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

Impact of Bias Temperature Instability on Soft Error Susceptibility

In this paper, we address the issue of analyzing the effects of aging mechanisms on ICs' soft error (SE) susceptibility. In particular, we consider bias temperature instability (BTI), namely negative BTI in pMOS transistors and positive BTI in nMOS transistors that are recognized as the most critical aging mechanisms reducing the reliability of ICs. We show that BTI reduces significantly the critical charge of nodes of combinational circuits during their in-field operation, thus increasing the SE susceptibility of the whole IC. We then propose a time dependent model for SE susceptibility evaluation, enabling the use of adaptive SE hardening approaches, based on the ICs lifetime

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

A Survey of Fault-Injection Methodologies for Soft Error Rate Modeling in Systems-on-Chips

The development of process technology has increased system performance, but the system failure probability has also significantly increased. It is important to consider the system reliability in addition to the cost, performance, and power consumption. In this paper, we describe the types of faults that occur in a system and where these faults originate. Then, fault-injection techniques, which are used to characterize the fault rate of a system-on-chip (SoC), are investigated to provide a guideline to SoC designers for the realization of resilient SoCs

A novel deep submicron bulk planar sizing strategy for low energy subthreshold standard cell libraries

Engineering andPhysical Science ResearchCouncil (EPSRC) and Arm Ltd for providing funding in the form of grants and studentshipsThis work investigates bulk planar deep submicron semiconductor physics in an attempt to improve standard cell libraries aimed at operation in the subthreshold regime and in Ultra Wide Dynamic Voltage Scaling schemes. The current state of research in the field is examined, with particular emphasis on how subthreshold physical effects degrade robustness, variability and performance. How prevalent these physical effects are in a commercial 65nm library is then investigated by extensive modeling of a BSIM4.5 compact model. Three distinct sizing strategies emerge, cells of each strategy are laid out and post-layout parasitically extracted models simulated to determine the advantages/disadvantages of each. Full custom ring oscillators are designed and manufactured. Measured results reveal a close correlation with the simulated results, with frequency improvements of up to 2.75X/2.43X obs erved for RVT/LVT devices respectively. The experiment provides the first silicon evidence of the improvement capability of the Inverse Narrow Width Effect over a wide supply voltage range, as well as a mechanism of additional temperature stability in the subthreshold regime. A novel sizing strategy is proposed and pursued to determine whether it is able to produce a superior complex circuit design using a commercial digital synthesis flow. Two 128 bit AES cores are synthesized from the novel sizing strategy and compared against a third AES core synthesized from a state-of-the-art subthreshold standard cell library used by ARM. Results show improvements in energy-per-cycle of up to 27.3% and frequency improvements of up to 10.25X. The novel subthreshold sizing strategy proves superior over a temperature range of 0 °C to 85 °C with a nominal (20 °C) improvement in energy-per-cycle of 24% and frequency improvement of 8.65X. A comparison to prior art is then performed. Valid cases are presented where the proposed sizing strategy would be a candidate to produce superior subthreshold circuits

PRITEXT: Processor Reliability Improvement Through Exercise Technique

With continuous improvements in CMOS technology, transistor sizes are shrinking aggressively every year. Unfortunately, such deep submicron process technologies are severely degraded by several wearout mechanisms which lead to prolonged operational stress and failure. Negative Bias Temperature Instability (NBTI) is a prominent failure mechanism which degrades the reliability of current semiconductor devices. Improving reliability of processors is necessary for ensuring long operational lifetime which obviates the necessity of mitigating the physical wearout mechanisms. NBTI severely degrades the performance of PMOS transistors in a circuit, when negatively biased, by increasing the threshold voltage leading to critical timing failures over operational lifetime. A lack of activity among the PMOS transistors for long duration leads to a steady increase in threshold voltage Vth. Interestingly, NBTI stress can be recovered by removing the negative bias using appropriate input vectors. Exercising the dormant critical components in the Processor has been proved to reduce the NBTI stress. We use a novel methodology to generate a minimal set of deterministic input vectors which we show to be effective in reducing the NBTI wearout in a superscalar processor core. We then propose and evaluate a new technique PRITEXT, which uses these input vectors in exercise mode to effectively reduce the NBTI stress and improve the operational lifetime of superscalar processors. PRITEXT, which uses Input Vector Control, leads to a 4.5x lifetime improvement of superscalar processor on average with a maximum lifetime improvement of 12.7x

