Circuits and Systems Advances in Near Threshold Computing

Modern society is witnessing a sea change in ubiquitous computing, in which people have embraced computing systems as an indispensable part of day-to-day existence. Computation, storage, and communication abilities of smartphones, for example, have undergone monumental changes over the past decade. However, global emphasis on creating and sustaining green environments is leading to a rapid and ongoing proliferation of edge computing systems and applications. As a broad spectrum of healthcare, home, and transport applications shift to the edge of the network, near-threshold computing (NTC) is emerging as one of the promising low-power computing platforms. An NTC device sets its supply voltage close to its threshold voltage, dramatically reducing the energy consumption. Despite showing substantial promise in terms of energy efficiency, NTC is yet to see widescale commercial adoption. This is because circuits and systems operating with NTC suffer from several problems, including increased sensitivity to process variation, reliability problems, performance degradation, and security vulnerabilities, to name a few. To realize its potential, we need designs, techniques, and solutions to overcome these challenges associated with NTC circuits and systems. The readers of this book will be able to familiarize themselves with recent advances in electronics systems, focusing on near-threshold computing

Designing energy-efficient sub-threshold logic circuits using equalization and non-volatile memory circuits using memristors

The very large scale integration (VLSI) community has utilized aggressive complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) technology scaling to meet the ever-increasing performance requirements of computing systems. However, as we enter the nanoscale regime, the prevalent process variation effects degrade the CMOS device reliability. Hence, it is increasingly essential to explore emerging technologies which are compatible with the conventional CMOS process for designing highly-dense memory/logic circuits. Memristor technology is being explored as a potential candidate in designing non-volatile memory arrays and logic circuits with high density, low latency and small energy consumption. In this thesis, we present the detailed functionality of multi-bit 1-Transistor 1-memRistor (1T1R) cell-based memory arrays. We present the performance and energy models for an individual 1T1R memory cell and the memory array as a whole. We have considered TiO2- and HfOx-based memristors, and for these technologies there is a sub-10% difference between energy and performance computed using our models and HSPICE simulations. Using a performance-driven design approach, the energy-optimized TiO2-based RRAM array consumes the least write energy (4.06 pJ/bit) and read energy (188 fJ/bit) when storing 3 bits/cell for 100 nsec write and 1 nsec read access times. Similarly, HfOx-based RRAM array consumes the least write energy (365 fJ/bit) and read energy (173 fJ/bit) when storing 3 bits/cell for 1 nsec write and 200 nsec read access times. On the logic side, we investigate the use of equalization techniques to improve the energy efficiency of digital sequential logic circuits in sub-threshold regime. We first propose the use of a variable threshold feedback equalizer circuit with combinational logic blocks to mitigate the timing errors in digital logic designed in sub-threshold regime. This mitigation of timing errors can be leveraged to reduce the dominant leakage energy by scaling supply voltage or decreasing the propagation delay. At the fixed supply voltage, we can decrease the propagation delay of the critical path in a combinational logic block using equalizer circuits and, correspondingly decrease the leakage energy consumption. For a 8-bit carry lookahead adder designed in UMC 130 nm process, the operating frequency can be increased by 22.87% (on average), while reducing the leakage energy by 22.6% (on average) in the sub-threshold regime. Overall, the feedback equalization technique provides up to 35.4% lower energy-delay product compared to the conventional non-equalized logic. We also propose a tunable adaptive feedback equalizer circuit that can be used with sequential digital logic to mitigate the process variation effects and reduce the dominant leakage energy component in sub-threshold digital logic circuits. For a 64-bit adder designed in 130 nm our proposed approach can reduce the normalized delay variation of the critical path delay from 16.1% to 11.4% while reducing the energy-delay product by 25.83% at minimum energy supply voltage. In addition, we present detailed energy-performance models of the adaptive feedback equalizer circuit. This work serves as a foundation for the design of robust, energy-efficient digital logic circuits in sub-threshold regime

