Review on suitable eDRAM configurations for next nano-metric electronics era

We summarize most of our studies focused on the main reliability issues that can threat the gain-cells eDRAM behavior when it is simulated at the nano-metric device range has been collected in this review. So, to outperform their memory cell counterparts, we explored different technological proposals and operational regimes where it can be located. The best memory cell performance is observed for the 3T1D-eDRAM cell when it is based on FinFET devices. Both device variability and SEU appear as key reliability issues for memory cells at sub-22nm technology node.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Active timing margin management to improve microprocessor power efficiency

Improving power/performance efficiency is critical for today’s micro- processors. From edge devices to datacenters, lower power or higher performance always produces better systems, measured by lower cost of ownership or longer battery time. This thesis studies improving microprocessor power/performance efficiency by optimizing the pipeline timing margin. In particular, this thesis focuses on improving the efficacy of Active Timing Margin, a young technology that dynamically adjusts the margin. Active timing margin trims down the pipeline timing margin with a control loop that adjusts voltage and frequency based on real-time chip environment monitoring. The key insight of this thesis is that in order to maximize active timing margin’s efficiency enhancement benefits, synergistic management from processor architecture design and system software scheduling are needed. To that end, this thesis covers the major consumers of pipeline timing margin, including temperature, voltage, and process variation. For temperature variation, the thesis proposes a table-lookup based active timing margin mechanism, and an associated temperature management scheme to minimize power consumption. For voltage variation, the thesis characterizes the limiting factors of adaptive clocking’s power saving and proposes application scheduling to maximize total system power reduction. For process variation, the thesis proposes core-level adaptive clocking reconfiguration to automatically expose inter-core variation and discusses workload scheduling and throttling management to control critical application performance. The author believes the optimization presented in this thesis can potentially benefit a variety of processor architectures as the conclusions are based on the solid measurement on state-of-the-art processors, and the research objective, active timing margin, already has wide applicability in the latest microprocessors by the time this thesis is written.Electrical and Computer Engineerin

A Process Variation Tolerant Self-Compensation Sense Amplifier Design

As we move under the aegis of the Moore\u27s law, we have to deal with its darker side with problems like leakage and short channel effects. Once we go beyond 45nm regime process variations also have emerged as a significant design concern.Embedded memories uses sense amplifier for fast sensing and typically, sense amplifiers uses pair of matched transistors in a positive feedback environment. A small difference in voltage level of applied input signals to these matched transistors is amplified and the resulting logic signals are latched. Intra die variation causes mismatch between the sense transistors that should ideally be identical structures. Yield loss due to device and process variations has never been so critical to cause failure in circuits. Due to growth in size of embedded SRAMs as well as usage of sense amplifier based signaling techniques, process variations in sense amplifiers leads to significant loss of yield for that we need to come up with process variation tolerant circuit styles and new devices. In this work impact of transistor mismatch due to process variations on sense amplifier is evaluated and this problem is stated. For the solution of the problem a novel self compensation scheme on sense amplifiers is presented on different technology nodes up to 32nm on conventional bulk MOSFET technology. Our results show that the self compensation technique in the conventional bulk MOSFET latch type sense amplifier not just gives improvement in the yield but also leads to improvement in performance for latch type sense amplifiers. Lithography related CD variations, fluctuations in dopant density, oxide thickness and parametric variations of devices are identified as a major challenge to the classical bulk type MOSFET. With the emerging nanoscale devices, SIA roadmap identifies FinFETs as a candidate for post-planar end-of-roadmap CMOS device. With current technology scaling issues and with conventional bulk type MOSFET on 32nm node our technique can easily be applied to Double Gate devices. In this work, we also develop the model of Double Gate MOSFET through 3D Device Simulator Damocles and TCAD simulator. We propose a FinFET based process variation tolerant sense amplifier design that exploits the back gate of FinFET devices for dynamic compensation against process variations. Results from statistical simulation show that the proposed dynamic compensation is highly effective in restoring yield at a level comparable to that of sense amplifiers without process variations. We created the 32nm double gate models generated from Damocles 3-D device simulations [25] and Taurus Device Simulator available commercially from Synopsys [47] and use them in the nominal latch type sense amplifier design and on the Independent Gate Self Compensation Sense Amplifier Design (IGSSA) to compare the yield and performance benefits of sense amplifier design on FinFET technology over the conventional bulk type CMOS based sense amplifier on 32nm technology node effective in restoring yield at a level comparable to that of sense amplifiers without process variations. We created the 32nm double gate models generated from Damocles 3-D device simulations [25] and Taurus Device Simulator available commercially from Synopsys [47] and use them in the nominal latch type sense amplifier design and on the Independent Gate Self Compensation Sense Amplifier Design (IGSSA) to compare the yield and performance benefits of sense amplifier design on FinFET technology over the conventional bulk type CMOS based sense amplifier on 32nm technology node

