Placement for fast and reliable through-silicon-via (TSV) based 3D-IC layouts

The objective of this research is to explore the feasibility of addressing the major performance and reliability problems or issues, such as wirelength, stress-induced carrier mobility variation, temperature, and quality trade-offs, found in three-dimensional integrated circuits (3D ICs) that use through-silicon vias (TSVs) at placement stage. Four main works that support this goal are included. In the first work, wirelength of TSV-based 3D ICs is the main focus. In the second work, stress-induced carrier mobility variation in TSV-based 3D ICs is examined. In the third work, temperature inside TSV-based 3D ICs is investigated. In the final work, the quality trade-offs of TSV-based 3D-IC designs are explored. In the first work, a force-directed, 3D, and gate-level placement algorithm that efficiently handles TSVs is developed. The experiments based on synthesized benchmarks indicate that the developed algorithm helps generate GDSII layouts of 3D-IC designs that are optimized in terms of wirelength. In addition, the impact of TSVs on other physical aspects of 3D-IC designs is also studied by analyzing the GDSII layouts. In the second work, the model for carrier mobility variation caused by TSV and STI stresses is developed as well as the timing analysis flow considering the stresses. The impact of TSV and STI stresses on carrier mobility variation and performance of 3D ICs is studied. Furthermore, a TSV-stress-driven, force-directed, and 3D placement algorithm is developed. It exploits carrier mobility variation, caused by stress around TSVs after fabrication, to improve the timing and area objectives during placement. In addition, the impact of keep-out zone (KOZ) around TSVs on stress, carrier mobility variation, area, wirelength, and performance of 3D ICs is studied. In the third work, two temperature-aware global placement algorithms are developed. They exploit die-to-die thermal coupling in 3D ICs to improve temperature during placement. In addition, a framework used to evaluate the results from temperature-aware global placements is developed. The main component of the framework is a GDSII-level thermal analysis that considers all structures inside a TSV-based 3D IC while computing temperature. The developed placers are compared with several state-of-the-art placers published in recent literature. The experimental results indicate that the developed algorithms help improve the temperature of 3D ICs effectively. In the final work, three block-level design styles for TSV-based die-to-wafer bonded 3D ICs are discussed. Several 3D-IC layouts in the three styles are manually designed. The main difference among these layouts is the position of TSVs. Finally, the area, wirelength, timing, power, temperature, and mechanical stress of all layouts are compared to explore the trade-offs of layout quality.PhDCommittee Chair: Lim, Sung Kyu; Committee Member: Bakir, Muhannad; Committee Member: Kim, Hyesoon; Committee Member: Mukhopadhyay, Saibal; Committee Member: Swaminathan, Madhava

Methodology for analysis of TSV stress induced transistor variation and circuit performance

As continued scaling becomes increasingly difficult, 3D integration with through silicon vias (TSVs) has emerged as a viable solution to achieve higher bandwidth and power efficiency. Mechanical stress induced by thermal mismatch between TSVs and the silicon bulk arising during wafer fabrication and 3D integration, is a key constraint. In this work, we propose a complete flow to characterize the influence of TSV stress on transistor and circuit performance. First, we analyze the thermal stress contour near the silicon surface with single and multiple TSVs through both finite element analysis (FEA) and linear superposition methods. Then, the biaxial stress is converted to mobility and threshold voltage variations depending on transistor type and geometric relation between TSVs and transistors. Next, we propose an efficient algorithm to calculate circuit variation corresponding to TSV stress based on a grid partition approach. Finally, we discuss a TSV pattern optimization strategy, and employ a series of 17-stage ring oscillators using 40 nm CMOS technology as a test case for the proposed approach

Electro-Thermal Codesign in Liquid Cooled 3D ICs: Pushing the Power-Performance Limits

The performance improvement of today's computer systems is usually accompanied by increased chip power consumption and system temperature. Modern CPUs dissipate an average of 70-100W power while spatial and temporal power variations result in hotspots with even higher power density (up to 300W/cm^2). The coming years will continue to witness a significant increase in CPU power dissipation due to advanced multi-core architectures and 3D integration technologies. Nowadays the problems of increased chip power density, leakage power and system temperatures have become major obstacles for further improvement in chip performance. The conventional air cooling based heat sink has been proved to be insufficient for three dimensional integrated circuits (3D-ICs). Hence better cooling solutions are necessary. Micro-fluidic cooling, which integrates micro-channel heat sinks into silicon substrates of the chip and uses liquid flow to remove heat inside the chip, is an effective active cooling scheme for 3D-ICs. While the micro-fluidic cooling provides excellent cooling to 3D-ICs, the associated overhead (cooling power consumed by the pump to inject the coolant through micro-channels) is significant. Moreover, the 3D-IC structure also imposes constraints on micro-channel locations (basically resource conflict with through-silicon-vias TSVs or other structures). In this work, we investigate optimized micro-channel configurations that address the aforementioned considerations. We develop three micro-channel structures (hotspot optimized cooling configuration, bended micro-channel and hybrid cooling network) that can provide sufficient cooling to 3D-IC with minimum cooling power overhead, while at the same time, compatible with the existing electrical structure such as TSVs. These configurations can achieve up to 70% cooling power savings compared with the configuration without any optimization. Based on these configurations, we then develop a micro-fluidic cooling based dynamic thermal management approach that maintains the chip temperature through controlling the fluid flow rate (pressure drop) through micro-channels. These cooling configurations are designed after the electrical parts, and therefore, compatible with the current standard IC design flow. Furthermore, the electrical, thermal, cooling and mechanical aspects of 3D-IC are interdependent. Hence the conventional design flow that designs the cooling configuration after electrical aspect is finished will result in inefficiencies. In order to overcome this problem, we then investigate electrical-thermal co-design methodology for 3D-ICs. Two co-design problems are explored: TSV assignment and micro-channel placement co-design, and gate sizing and fluidic cooling co-design. The experimental results show that the co-design enables a fundamental power-performance improvement over the conventional design flow which separates the electrical and cooling design. For example, the gate sizing and fluidic cooling co-design achieves 12% power savings under the same circuit timing constraint and 16% circuit speedup under the same power budget

Heurísticas bioinspiradas para el problema de Floorplanning 3D térmico de dispositivos MPSoCs

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, Departamento de Arquitectura de Computadores y Automática, leída el 20-06-2013Depto. de Arquitectura de Computadores y AutomáticaFac. de InformáticaTRUEunpu

Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων