Design and Optimization for Resilient Energy Efficient Computing

Heutzutage sind moderne elektronische Systeme ein integraler Bestandteil unseres Alltags. Dies wurde unter anderem durch das exponentielle Wachstum der Integrationsdichte von integrierten Schaltkreisen ermöglicht zusammen mit einer Verbesserung der Energieeffizienz, welche in den letzten 50 Jahren stattfand, auch bekannt als Moore‘s Gesetz. In diesem Zusammenhang ist die Nachfrage von energieeffizienten digitalen Schaltkreisen enorm angestiegen, besonders in Anwendungsfeldern wie dem Internet of Things (IoT). Da der Leistungsverbrauch von Schaltkreisen stark mit der Versorgungsspannung verknüpft ist, wurden effiziente Verfahren entwickelt, welche die Versorgungsspannung in den nahen Schwellenspannung-Bereich skalieren, zusammengefasst unter dem Begriff Near-Threshold-Computing (NTC). Mithilfe dieser Verfahren kann eine Erhöhung der Energieeffizienz von Schaltungen um eine ganze Größenordnung ermöglicht werden. Neben der verbesserten Energiebilanz ergeben sich jedoch zahlreiche Herausforderungen was den Schaltungsentwurf angeht. Zum Beispiel führt das Reduzieren der Versorgungsspannung in den nahen Schwellenspannungsbereich zu einer verzehnfachten Erhöhung der Sensibilität der Schaltkreise gegenüber Prozessvariation, Spannungsfluktuationen und Temperaturveränderungen. Die Einflüsse dieser Variationen reduzieren die Zuverlässigkeit von NTC Schaltkreisen und sind ihr größtes Hindernis bezüglich einer umfassenden Nutzung. Traditionelle Ansätze und Methoden aus dem nominalen Spannungsbereich zur Kompensation von Variabilität können nicht effizient angewandt werden, da die starken Performance-Variationen und Sensitivitäten im nahen Schwellenspannungsbereich dessen Kapazitäten übersteigen. Aus diesem Grund sind neue Entwurfsparadigmen und Entwurfsautomatisierungskonzepte für die Anwendung von NTC erforderlich. Das Ziel dieser Arbeit ist die zuvor erwähnten Probleme durch die Bereitstellung von ganzheitlichen Methoden zum Design von NTC Schaltkreisen sowie dessen Entwurfsautomatisierung anzugehen, welche insbesondere auf der Schaltungs- sowie Logik-Ebene angewandt werden. Dabei werden tiefgehende Analysen der Zuverlässigkeit von NTC Systemen miteinbezogen und Optimierungsmethoden werden vorgeschlagen welche die Zuverlässigkeit, Performance und Energieeffizienz verbessern. Die Beiträge dieser Arbeit sind wie folgt: Schaltungssynthese und Timing Closure unter Einbezug von Variationen: Das Einhalten von Anforderungen an das zeitliche Verhalten und Zuverlässigkeit von NTC ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Die Auswirkungen von Variabilität kommen bei starken Performance-Schwankungen, welche zu teuren zeitlichen Sicherheitsmargen führen, oder sich in Hold-Time Verstößen ausdrücken, verursacht durch funktionale Störungen, zum Vorschein. Die konventionellen Ansätze beschränken sich dabei alleine auf die Erhöhung von zeitlichen Sicherheitsmargen. Dies ist jedoch sehr ineffizient für NTC, wegen dem starken Ausmaß an Variationen und den erhöhten Leckströmen. In dieser Arbeit wird ein Konzept zur Synthese und Timing Closure von Schaltkreisen unter Variationen vorgestellt, welches sowohl die Sensitivität gegenüber Variationen reduziert als auch die Energieeffizienz, Performance und Zuverlässigkeit verbessert und zugleich den Mehraufwand von Timing Closures [1, 2] verringert. Simulationsergebnisse belegen, dass unser vorgeschlagener Ansatz die Verzögerungszeit um 87% reduziert und die Performance und Energieeffizienz um 25% beziehungsweise 7.4% verbessert, zu Kosten eines erhöhten Flächenbedarfs von 4.8%. Schichtübergreifende Zuverlässigkeits-, Energieeffizienz- und Performance-Optimierung von Datenpfaden: Schichtübergreifende Analyse von Prozessor-Datenpfaden, welche den ganzen Weg spannen vom Kompilierer zum Schaltungsentwurf, kann potenzielle Optimierungsansätze aufzeigen. Ein Datenpfad ist eine Kombination von mehreren funktionalen Einheiten, welche diverse Instruktionen verarbeiten können. Unsere Analyse zeigt, dass die Ausführungszeiten von Instruktionen bei niedrigen Versorgungsspannungen stark variieren, weshalb eine Klassifikation in schnelle und langsame Instruktionen vorgenommen werden kann. Des Weiteren können funktionale Instruktionen als häufig und selten genutzte Instruktionen kategorisiert werden. Diese Arbeit stellt eine Multi-Zyklen-Instruktionen-Methode