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

Near-Threshold Computing: Past, Present, and Future.

Transistor threshold voltages have stagnated in recent years, deviating from constant-voltage scaling theory and directly limiting supply voltage scaling. To overcome the resulting energy and power dissipation barriers, energy efficiency can be improved through aggressive voltage scaling, and there has been increased interest in operating at near-threshold computing (NTC) supply voltages. In this region sizable energy gains are achieved with moderate performance loss, some of which can be regained through parallelism. This thesis first provides a methodical definition of how near to threshold is "near threshold" and continues with an in-depth examination of NTC across past, present, and future CMOS technologies. By systematically defining near-threshold, the trends and tradeoffs are analyzed, lending insight in how best to design and optimize near-threshold systems. NTC works best for technologies that feature good circuit delay scalability, therefore technologies without strong short-channel effects. Early planar technologies (prior to 90nm or so) featured good circuit scalability (8x energy gains), but lacked area in which to add cores for parallelization. Recent planar nodes (32nm – 20nm) feature more area for cores but suffer from poor delay scalability, and so are not well-suited for NTC (4x energy gains). The switch to FinFET CMOS technology allows for a return to strong voltage scalability (8x gain), reversing trends seen in planar technologies, while dark silicon has created an opportunity to add cores for parallelization. Improved FinFET voltage scalability even allows for latency reduction of a single task, as long as the task is sufficiently parallelizable (< 10% serial code). Finally, we will look at a technique for fast voltage boosting, called Shortstop, in which a core's operating voltage is raised in 10s of cycles. Shortstop can be used to quickly respond to single-threaded performance demands of a near-threshold system by leveraging the innate parasitic inductance of a dedicated dirty supply rail, further improving energy efficiency. The technique is demonstrated in a wirebond implementation and is able to boost a core up to 1.8x faster than a header-based approach, while reducing supply droop by 2-7x. An improved flip-chip architecture is also proposed.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/113600/1/npfet_1.pd

AI/ML Algorithms and Applications in VLSI Design and Technology

An evident challenge ahead for the integrated circuit (IC) industry in the nanometer regime is the investigation and development of methods that can reduce the design complexity ensuing from growing process variations and curtail the turnaround time of chip manufacturing. Conventional methodologies employed for such tasks are largely manual; thus, time-consuming and resource-intensive. In contrast, the unique learning strategies of artificial intelligence (AI) provide numerous exciting automated approaches for handling complex and data-intensive tasks in very-large-scale integration (VLSI) design and testing. Employing AI and machine learning (ML) algorithms in VLSI design and manufacturing reduces the time and effort for understanding and processing the data within and across different abstraction levels via automated learning algorithms. It, in turn, improves the IC yield and reduces the manufacturing turnaround time. This paper thoroughly reviews the AI/ML automated approaches introduced in the past towards VLSI design and manufacturing. Moreover, we discuss the scope of AI/ML applications in the future at various abstraction levels to revolutionize the field of VLSI design, aiming for high-speed, highly intelligent, and efficient implementations

Towards Energy-Efficient and Reliable Computing: From Highly-Scaled CMOS Devices to Resistive Memories

