Efficient Estimation of Reliability Metrics for Circuits in Deca-Nanometer Nodes

51 σ.Καθώς η τεχνολογία οδηγεί στη κατασκευή τρανζίστορ ολοένα και μικρότερων διαστάσεων, έχουν εμφανιστεί αρκετά φαινόμενα που επηρεάζουν την αξιοπιστία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Ένα από αυτά τα φαινόμενα ονομάζεται "Bias Temperature Instability", αποτελεί σημαντικό κίνδυνο για την αξιοπιστία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και έχει παρατηρηθεί εδώ και πάνω από 30 χρόνια. Το πρώτο μοντέλο που προσπάθησε να εξηγήσει αυτό το φαινόμενο εμφανίστηκε πριν από 30 περίπου χρόνια, βασίστηκε στη διάχυση υδρογόνου και ως εκ τούτου ονομάστηκε "Reaction-Diffusion model". Πριν από μερικά χρόνια δημιουργήθηκε ένα νέο ατομιστικό μοντέλο το οποίο βασίζεται κυρίως στην εμφάνιση ελαττωμάτων στο διηλεκτρικό μεταξύ της πύλης και του καναλιού των FET τρανζίστορ. Μελετώντας κανείς τη βιβλιογραφία που αφορά στο ατομιστικό αυτό μοντέλο, μπορεί να συναντήσει εργαλεία που προσομοιώνουν με ακρίβεια το μοντέλο αλλά δυστυχώς απαιτούν αρκετό χρόνο για να εκτελεστούν, κάτι το οποίο τα καθιστά απαγορευτικά για εκτενή χρήση. Παράλληλα, υπάρχουν εργαλεία βασισμένα στο μοντέλο της διάχυσης τα οποία βέβαια αδυνατούν να παράξουν σωστά και λεπτομερή αποτελέσματα, κυρίως σε τεχνολογίες μικρών διαστάσεων. Η παρούσα λοιπόν διπλωματική εργασία παρουσιάζει τα αποτελέσματα ενός νέου και καινοτόμου εργαλείου το οποίο βασίζεται στο ατομιστικό μοντέλο, ωστόσο προσομοιώνει αποδοτικά αλλά και με ακρίβεια το φαινόμενο της γήρανσης. Ένα αντιπροσωπευτικό μονοπάτι στατικής μνήμης (SRAM) θα χρησιμοποιηθεί ως παράδειγμα της λειτουργίας του μοντέλου ενώ παράλληλα θα υπολογισθούν, με βάση τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων αυτών, μετρικές, σημαντικές για το χαρακτηρισμό της απόδοσης και αξιοπιστίας του κυκλώματος, ενώ παράλληλα θα μελετηθούν λεπτομερώς και οι σχέσεις που τις συνδέουν.In modern technologies of integrated circuits (IC) and with the downscaling of device dimensions, various degradation modes constitute major reliability concerns. Bias Temperature Instability (BTI) is a representative example, posing as a significant reliability threat in Field-Effect Transistor (FET) technologies and has been known for more than 30 years. At first, the model that tried to explain this phenomenon was based on the Reaction-Diffusion (RD) theory and was developed nearly 30 years ago. Recently, an atomistic model has been proposed, that enables the modeling of BTI in modern technologies. By observing the amount of software designed to simulate the BTI degradation, tools can be found that are based on the atomistic theory but are computationally prohibitive when it comes to simulating complex circuits consisting of a large number of devices. Tools based on the RD model are unable to accurately capture the BTI-induced degradation, especially in devices with small dimensions. The current thesis is appropriately positioned since it discusses a novel simulation framework that is efficient yet highly accurate. A subset of an embedded Static Random Access Memory (SRAM) is used for verification purposes. The estimation of the functional yield of the circuit over three years of operation will be examined as well as other reliability metrics, such as defects per million (DPM), mean time to failure (MTTF) and failures in time (FIT rate). Finally, the interplay between these metrics is discussed and efficient computation methods are proposed for each one.Μιχαήλ Α. Νόλτση

Degradation Models and Optimizations for CMOS Circuits