vor, welche die Energieeffizienz und Belastbarkeit von funktionalen Einheiten erhöhen kann [3]. Zusätzlich stellen wir einen Partitionsalgorithmus vor, welcher ein fein-granulares Power-gating von selten genutzten Einheiten ermöglicht [4] durch Partition von einzelnen funktionalen Einheiten in mehrere kleinere Einheiten. Die vorgeschlagenen Methoden verbessern das zeitliche Schaltungsverhalten signifikant, und begrenzen zugleich die Leckströme beträchtlich, durch Einsatz einer Kombination von Schaltungs-Redesign- und Code-Replacement-Techniken. Simulationsresultate zeigen, dass die entwickelten Methoden die Performance und Energieeffizienz von arithmetisch-logischen Einheiten (ALU) um 19% beziehungsweise 43% verbessern. Des Weiteren kann der Zuwachs in Performance der optimierten Schaltungen in eine Verbesserung der Zuverlässigkeit umgewandelt werden [5, 6]. Post-Fabrication und Laufzeit-Tuning: Prozess- und Laufzeitvariationen haben einen starken Einfluss auf den Minimum Energy Point (MEP) von NTC-Schaltungen, welcher mit der energieeffizientesten Versorgungsspannung assoziiert ist. Es ist ein besonderes Anliegen, die NTC-Schaltung nach der Herstellung (post-fabrication) so zu kalibrieren, dass sich die Schaltung im MEP-Zustand befindet, um die beste Energieeffizient zu erreichen. In dieser Arbeit, werden Post-Fabrication und Laufzeit-Tuning vorgeschlagen, welche die Schaltung basierend auf Geschwindigkeits- und Leistungsverbrauch-Messungen nach der Herstellung auf den MEP kalibrieren. Die vorgestellten Techniken ermitteln den MEP per Chip-Basis um den Einfluss von Prozessvariationen mit einzubeziehen und dynamisch die Versorgungsspannung und Frequenz zu adaptieren um zeitabhängige Variationen wie Workload und Temperatur zu adressieren. Zu diesem Zweck wird in die Firmware eines Chips ein Regression-Modell integriert, welches den MEP basierend auf Workload- und Temperatur-Messungen zur Laufzeit extrahiert. Das Regressions-Modell ist für jeden Chip einzigartig und basiert lediglich auf Post-Fabrication-Messungen. Simulationsergebnisse zeigen das der entwickelte Ansatz eine sehr hohe prognostische Treffsicherheit und Energieeffizienz hat, ähnlich zu hardware-implementierten Methoden, jedoch ohne hardware-seitigen Mehraufwand [7, 8]. Selektierte Flip-Flop Optimierung: Ultra-Low-Voltage Schaltungen müssen im nominalen Versorgungsspannungs-Mode arbeiten um zeitliche Anforderungen von laufenden Anwendungen zu erfüllen. In diesem Fall ist die Schaltung von starken Alterungsprozessen betroffen, welche die Transistoren durch Erhöhung der Schwellenspannungen degradieren. Unsere tiefgehenden Analysen haben gezeigt das gewisse Flip-Flop-Architekturen von diesen Alterungserscheinungen beeinflusst werden indem fälschlicherweise konstante Werte ( \u270\u27 oder \u271\u27) für eine lange Zeit gespeichert sind. Im Vergleich zu anderen Komponenten sind Flip-Flops sensitiver zu Alterungsprozessen und versagen unter anderem dabei einen neuen Wert innerhalb des vorgegebenen zeitlichen Rahmens zu übernehmen. Außerdem kann auch ein geringfügiger Spannungsabfall zu diesen zeitlichen Verstößen führen, falls die betreffenden gealterten Flip-Flops zum kritischen Pfad zuzuordnen sind. In dieser Arbeit wird eine selektiver Flip-Flop-Optimierungsmethode vorgestellt, welche die Schaltungen bezüglich Robustheit gegen statische Alterung und Spannungsabfall optimieren. Dabei werden zuerst optimierte robuste Flip-Flops generiert und diese dann anschließend in die Standard-Zellen-Bibliotheken integriert. Flip-Flops, die in der Schaltung zum kritischen Pfad gehören und Alterung sowie Spannungsabfall erfahren, werden durch die optimierten robusten Versionen ersetzt, um das Zeitverhalten und die Zuverlässigkeit der Schaltung zu verbessern [9, 10]. Simulationsergebnisse zeigen, dass die erwartete Lebenszeit eines Prozessors um 37% verbessert werden kann, während Leckströme um nur 0.1% erhöht werden. Während NTC das Potenzial hat große Energieeffizienz zu ermöglichen, ist der Einsatz in neue Anwendungsfeldern wie IoT wegen den zuvor erwähnten Problemen bezüglich der hohen Sensitivität gegenüber Variationen und deshalb mangelnder Zuverlässigkeit, noch nicht durchsetzbar. In dieser Dissertation und in noch nicht publizierten Werken [11–17], stellen wir Lösungen zu diesen Problemen vor, die eine Integration von NTC in heutige Systeme ermöglichen