The continuous increase in transistor density based on Moore\u27s Law has led us to highly scaled Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) technologies. These transistor-based process technologies offer improved density as well as a reduction in nominal supply voltage. An analysis regarding different aspects of 45nm and 15nm technologies, such as power consumption and cell area to compare these two technologies is proposed on an IEEE 754 Single Precision Floating-Point Unit implementation. Based on the results, using the 15nm technology offers 4-times less energy and 3-fold smaller footprint. New challenges also arise, such as relative proportion of leakage power in standby mode that can be addressed by post-CMOS technologies. Spin-Transfer Torque Random Access Memory (STT-MRAM) has been explored as a post-CMOS technology for embedded and data storage applications seeking non-volatility, near-zero standby energy, and high density. Towards attaining these objectives for practical implementations, various techniques to mitigate the specific reliability challenges associated with STT-MRAM elements are surveyed, classified, and assessed herein. Cost and suitability metrics assessed include the area of nanomagmetic and CMOS components per bit, access time and complexity, Sense Margin (SM), and energy or power consumption costs versus resiliency benefits. In an attempt to further improve the Process Variation (PV) immunity of the Sense Amplifiers (SAs), a new SA has been introduced called Adaptive Sense Amplifier (ASA). ASA can benefit from low Bit Error Rate (BER) and low Energy Delay Product (EDP) by combining the properties of two of the commonly used SAs, Pre-Charge Sense Amplifier (PCSA) and Separated Pre-Charge Sense Amplifier (SPCSA). ASA can operate in either PCSA or SPCSA mode based on the requirements of the circuit such as energy efficiency or reliability. Then, ASA is utilized to propose a novel approach to actually leverage the PV in Non-Volatile Memory (NVM) arrays using Self-Organized Sub-bank (SOS) design. SOS engages the preferred SA alternative based on the intrinsic as-built behavior of the resistive sensing timing margin to reduce the latency and power consumption while maintaining acceptable access time

Ultra-Low-Power Embedded SRAM Design for Battery- Operated and Energy-Harvested IoT Applications

Internet of Things (IoT) devices such as wearable health monitors, augmented reality goggles, home automation, smart appliances, etc. are a trending topic of research. Various IoT products are thriving in the current electronics market. The IoT application needs such as portability, form factor, weight, etc. dictate the features of such devices. Small, portable, and lightweight IoT devices limit the usage of the primary energy source to a smaller rechargeable or non-rechargeable battery. As battery life and replacement time are critical issues in battery-operated or partially energy-harvested IoT devices, ultra-low-power (ULP) system on chips (SoC) are becoming a widespread solution of chip makers’ choice. Such ULP SoC requires both logic and the embedded static random access memory (SRAM) in the processor to operate at very low supply voltages. With technology scaling for bulk and FinFET devices, logic has demonstrated to operate at low minimum operating voltages (VMIN). However, due to process and temperature variation, SRAMs have higher VMIN in scaled processes that become a huge problem in designing ULP SoC cores. This chapter discusses the latest published circuits and architecture techniques to minimize the SRAM VMIN for scaled bulk and FinFET technologies and improve battery life for ULP IoT applications