Efficient Evaluation of Probability and Reliability with Digital Integrated Circuits

As complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) devices shrink to nanoscale, digital integrated circuits (ICs) are more susceptible to various environmental parameters, such as temperature, supply voltage, wiring, noise, and fabrication process variations. This would reduce the circuit operation reliability (i.e., the probability that a circuit or component is performing its intended logic function). Signal probability (the probability that a digital signal is producing logic 1) is another factor that measures circuit’s dynamic behavior and power dissipation. Research shows that signal probability and reliability within ICs may interact with each other in a complicated way. Generally speaking, as signal probability changes due to input probability variations, so does the signal reliability, and vice versa. This motivates simultaneous evaluation of both for digital ICs towards their performance improvement. However, this evaluation could be a challenge especially for large-scale circuits, due to signal correlations caused by reconvergent fanouts within circuits. Out of two existing evaluation methods, i.e., numerical and analytical methods, the former can give high accuracy level at the cost of expensive computation, while the latter does exactly the opposite. This thesis provides a hybrid solution by taking advantage of both numerical and analytical methods to achieve fast and accurate evaluation for signal probability and reliability for ICs (including both combinational and sequential circuits). First, we develop a categorization-based analytical model for combinational circuits to deal with a variety of signal correlations. For strongly correlated or independent cases, analytical solutions are applied for accurate results. For cases with moderate correlation strength, we use local bitstream simulations for fast estimation. Our simulation results show that the proposed method is hundreds of times faster than Monte-Carlo (MC) simulation, while keeping almost same level of accuracy. We then extend the above method to sequential circuits (with finite-state-machine model) for probability and reliability evaluation. Since sequential circuits can be viewed as an unfolded network of combinational logic, our focus is on how both probability and reliability converge to a final stable state over a certain number of cycles/iterations. To improve the efficiency of this convergence process, we propose a two-step-convergence (TSC) model instead of using traditional step-size based convergence. Simulation results show that the proposed method speeds up the process by around 30% on average compared to traditional method while maintaining a high level of accuracy. Finally, we study the impact of device aging on circuit reliability. After years of operation, CMOS (especially PMOS) devices would experience an increase in their threshold voltage, a phenomenon called Negative Bias Temperature Instability (NBTI). This aging effect leads to the increased gate delay with late arrival time of signals, making circuits temporally unreliable. Threshold voltage changes may also negatively affect the probability that transistors perform intended logical operations, causing them spatially more unreliable. Our investigation focuses on evaluation of the overall reliability at circuit-level by considering both spatial (solely considering the correctness of signal logic values) and temporal (considering the signal arrival time to catch up sampling action) aspects of it. This would help circuit designers predict the circuit lifetime. Simulations on benchmark circuits show that the reliability degradation rate due to aging effect ranges from 1.5% to 8.2% over one-year period, depending on specific circuits

Metodologia de monitorização do envelhecimento para aplicações de auto-teste embutido