Die Gewährleistung der Zuverlässigkeit von CMOS-Schaltungen ist derzeit eines der größten Herausforderungen beim Chip- und Schaltungsentwurf. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung erhöht jede neue Generation der Halbleitertechnologie die elektrischen Felder innerhalb der Transistoren. Dieses stärkere elektrische Feld stimuliert die Degradationsphänomene (Alterung der Transistoren, Selbsterhitzung, Rauschen, usw.), was zu einer immer stärkeren Degradation (Verschlechterung) der Transistoren führt. Daher erleiden die Transistoren in jeder neuen Technologiegeneration immer stärkere Verschlechterungen ihrer elektrischen Parameter. Um die Funktionalität und Zuverlässigkeit der Schaltung zu wahren, wird es daher unerlässlich, die Auswirkungen der geschwächten Transistoren auf die Schaltung präzise zu bestimmen. Die beiden wichtigsten Auswirkungen der Verschlechterungen sind ein verlangsamtes Schalten, sowie eine erhöhte Leistungsaufnahme der Schaltung. Bleiben diese Auswirkungen unberücksichtigt, kann die verlangsamte Schaltgeschwindigkeit zu Timing-Verletzungen führen (d.h. die Schaltung kann die Berechnung nicht rechtzeitig vor Beginn der nächsten Operation abschließen) und die Funktionalität der Schaltung beeinträchtigen (fehlerhafte Ausgabe, verfälschte Daten, usw.). Um diesen Verschlechterungen der Transistorparameter im Laufe der Zeit Rechnung zu tragen, werden Sicherheitstoleranzen eingeführt. So wird beispielsweise die Taktperiode der Schaltung künstlich verlängert, um ein langsameres Schaltverhalten zu tolerieren und somit Fehler zu vermeiden. Dies geht jedoch auf Kosten der Performanz, da eine längere Taktperiode eine niedrigere Taktfrequenz bedeutet. Die Ermittlung der richtigen Sicherheitstoleranz ist entscheidend. Wird die Sicherheitstoleranz zu klein bestimmt, führt dies in der Schaltung zu Fehlern, eine zu große Toleranz führt zu unnötigen Performanzseinbußen. Derzeit verlässt sich die Industrie bei der Zuverlässigkeitsbestimmung auf den schlimmstmöglichen Fall (maximal gealterter Schaltkreis, maximale Betriebstemperatur bei minimaler Spannung, ungünstigste Fertigung, etc.). Diese Annahme des schlimmsten Falls garantiert, dass der Chip (oder integrierte Schaltung) unter allen auftretenden Betriebsbedingungen funktionsfähig bleibt. Darüber hinaus ermöglicht die Betrachtung des schlimmsten Falles viele Vereinfachungen. Zum Beispiel muss die eigentliche Betriebstemperatur nicht bestimmt werden, sondern es kann einfach die schlimmstmögliche (sehr hohe) Betriebstemperatur angenommen werden. Leider lässt sich diese etablierte Praxis der Berücksichtigung des schlimmsten Falls (experimentell oder simulationsbasiert) nicht mehr aufrechterhalten. Diese Berücksichtigung bedingt solch harsche Betriebsbedingungen (maximale Temperatur, etc.) und Anforderungen (z.B. 25 Jahre Betrieb), dass die Transistoren unter den immer stärkeren elektrischen Felder enorme Verschlechterungen erleiden. Denn durch die Kombination an hoher Temperatur, Spannung und den steigenden elektrischen Feldern bei jeder Generation, nehmen die Degradationphänomene stetig zu. Das bedeutet, dass die unter dem schlimmsten Fall bestimmte Sicherheitstoleranz enorm pessimistisch ist und somit deutlich zu hoch ausfällt. Dieses Maß an Pessimismus führt zu erheblichen Performanzseinbußen, die unnötig und demnach vermeidbar sind. Während beispielsweise militärische Schaltungen 25 Jahre lang unter harschen Bedingungen arbeiten müssen, wird Unterhaltungselektronik bei niedrigeren Temperaturen betrieben und muss ihre Funktionalität nur für die Dauer der zweijährigen Garantie aufrechterhalten. Für letzteres können die Sicherheitstoleranzen also deutlich kleiner ausfallen, um die Performanz deutlich zu erhöhen, die zuvor im Namen der Zuverlässigkeit aufgegeben wurde. Diese Arbeit zielt darauf ab, maßgeschneiderte Sicherheitstoleranzen für die einzelnen Anwendungsszenarien einer Schaltung bereitzustellen. Für fordernde Umgebungen wie Weltraumanwendungen (wo eine Reparatur unmöglich ist) ist weiterhin der schlimmstmögliche Fall relevant. In den meisten Anwendungen, herrschen weniger harsche