Design for Reliability and Low Power in Emerging Technologies

Die fortlaufende Verkleinerung von Transistor-Strukturgrößen ist einer der wichtigsten Antreiber für das Wachstum in der Halbleitertechnologiebranche. Seit Jahrzehnten erhöhen sich sowohl Integrationsdichte als auch Komplexität von Schaltkreisen und zeigen damit einen fortlaufenden Trend, der sich über alle modernen Fertigungsgrößen erstreckt. Bislang ging das Verkleinern von Transistoren mit einer Verringerung der Versorgungsspannung einher, was zu einer Reduktion der Leistungsaufnahme führte und damit eine gleichbleibenden Leistungsdichte sicherstellte. Doch mit dem Beginn von Strukturgrößen im Nanometerbreich verlangsamte sich die fortlaufende Skalierung. Viele Schwierigkeiten, sowie das Erreichen von physikalischen Grenzen in der Fertigung und Nicht-Idealitäten beim Skalieren der Versorgungsspannung, führten zu einer Zunahme der Leistungsdichte und, damit einhergehend, zu erschwerten Problemen bei der Sicherstellung der Zuverlässigkeit. Dazu zählen, unter anderem, Alterungseffekte in Transistoren sowie übermäßige Hitzeentwicklung, nicht zuletzt durch stärkeres Auftreten von Selbsterhitzungseffekten innerhalb der Transistoren. Damit solche Probleme die Zuverlässigkeit eines Schaltkreises nicht gefährden, werden die internen Signallaufzeiten üblicherweise sehr pessimistisch kalkuliert. Durch den so entstandenen zeitlichen Sicherheitsabstand wird die korrekte Funktionalität des Schaltkreises sichergestellt, allerdings auf Kosten der Performance. Alternativ kann die Zuverlässigkeit des Schaltkreises auch durch andere Techniken erhöht werden, wie zum Beispiel durch Null-Temperatur-Koeffizienten oder Approximate Computing. Wenngleich diese Techniken einen Großteil des üblichen zeitlichen Sicherheitsabstandes einsparen können, bergen sie dennoch weitere Konsequenzen und Kompromisse. Bleibende Herausforderungen bei der Skalierung von CMOS Technologien führen außerdem zu einem verstärkten Fokus auf vielversprechende Zukunftstechnologien. Ein Beispiel dafür ist der Negative Capacitance Field-Effect Transistor (NCFET), der eine beachtenswerte Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen FinFET Transistoren aufweist und diese in Zukunft ersetzen könnte. Des Weiteren setzen Entwickler von Schaltkreisen vermehrt auf komplexe, parallele Strukturen statt auf höhere Taktfrequenzen. Diese komplexen Modelle benötigen moderne Power-Management Techniken in allen Aspekten des Designs. Mit dem Auftreten von neuartigen Transistortechnologien (wie zum Beispiel NCFET) müssen diese Power-Management Techniken neu bewertet werden, da sich Abhängigkeiten und Verhältnismäßigkeiten ändern. Diese Arbeit präsentiert neue Herangehensweisen, sowohl zur Analyse als auch zur Modellierung der Zuverlässigkeit von Schaltkreisen, um zuvor genannte Herausforderungen auf mehreren Designebenen anzugehen. Diese Herangehensweisen unterteilen sich in konventionelle Techniken ((a), (b), (c) und (d)) und unkonventionelle Techniken ((e) und (f)), wie folgt: $\textbf{(a)}$ Analyse von Leistungszunahmen in Zusammenhang mit der Maximierung von Leistungseffizienz beim Betrieb nahe der Transistor Schwellspannung, insbesondere am optimalen Leistungspunkt. Das genaue Ermitteln eines solchen optimalen Leistungspunkts ist eine besondere Herausforderung bei Multicore Designs, da dieser sich mit den jeweiligen Optimierungszielsetzungen und der Arbeitsbelastung verschiebt. $\textbf{(b)}$ Aufzeigen versteckter Interdependenzen zwischen Alterungseffekten bei Transistoren und Schwankungen in der Versorgungsspannung durch „IR-drops“. Eine neuartige Technik wird vorgestellt, die sowohl Über- als auch Unterschätzungen bei der Ermittlung des zeitlichen Sicherheitsabstands vermeidet und folglich den kleinsten, dennoch ausreichenden Sicherheitsabstand ermittelt. $\textbf{(c)}$ Eindämmung von Alterungseffekten bei Transistoren durch „Graceful Approximation“, eine Technik zur Erhöhung der Taktfrequenz bei Bedarf. Der durch Alterungseffekte bedingte zeitlich Sicherheitsabstand wird durch Approximate Computing Techniken ersetzt. Des Weiteren wird Quantisierung verwendet um ausreichend Genauigkeit bei den Berechnungen zu gewährleisten. $\textbf{(d)}$ Eindämmung von temperaturabhängigen Verschlechterungen der Signallaufzeit durch den Betrieb nahe des Null-Temperatur Koeffizienten (N-ZTC). Der Betrieb bei N-ZTC minimiert temperaturbedingte Abweichungen der Performance und der Leistungsaufnahme. Qualitative und quantitative Vergleiche gegenüber dem traditionellen zeitlichen Sicherheitsabstand werden präsentiert. $\textbf{(e)}$ Modellierung von Power-Management Techniken für NCFET-basierte Prozessoren. Die NCFET Technologie hat einzigartige Eigenschaften, durch die herkömmliche Verfahren zur Spannungs- und Frequenzskalierungen zur Laufzeit (DVS/DVFS) suboptimale Ergebnisse erzielen. Dies erfordert NCFET-spezifische Power-Management Techniken, die in dieser Arbeit vorgestellt werden. $\textbf{(f)}$ Vorstellung eines neuartigen heterogenen Multicore Designs in NCFET Technologie. Das Design beinhaltet identische Kerne; Heterogenität entsteht durch die Anwendung der individuellen, optimalen Konfiguration der Kerne. Amdahls Gesetz wird erweitert, um neue system- und anwendungsspezifische Parameter abzudecken und die Vorzüge des neuen Designs aufzuzeigen. Die Auswertungen der vorgestellten Techniken werden mithilfe von Implementierungen und Simulationen auf Schaltkreisebene (gate-level) durchgeführt. Des Weiteren werden Simulatoren auf Systemebene (system-level) verwendet, um Multicore Designs zu implementieren und zu simulieren. Zur Validierung und Bewertung der Effektivität gegenüber dem Stand der Technik werden analytische, gate-level und system-level Simulationen herangezogen, die sowohl synthetische als auch reale Anwendungen betrachten