Dissertação de mestrado, Engenharia Eléctrica e Electrónica, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2013The high integration level achieved as well as complexity and performance enhancements in new nanometer technologies make IC (Integrated Circuits) products very difficult to test. Moreover, long term operation brings aging cumulative degradations, due to new processes and materials that lead to emerging defect phenomena and the consequence are products with increased variability in their behaviour, more susceptible to delay-faults and with a reduced expected lifecycle. The main objectives of this thesis are twofold, as explained in the following. First, a new software tool is presented to generate HDL (Hardware Description Language) for BIST (Built-In Self-Test) structures, aiming delay-faults, and inserted the new auto-test functionality in generic sequential CMOS circuits. The BIST methodology used implements a scan based BIST approach, using a new BIST controller to implement the Launch-On-Shift (LOS) and Launch-On-Capture (LOC) delay-fault techniques. Second, it will be shown that multi-VDD tests in circuits with BIST infra-structures can be used to detect gross delay-faults during on-field operations, and consequently can be used as an aging sensor methodology during circuits’ lifecycle. The discrete set of multi-VDD BIST sessions generates a Voltage Signature Collection (VSC) and the presence of a delay-fault (or a physical defect) modifies the VSC collection, allowing the aging sensor capability. The proposed Design for Testability (DFT) method and tool are demonstrated with extensive SPICE simulation using three ITC’99 benchmark circuits.O elevado nível de integração atingida, complexidade, assim como performances melhoradas em novas tecnologias nanométricas tornam os produtos em circuitos integrados tecnológicos muito difíceis de testar. Para além disso, a operação a longo prazo produz degradações cumulativas pelo envelhecimento dos circuitos, devido a novos processos e materiais que conduzem a novos defeitos e a consequência são produtos com maior variabilidade no seu funcionamento, mais susceptíveis às faltas de atraso e com um tempo de vida menor. Os principais objectivos desta tese são dois, como explicado em seguida. Primeiro, é apresentada uma nova ferramenta de software para gerar estruturas de auto-teste integrado (BIST, Built-In Self-Test) descritas em linguagens de descrição de hardware (HDL, Hardware Description Language), com o objectivo de detectar faltas de atraso, e inserir a nova funcionalidade de auto-teste em circuitos genéricos sequenciais CMOS. A metodologia de BIST utilizada implementa um procedimento baseado em caminhos de deslocamento, utilizando um novo controlador de BIST para implementar técnicas de faltas de atraso, como Launch-On-Shift (LOS) e Launch-On-Capture (LOC). Segundo, irá ser mostrado que testes multi-VDD em circuitos com infra-estruturas de BIST podem ser usados para detectar faltas de atraso grosseiras durante a operação no terreno e, consequentemente, pode ser usado como uma metodologia de sensor de envelhecimento durante o tempo de vida dos circuitos. Um número discreto de sessões BIST multi-VDD geram uma Colecção de Assinaturas de Tensão (Voltage Signature Collection, VSC) e a presença de uma falta de atraso (ou um defeito físico) faz modificar a colecção VSC, comportando-se como sensor de envelhecimento. O trabalho foi iniciado com o estudo do estado da arte nesta área. Assim, foram estudadas e apresentadas no capítulo 2 as principais técnicas de DfT (Design for Testability) disponíveis e utilizadas pela indústria, nomeadamente, as técnicas de SP (Scan Path), de BIST e as técnicas de scan para delay-faults, LOS e LOC. No capítulo 3, ainda referente ao estudo sobre o estado da arte, é apresentado o estudo sobre os fenómenos que provocam o envelhecimento dos circuitos digitais, nomeadamente o NBTI (Negative Bias Temperature Instability), que é considerado o factor mais relevante no envelhecimento de circuitos integrados (especialmente em nanotecnologias). Em seguida, iniciou-se o desenvolvimento do primeiro objectivo. Relativamente a este assunto, começou-se por definir qual o comportamento das estruturas de BIST e como se iriam interligar. O comportamento foi descrito, bloco a bloco, em VHDL comportamental, ao nível RTL (Register Transfer Level). Esta descrição foi então validada por simulação, utilizando a ferramenta ModelSim. Posteriormente, esta descrição comportamental foi sintetizada através da ferramenta Synopsys, com a colaboração do INESC-ID em Lisboa (instituição parceira nestes trabalhos de investigação), e foi obtida uma netlist ao nível de porta lógica, que foi guardada utilizando a linguagem