional performance and hardware/system costs

    High-Density Solid-State Memory Devices and Technologies

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    This Special Issue aims to examine high-density solid-state memory devices and technologies from various standpoints in an attempt to foster their continuous success in the future. Considering that broadening of the range of applications will likely offer different types of solid-state memories their chance in the spotlight, the Special Issue is not focused on a specific storage solution but rather embraces all the most relevant solid-state memory devices and technologies currently on stage. Even the subjects dealt with in this Special Issue are widespread, ranging from process and design issues/innovations to the experimental and theoretical analysis of the operation and from the performance and reliability of memory devices and arrays to the exploitation of solid-state memories to pursue new computing paradigms

    Miniaturized Transistors, Volume II

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    In this book, we aim to address the ever-advancing progress in microelectronic device scaling. Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) devices continue to endure miniaturization, irrespective of the seeming physical limitations, helped by advancing fabrication techniques. We observe that miniaturization does not always refer to the latest technology node for digital transistors. Rather, by applying novel materials and device geometries, a significant reduction in the size of microelectronic devices for a broad set of applications can be achieved. The achievements made in the scaling of devices for applications beyond digital logic (e.g., high power, optoelectronics, and sensors) are taking the forefront in microelectronic miniaturization. Furthermore, all these achievements are assisted by improvements in the simulation and modeling of the involved materials and device structures. In particular, process and device technology computer-aided design (TCAD) has become indispensable in the design cycle of novel devices and technologies. It is our sincere hope that the results provided in this Special Issue prove useful to scientists and engineers who find themselves at the forefront of this rapidly evolving and broadening field. Now, more than ever, it is essential to look for solutions to find the next disrupting technologies which will allow for transistor miniaturization well beyond silicon’s physical limits and the current state-of-the-art. This requires a broad attack, including studies of novel and innovative designs as well as emerging materials which are becoming more application-specific than ever before

    Pyroelectric and electrocaloric effects in hafnium oxide thin films

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    The material class of hafnium oxide-based ferroelectrics adds an unexpected and huge momentum to the long-known phenomenon of pyroelectricity. In this thesis, a comprehensive study of pyroelectric and electrocaloric properties of this novel ferroelectric material class is conducted. hafnium oxide is a lead-free, non-toxic transition metal oxide, and abundant in the manufacturing of semiconductor devices. The compatibility to existing fabrication processes spawns the possibility of on-chip infrared sensing, energy harvesting, and refrigeration solutions, for which this dissertation aims to lay a foundation. A screening of the material system with respect to several dopants reveals an enhanced pyroelectric response at the morphotropic phase boundary between the polar orthorhombic and the non-polar tetragonal phase. Further, a strong pyroelectric effect is observed when applying an electric field to antiferroelectric-like films, which is attributed to a field-induced transition between the tetragonal and orthorhombic phases. Primary and secondary pyroelectric effects are separated using high-frequency temperature cycles, where the effect of frequency-dependent substrate clamping is exploited. The piezoelectric response is determined by comparing primary and secondary pyroelectric coefficients, which reproduces the expected wake-up behavior in hafnium oxide films. Further, the potential of hafnium oxide for thermal-electric energy conversion is explored. The electrocaloric temperature change of only 20 nm thick films is observed directly by using a specialized test structure. By comparing the magnitude of the effect to the pyroelectric response, it is concluded that defect charges have an important impact on the electrocaloric effect in hafnium oxide-based ferroelectrics. Energy harvesting with a conformal hafnium oxide film on a porous, nano-patterned substrate is performed, which enhances the power output. Further, the integration of a pyroelectric energy harvesting device in a microchip for waste heat recovery and more energy-efficient electronic devices is demonstrated. High dielectric breakdown fields of up to 4 MV/cm in combination with a sizable pyroelectric response and a comparably low dielectric permittivity illustrate the prospect of hafnium oxide-based devices for future energy conversion applications
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