Betriebssbedingungen (z.B. sorgen Kühlsysteme für niedrigere Temperaturen). Hier können Sicherheitstoleranzen maßgeschneidert und anwendungsspezifisch bestimmt werden, sodass Verschlechterungen exakt toleriert werden können und somit die Zuverlässigkeit zu minimalen Kosten (Performanz, etc.) gewahrt wird. Leider sind die derzeitigen Standardentwurfswerkzeuge für diese anwendungsspezifische Bestimmung der Sicherheitstoleranz nicht gut gerüstet. Diese Arbeit zielt darauf ab, Standardentwurfswerkzeuge in die Lage zu versetzen, diesen Bedarf an Zuverlässigkeitsbestimmungen für beliebige Schaltungen unter beliebigen Betriebsbedingungen zu erfüllen. Zu diesem Zweck stellen wir unsere Forschungsbeiträge als vier Schritte auf dem Weg zu anwendungsspezifischen Sicherheitstoleranzen vor: Schritt 1 verbessert die Modellierung der Degradationsphänomene (Transistor-Alterung, -Selbsterhitzung, -Rauschen, etc.). Das Ziel von Schritt 1 ist es, ein umfassendes, einheitliches Modell für die Degradationsphänomene zu erstellen. Durch die Verwendung von materialwissenschaftlichen Defektmodellierungen werden die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse der Degradationsphänomena modelliert, um ihre Wechselwirkungen zu berücksichtigen (z.B. Phänomen A kann Phänomen B beschleunigen) und ein einheitliches Modell für die simultane Modellierung verschiedener Phänomene zu erzeugen. Weiterhin werden die jüngst entdeckten Phänomene ebenfalls modelliert und berücksichtigt. In Summe, erlaubt dies eine genaue Degradationsmodellierung von Transistoren unter gleichzeitiger Berücksichtigung aller essenziellen Phänomene. Schritt 2 beschleunigt diese Degradationsmodelle von mehreren Minuten pro Transistor (Modelle der Physiker zielen auf Genauigkeit statt Performanz) auf wenige Millisekunden pro Transistor. Die Forschungsbeiträge dieser Dissertation beschleunigen die Modelle um ein Vielfaches, indem sie zuerst die Berechnungen so weit wie möglich vereinfachen (z.B. sind nur die Spitzenwerte der Degradation erforderlich und nicht alle Werte über einem zeitlichen Verlauf) und anschließend die Parallelität heutiger Computerhardware nutzen. Beide Ansätze erhöhen die Auswertungsgeschwindigkeit, ohne die Genauigkeit der Berechnung zu beeinflussen. In Schritt 3 werden diese beschleunigte Degradationsmodelle in die Standardwerkzeuge integriert. Die Standardwerkzeuge berücksichtigen derzeit nur die bestmöglichen, typischen und schlechtestmöglichen Standardzellen (digital) oder Transistoren (analog). Diese drei Typen von Zellen/Transistoren werden von der Foundry (Halbleiterhersteller) aufwendig experimentell bestimmt. Da nur diese drei Typen bestimmt werden, nehmen die Werkzeuge keine Zuverlässigkeitsbestimmung für eine spezifische Anwendung (Temperatur, Spannung, Aktivität) vor. Simulationen mit Degradationsmodellen ermöglichen eine Bestimmung für spezifische Anwendungen, jedoch muss diese Fähigkeit erst integriert werden. Diese Integration ist eines der Beiträge dieser Dissertation. Schritt 4 beschleunigt die Standardwerkzeuge. Digitale Schaltungsentwürfe, die nicht auf Standardzellen basieren, sowie komplexe analoge Schaltungen können derzeit nicht mit analogen Schaltungssimulatoren ausgewertet werden. Ihre Performanz reicht für solch umfangreiche Simulationen nicht aus. Diese Dissertation stellt Techniken vor, um diese Werkzeuge zu beschleunigen und somit diese umfangreichen Schaltungen simulieren zu können. Diese Forschungsbeiträge, die sich jeweils über mehrere Veröffentlichungen erstrecken, ermöglichen es Standardwerkzeugen, die Sicherheitstoleranz für kundenspezifische Anwendungsszenarien zu bestimmen. Für eine gegebene Schaltungslebensdauer, Temperatur, Spannung und Aktivität (Schaltverhalten durch Software-Applikationen) können die Auswirkungen der Transistordegradation ausgewertet werden und somit die erforderliche (weder unter- noch überschätzte) Sicherheitstoleranz bestimmt werden. Diese anwendungsspezifische Sicherheitstoleranz, garantiert die Zuverlässigkeit und Funktionalität der Schaltung für genau diese Anwendung bei minimalen Performanzeinbußen