de descrição de hardware Verilog. Assim, obtiveram-se dois tipos de descrição dos circuitos BIST: uma comportamental, em VHDL, e outra estrutural, em Verilog (esta descrição estrutural em Verilog irá permitir, posteriormente, fazer a simulação e análise de envelhecimento). A nova estrutura de BIST obtida é baseada no modelo clássico de BIST, mas apresenta algumas alterações, nomeadamente ao nível da geração de vectores de teste e no controlo e aplicação desses vectores ao circuito. Estas modificações têm como objectivo aumentar a detecção de faltas e permitir o teste de faltas de atraso. É composto por três blocos denominados LFSRs (Linear Feedback Shift Registers), um utilizado para gerar os vectores pseudo-aleatórios para as entradas primárias do circuito, outro para gerar os vectores para a entrada do scan path, e o último utilizado como contador para controlar o número de bits introduzidos no scan path. Relativamente ao controlador, este foi especificamente desenhado para controlar um teste com estratégia de test-per-scan (ou seja, um teste baseado no caminho de varrimento existente no circuito) e tem uma codificação de estados que permite implementar as estratégias de teste de faltas de atraso, Launch-On-Shift (LOS) e Launch-On-Capture (LOC). Na secção de saída do novo modelo de BIST, o processo de compactação usa o mesmo princípio do modelo tradicional, utilizando neste caso um MISR (Multiple Input Signature Register). Ainda relativamente ao primeiro objectivo, seguiu-se o desenvolvimento da ferramenta BISTGen, para automatizar a geração das estruturas de BIST atrás mencionadas, nos dois tipos de descrição, e automaticamente inserir estas estruturas num circuito de teste (CUT, Circuit Under Test). A aplicação de software deve permitir o manuseamento de dois tipos de informação relativa ao circuito: descrição do circuito pelo seu comportamento, em VHDL, e descrição do circuito pela sua estrutura, em Verilog. Deve ter como saída a descrição de hardware supra citada, inserindo todos os blocos integrantes da estrutura num só ficheiro, contendo apenas um dos tipos de linguagem (Verilog ou VHDL), escolhida previamente pelo utilizador. No caso dos LFSRs e do MISR, o programa deve permitir ao utilizador a escolha de LFSRs do tipo linear ou do tipo modular (também conhecidos por fibonacci ou galois), e deve também possuir suporte para automaticamente seleccionar de uma base de dados quais as realimentações necessárias que conduzem à definição do polinómio primitivo para o LFSR. Será necessário ainda criar uma estrutura em base de dados para gerir os nomes e o número de entradas e saídas do circuito submetido a teste, a que chamamos CUT, de forma a simplificar o processo de renomeação que o utilizador poderá ter de efectuar. Dar a conhecer ao programa os nomes das entradas e saídas do CUT é de relevante importância, uma vez que a atribuição de nomes para as entradas e saídas pode vir em qualquer língua ou dialecto, não coincidindo com os nomes padrão normalmente atribuídos. Relativamente às duas linguagens que o programa recebe através do CUT na sua entrada, no caso VHDL após inserir BIST o ficheiro final terá sempre uma estrutura semelhante, qualquer que seja o ficheiro a ser tratado, variando apenas com o hardware apresentado pelo CUT. No entanto, para o caso Verilog a situação será diferente, uma vez que o programa tem de permitir que o ficheiro final gerado possa surgir de duas formas dependendo da escolha desejada. A primeira forma que o software deve permitir para o caso Verilog é gerar um ficheiro contendo módulos, de uma forma semelhante ao que acontece no caso VHDL. No entanto, deve permitir também a obtenção, caso o utilizador solicite, de um ficheiro unificado, sem sub-módulos nos blocos, para que o ficheiro final contenha apenas uma única estrutura, facilitando a sua simulação e análise de envelhecimento nas etapas seguintes. Relativamente ao segundo objectivo, com base no trabalho anterior já efectuado em metodologias para detectar faltas de delay em circuitos com BIST, foi definida uma metodologia de teste para, durante a vida útil dos circuitos, permitir avaliar como vão envelhecendo, tratando-se assim de uma metodologia de monitorização de envelhecimento para circuitos com BIST. Um aspecto fundamental para a realização deste segundo objectivo é podermos prever como o circuito vai envelhecer. Para realizar esta tarefa, sempre subjectiva, utilizou-se uma ferramenta desenvolvida no ISE-UAlg em outra tese de mestrado anterior a esta, a ferramenta AgingCalc. Esta ferramenta inicia-se com a definição, por parte do utilizador, das probabilidades de operação das entradas primárias do circuito (probabilidades de cada entrada estar a ‘0’ ou a ‘1’). De notar que