Characterisation of thermal and coupling effects in advanced silicon MOSFETs

PhD ThesisNew approaches to metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) engineering emerge in order to keep up with the electronics market demands. Two main candidates for the next few generations of Moore’s law are planar ultra-thin body and buried oxide (UTBB) devices and three-dimensional FinFETs. Due to miniature dimensions and new materials with low thermal conductivity, performance of advanced MOSFETs is affected by self-heating and substrate effects. Self-heating results in an increase of the device temperature which causes mobility reduction, compromised reliability and signal delays. The substrate effect is a parasitic source and drain coupling which leads to frequency-dependent analogue behaviour. Both effects manifest themselves in the output conductance variation with frequency and impact analogue as well as digital performance. In this thesis self-heating and substrate effects in FinFETs and UTBB devices are characterised, discussed and compared. The results are used to identify trade-offs in device performance, geometry and thermal properties. Methods how to optimise the device geometry or biasing conditions in order to minimise the parasitic effects are suggested. To identify the most suitable technique for self-heating characterisation in advanced semiconductor devices, different methods of thermal characterisation (time and frequency domain) were experimentally compared and evaluated alongside an analytical model. RF and two different pulsed I-V techniques were initially applied to partially depleted silicon-on-insulator (PDSOI) devices. The pulsed I-V hot chuck method showed good agreement with the RF technique in the PDSOI devices. However, subsequent analysis demonstrated that for more advanced technologies the time domain methods can underestimate self-heating. This is due to the reduction of the thermal time constants into the nanosecond range and limitations of the pulsed I-V set-up. The reduction is related to the major increase of the surface to volume ratio in advanced MOSFETs. Consequently the work showed that the thermal properties of advanced semiconductor devices must be characterised within the frequency domain. For UTBB devices with 7-8 nm Si body and 10 nm ultra-thin buried oxide (BOX) the analogue performance degradation caused by the substrate effects can be stronger than the analogue performance degradation caused by self-heating. However, the substrate effects can be effectively reduced if the substrate doping beneath the buried ii oxide is adjusted using a ground plane. In the MHz – GHz frequency range the intrinsic voltage gain variation is reduced ~6 times when a device is biased in saturation if a ground plane is implemented compared with a device without a ground plane. UTBB devices with 25 nm BOX were compared with UTBB devices with 10 nm BOX. It was found that the buried oxide thinning from 25 nm to 10 nm is not critical from the thermal point of view as other heat evacuation paths (e.g. source and drain) start to play a role. Thermal and substrate effects in FinFETs were also analysed. It was experimentally shown that FinFET thermal properties depend on the device geometry. The thermal resistance of FinFETs strongly varies with the fin width and number of parallel fins, whereas the fin spacing is less critical. The results suggest that there are trade-offs between thermal properties and integration density, electrostatic control and design complexity, since these aspects depend on device geometry. The high frequency substrate effects were found to be effectively reduced in devices with sub-100 nm wide fins.Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) and EU fundin