Hardware / Software Architectural and Technological Exploration for Energy-Efficient and Reliable Biomedical Devices

Nowadays, the ubiquity of smart appliances in our everyday lives is increasingly strengthening the links between humans and machines. Beyond making our lives easier and more convenient, smart devices are now playing an important role in personalized healthcare delivery. This technological breakthrough is particularly relevant in a world where population aging and unhealthy habits have made non-communicable diseases the first leading cause of death worldwide according to international public health organizations. In this context, smart health monitoring systems termed Wireless Body Sensor Nodes (WBSNs), represent a paradigm shift in the healthcare landscape by greatly lowering the cost of long-term monitoring of chronic diseases, as well as improving patients' lifestyles. WBSNs are able to autonomously acquire biological signals and embed on-node Digital Signal Processing (DSP) capabilities to deliver clinically-accurate health diagnoses in real-time, even outside of a hospital environment. Energy efficiency and reliability are fundamental requirements for WBSNs, since they must operate for extended periods of time, while relying on compact batteries. These constraints, in turn, impose carefully designed hardware and software architectures for hosting the execution of complex biomedical applications. In this thesis, I develop and explore novel solutions at the architectural and technological level of the integrated circuit design domain, to enhance the energy efficiency and reliability of current WBSNs. Firstly, following a top-down approach driven by the characteristics of biomedical algorithms, I perform an architectural exploration of a heterogeneous and reconfigurable computing platform devoted to bio-signal analysis. By interfacing a shared Coarse-Grained Reconfigurable Array (CGRA) accelerator, this domain-specific platform can achieve higher performance and energy savings, beyond the capabilities offered by a baseline multi-processor system. More precisely, I propose three CGRA architectures, each contributing differently to the maximization of the application parallelization. The proposed Single, Multi and Interleaved-Datapath CGRA designs allow the developed platform to achieve substantial energy savings of up to 37%, when executing complex biomedical applications, with respect to a multi-core-only platform. Secondly, I investigate how the modeling of technology reliability issues in logic and memory components can be exploited to adequately adjust the frequency and supply voltage of a circuit, with the aim of optimizing its computing performance and energy efficiency. To this end, I propose a novel framework for workload-dependent Bias Temperature Instability (BTI) impact analysis on biomedical application results quality. Remarkably, the framework is able to determine the range of safe circuit operating frequencies without introducing worst-case guard bands. Experiments highlight the possibility to safely raise the frequency up to 101% above the maximum obtained with the classical static timing analysis. Finally, through the study of several well-known biomedical algorithms, I propose an approach allowing energy savings by dynamically and unequally protecting an under-powered data memory in a new way compared to regular error protection schemes. This solution relies on the Dynamic eRror compEnsation And Masking (DREAM) technique that reduces by approximately 21% the energy consumed by traditional error correction codes