este é o processo subjectivo existente na análise de envelhecimento, já que é impossível prever como um circuito irá ser utilizado. Com base nestas probabilidades de operação, o programa utiliza a estrutura do circuito para calcular, numa primeira instância, as probabilidades dos nós do circuito estarem a ‘0’ ou a ‘1’, e numa segunda instância as probabilidades de cada transístor PMOS estar ligado e com o seu canal em stress (com uma tensão negativa aplicada à tensão VGS e um campo eléctrico aplicado ao dieléctrico da porta). Utilizando fórmulas definidas na literatura para modelação do parâmetro Vth (tensão limiar de condução) do transístor de acordo com um envelhecimento produzido pelo efeito NBTI (Negative Bias Temperature Instability), o programa calcula, para cada ano ou tempo de envelhecimento a considerar, as variações ocorridas no Vth de cada transístor PMOS, com base nas probabilidades e condições de operação previamente definidas, obtendo um novo Vth para cada transístor (os valores prováveis para os transístores envelhecidos). Em seguida, o programa instancia o simulador HSPICE para simular as portas lógicas do circuito, utilizando uma descrição que contém os Vth calculados. Esta simulação permite calcular os atrasos em cada porta para cada ano de envelhecimento considerado, podendo em seguida calcular e obter a previsão para o envelhecimento de cada caminho combinatório do circuito. É de notar que, embora a previsão de envelhecimento seja subjectiva, pois depende de uma previsão de operação, é possível definir diferentes probabilidades de operação de forma a estabelecer limites prováveis para o envelhecimento de cada caminho. Tendo uma ferramenta que permite prever como o circuito irá envelhecer, é possível utilizá-la para modificar a estrutura do circuito e introduzir faltas de delay produzidas pelo envelhecimento por NBTI ao longo dos anos de operação (modelados pelo Vth dos transístores PMOS). Assim, no capítulo 5 irá ser mostrado que testes multi-VDD em circuitos com infra-estruturas de BIST podem ser usados para detectar faltas de atraso grosseiras durante a operação no terreno, podendo em alguns casos identificar variações provocadas pelo envelhecimento em caminhos curtos, e consequentemente, estes testes podem ser usados como uma metodologia de sensor de envelhecimento durante o tempo de vida dos circuitos. Um número discreto de sessões BIST multi-VDD geram uma Colecção de Assinaturas de Tensão (Voltage Signature Collection, VSC) e a presença de uma falta de atraso (ou um defeito físico) faz modificar a colecção VSC, comportando-se como sensor de envelhecimento. O objectivo será, especificando, fazer variar a tensão de alimentação, baixando o seu valor dentro de um determinado intervalo e submetendo o circuito a sucessivas sessões de BIST para cada valor de tensão, até que o circuito retorne uma assinatura diferente da esperada. Este procedimento de simulação será feito para uma maturidade de até 20 anos, podendo o incremento não ser unitário. Na realidade os circuitos nos primeiros anos de vida em termos estatísticos não sofrem envelhecimento a ponto de causar falhas por esse efeito. As falhas que podem acelerar o processo de envelhecimento estão relacionadas com defeitos significativos no processo de fabrico mas que ainda assim não são suficientes para no início do seu ciclo de vida fazer o circuito falhar, tornando-se efectivas após algum tempo de utilização. Os métodos e ferramentas propostos de DfT são demonstrados com extensas simulações VHDL e SPICE, utilizando circuitos de referência

Aging-Aware Routing Algorithms for Network-on-Chips

Network-on-Chip (NoC) architectures have emerged as a better replacement of the traditional bus-based communication in the many-core era. However, continuous technology scaling has made aging mechanisms, such as Negative Bias Temperature Instability (NBTI) and electromigration, primary concerns in NoC design. In this work, a novel system-level aging model is proposed to model the effects of aging in NoCs, caused due to (a) asymmetric communication patterns between the network nodes, and (b) runtime traffic variations due to routing policies. This work observes a critical need of a holistic aging analysis, which when combined with power-performance optimization, poses a multi-objective design challenge. To solve this problem, two different aging-aware routing algorithms are proposed: (a) congestion-oblivious Mixed Integer Linear Programming (MILP)-based routing algorithm, and (b) congestion-aware adaptive routing algorithm and router micro-architecture. After extensive experimental evaluations, proposed routing algorithms reduce aging-induced power-performance overheads while also improving the system robustness