Resource Management Algorithms for Computing Hardware Design and Operations: From Circuits to Systems

The complexity of computation hardware has increased at an unprecedented rate for the last few decades. On the computer chip level, we have entered the era of multi/many-core processors made of billions of transistors. With transistor budget of this scale, many functions are integrated into a single chip. As such, chips today consist of many heterogeneous cores with intensive interaction among these cores. On the circuit level, with the end of Dennard scaling, continuously shrinking process technology has imposed a grand challenge on power density. The variation of circuit further exacerbated the problem by consuming a substantial time margin. On the system level, the rise of Warehouse Scale Computers and Data Centers have put resource management into new perspective. The ability of dynamically provision computation resource in these gigantic systems is crucial to their performance. In this thesis, three different resource management algorithms are discussed. The first algorithm assigns adaptivity resource to circuit blocks with a constraint on the overhead. The adaptivity improves resilience of the circuit to variation in a cost-effective way. The second algorithm manages the link bandwidth resource in application specific Networks-on-Chip. Quality-of-Service is guaranteed for time-critical traffic in the algorithm with an emphasis on power. The third algorithm manages the computation resource of the data center with precaution on the ill states of the system. Q-learning is employed to meet the dynamic nature of the system and Linear Temporal Logic is leveraged as a tool to describe temporal constraints. All three algorithms are evaluated by various experiments. The experimental results are compared to several previous work and show the advantage of our methods

Adaptive Integrated Circuit Design for Variation Resilience and Security

The past few decades witness the burgeoning development of integrated circuit in terms of process technology scaling. Along with the tremendous benefits coming from the scaling, challenges are also presented in various stages. During the design time, the complexity of developing a circuit with millions to billions of smaller size transistors is extended after the variations are taken into account. The difficulty of analyzing these nondeterministic properties makes the allocation scheme of redundant resource hardly work in a cost-efficient way. Besides fabrication variations, analog circuits are suffered from severe performance degradations owing to their physical attributes which are vulnerable to aging effects. As such, the post-silicon calibration approach gains increasing attentions to compensate the performance mismatch. For the user-end applications, additional system failures result from the pirated and counterfeited devices provided by the untrusted semiconductor supply chain. Again analog circuits show their weakness to this threat due to the shortage of piracy avoidance techniques. In this dissertation, we propose three adaptive integrated circuit designs to overcome these challenges respectively. The first one investigates the variability-aware gate implementation with the consideration of the overhead control of adaptivity assignment. This design improves the variation resilience typically for digital circuits while optimizing the power consumption and timing yield. The second design is implemented as a self-validation system for the calibration of diverse analog circuits. The system is completely integrated on chip to enhance the convenience without external assistance. In the last design, a classic analog component is further studied to establish the configurable locking mechanism for analog circuits. The use of Satisfiability Modulo Theories addresses the difficulty of searching the unique unlocking pattern of non-Boolean variables

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

Resource Management Algorithms for Computing Hardware Design and Operations: From Circuits to Systems

The complexity of computation hardware has increased at an unprecedented rate for the last few decades. On the computer chip level, we have entered the era of multi/many-core processors made of billions of transistors. With transistor budget of this scale, many functions are integrated into a single chip. As such, chips today consist of many heterogeneous cores with intensive interaction among these cores. On the circuit level, with the end of Dennard scaling, continuously shrinking process technology has imposed a grand challenge on power density. The variation of circuit further exacerbated the problem by consuming a substantial time margin. On the system level, the rise of Warehouse Scale Computers and Data Centers have put resource management into new perspective. The ability of dynamically provision computation resource in these gigantic systems is crucial to their performance. In this thesis, three different resource management algorithms are discussed. The first algorithm assigns adaptivity resource to circuit blocks with a constraint on the overhead. The adaptivity improves resilience of the circuit to variation in a cost-effective way. The second algorithm manages the link bandwidth resource in application specific Networks-on-Chip. Quality-of-Service is guaranteed for time-critical traffic in the algorithm with an emphasis on power. The third algorithm manages the computation resource of the data center with precaution on the ill states of the system. Q-learning is employed to meet the dynamic nature of the system and Linear Temporal Logic is leveraged as a tool to describe temporal constraints. All three algorithms are evaluated by various experiments. The experimental results are compared to several previous work and show the advantage of our methods

Asynchronous techniques for new generation variation-tolerant FPGA

PhD ThesisThis thesis presents a practical scenario for asynchronous logic implementation that would benefit the modern Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) technology in improving reliability. A method based on Asynchronously-Assisted Logic (AAL) blocks is proposed here in order to provide the right degree of variation tolerance, preserve as much of the traditional FPGAs structure as possible, and make use of asynchrony only when necessary or beneficial for functionality. The newly proposed AAL introduces extra underlying hard-blocks that support asynchronous interaction only when needed and at minimum overhead. This has the potential to avoid the obstacles to the progress of asynchronous designs, particularly in terms of area and power overheads. The proposed approach provides a solution that is complementary to existing variation tolerance techniques such as the late-binding technique, but improves the reliability of the system as well as reducing the design’s margin headroom when implemented on programmable logic devices (PLDs) or FPGAs. The proposed method suggests the deployment of configurable AAL blocks to reinforce only the variation-critical paths (VCPs) with the help of variation maps, rather than re-mapping and re-routing. The layout level results for this method's worst case increase in the CLB’s overall size only of 6.3%. The proposed strategy retains the structure of the global interconnect resources that occupy the lion’s share of the modern FPGA’s soft fabric, and yet permits the dual-rail iv completion-detection (DR-CD) protocol without the need to globally double the interconnect resources. Simulation results of global and interconnect voltage variations demonstrate the robustness of the method

Fiabilisation de Convertisseurs Analogique-Num´erique a Modulation Sigma-Delta

Due to the continuously scaling down of CMOS technology, system-on-chips (SoCs) reliability becomes important in sub-90 nm CMOS node. Integrated circuits and systems applied to aerospace, avionic, vehicle transport and biomedicine are highly sensitive to reliability problems such as ageing mechanisms and parametric process variations. Novel SoCs with new materials and architectures of high complexity further aggravate reliability as a critical aspect of process integration. For instance, random and systematic defects as well as parametric process variations have a large influence on quality and yield of the manufactured ICs, right after production. During ICs usage time, time-dependent ageing mechanisms such as negative bias temperature instability (NBTI) and hot carrier injection (HCI) can significantly degrade ICs performance.La fiabilit´e des ICs est d´efinie ainsi : la capacit´e d’un circuit ou un syst`eme int´egr´e `amaintenir ses param`etres durant une p´eriode donn´ee sous des conditions d´efinies. Les rapportsITRS 2011 consid`ere la fiabilit´e comme un aspect critique du processus d’int´egration.Par cons´equent, il faut faire appel des m´ethodologies innovatrices prenant en comptela fiabilit´e afin d’assurer la fonctionnalit´e du SoCs et la fiabilit´e dans les technologiesCMOS `a l’´echelle nanom´etrique. Cela nous permettra de d´evelopper des m´ethodologiesind´ependantes du design et de la technologie CMOS, en revanche, sp´ecialis´ees en fiabilit´e

Fiabilisation de convertisseurs analogique-numérique à modulation Sigma-Delta

This thesis concentrates on reliability-aware methodology development, reliability analysis based on simulation as well as failure prediction of CMOS 65nm analog and mixed signal (AMS) ICs. Sigma-Delta modulators are concerned as the object of reliability study at system level. A hierarchical statistical approach for reliability is proposed to analysis the performance of Sigma-Delta modulators under ageing effects and process variations. Statistical methods are combined into this analysis flow.Ce travail de thèse a porté sur des problèmes de fiabilité de circuits intégrés en technologie CMOS 65 nm, en particulier sur la conception en vue de la fiabilité, la simulation et l'amélioration de la fiabilité. Les mécanismes dominants de vieillissement HCI et NBTI ainsi que la variation du processus ont été étudiés et évalués quantitativement au niveau du circuit et au niveau du système. Ces méthodes ont été appliquées aux modulateurs Sigma-Delta afin de déterminer la fiabilité de ce type de composant qui est très utilisé

Multi-level simulation of nano-electronic digital circuits on GPUs

Simulation of circuits and faults is an essential part in design and test validation tasks of contemporary nano-electronic digital integrated CMOS circuits. Shrinking technology processes with smaller feature sizes and strict performance and reliability requirements demand not only detailed validation of the functional properties of a design, but also accurate validation of non-functional aspects including the timing behavior. However, due to the rising complexity of the circuit behavior and the steady growth of the designs with respect to the transistor count, timing-accurate simulation of current designs requires a lot of computational effort which can only be handled by proper abstraction and a high degree of parallelization. This work presents a simulation model for scalable and accurate timing simulation of digital circuits on data-parallel graphics processing unit (GPU) accelerators. By providing compact modeling and data-structures as well as through exploiting multiple dimensions of parallelism, the simulation model enables not only fast and timing-accurate simulation at logic level, but also massively-parallel simulation with switch level accuracy. The model facilitates extensions for fast and efficient fault simulation of small delay faults at logic level, as well as first-order parametric and parasitic faults at switch level. With the parallelization on GPUs, detailed and scalable simulation is enabled that is applicable even to multi-million gate designs. This way, comprehensive analyses of realistic timing-related faults in presence of process- and parameter variations are enabled for the first time. Additional simulation efficiency is achieved by merging the presented methods in a unified simulation model, that allows to combine the unique advantages of the different levels of abstraction in a mixed-abstraction multi-level simulation flow to reach even higher speedups. Experimental results show that the implemented parallel approach achieves unprecedented simulation throughput as well as high speedup compared to conventional timing simulators. The underlying model scales for multi-million gate designs and gives detailed insights into the timing behavior of digital CMOS circuits, thereby enabling large-scale applications to aid even highly complex design and test validation tasks