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

Dependable Embedded Systems

This Open Access book introduces readers to many new techniques for enhancing and optimizing reliability in embedded systems, which have emerged particularly within the last five years. This book introduces the most prominent reliability concerns from today’s points of view and roughly recapitulates the progress in the community so far. Unlike other books that focus on a single abstraction level such circuit level or system level alone, the focus of this book is to deal with the different reliability challenges across different levels starting from the physical level all the way to the system level (cross-layer approaches). The book aims at demonstrating how new hardware/software co-design solution can be proposed to ef-fectively mitigate reliability degradation such as transistor aging, processor variation, temperature effects, soft errors, etc. Provides readers with latest insights into novel, cross-layer methods and models with respect to dependability of embedded systems; Describes cross-layer approaches that can leverage reliability through techniques that are pro-actively designed with respect to techniques at other layers; Explains run-time adaptation and concepts/means of self-organization, in order to achieve error resiliency in complex, future many core systems

Design of variability compensation architectures of digital circuits with adaptive body bias

The most critical concern in circuit is to achieve high level of performance with very tight power constraint. As the high performance circuits moved beyond 45nm technology one of the major issues is the parameter variation i.e. deviation in process, temperature and voltage (PVT) values from nominal specifications. A key process parameter subject to variation is the transistor threshold voltage (Vth) which impacts two important parameters: frequency and leakage power. Although the degradation can be compensated by the worstcase scenario based over-design approach, it induces remarkable power and performance overhead which is undesirable in tightly constrained designs. Dynamic voltage scaling (DVS) is a more power efficient approach, however its coarse granularity implies difficulty in handling fine grained variations. These factors have contributed to the growing interest in power aware robust circuit design. We propose a variability compensation architecture with adaptive body bias, for low power applications using 28nm FDSOI technology. The basic approach is based on a dynamic prediction and prevention of possible circuit timing errors. In our proposal we are using a Canary logic technique that enables the typical-case design. The body bias generation is based on a DLL type method which uses an external reference generator and voltage controlled delay line (VCDL) to generate the forward body bias (FBB) control signals. The adaptive technique is used for dynamic detection and correction of path failures in digital designs due to PVT variations. Instead of tuning the supply voltage, the key idea of the design approach is to tune the body bias voltage bymonitoring the error rate during operation. The FBB increases operating speed with an overhead in leakage power

Energy Efficient Hardware Design for Securing the Internet-of-Things

The Internet of Things (IoT) is a rapidly growing field that holds potential to transform our everyday lives by placing tiny devices and sensors everywhere. The ubiquity and scale of IoT devices require them to be extremely energy efficient. Given the physical exposure to malicious agents, security is a critical challenge within the constrained resources. This dissertation presents energy-efficient hardware designs for IoT security. First, this dissertation presents a lightweight Advanced Encryption Standard (AES) accelerator design. By analyzing the algorithm, a novel method to manipulate two internal steps to eliminate storage registers and replace flip-flops with latches to save area is discovered. The proposed AES accelerator achieves state-of-art area and energy efficiency. Second, the inflexibility and high Non-Recurring Engineering (NRE) costs of Application-Specific-Integrated-Circuits (ASICs) motivate a more flexible solution. This dissertation presents a reconfigurable cryptographic processor, called Recryptor, which achieves performance and energy improvements for a wide range of security algorithms across public key/secret key cryptography and hash functions. The proposed design employs circuit techniques in-memory and near-memory computing and is more resilient to power analysis attack. In addition, a simulator for in-memory computation is proposed. It is of high cost to design and evaluate new-architecture like in-memory computing in Register-transfer level (RTL). A C-based simulator is designed to enable fast design space exploration and large workload simulations. Elliptic curve arithmetic and Galois counter mode are evaluated in this work. Lastly, an error resilient register circuit, called iRazor, is designed to tolerate unpredictable variations in manufacturing process operating temperature and voltage of VLSI systems. When integrated into an ARM processor, this adaptive approach outperforms competing industrial techniques such as frequency binning and canary circuits in performance and energy.PHDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/147546/1/zhyiqun_1.pd

Ultra Low Power Digital Circuit Design for Wireless Sensor Network Applications

Ny forskning innenfor feltet trådløse sensornettverk åpner for nye og innovative produkter og løsninger. Biomedisinske anvendelser er blant områdene med størst potensial og det investeres i dag betydelige beløp for å bruke denne teknologien for å gjøre medisinsk diagnostikk mer effektiv samtidig som man åpner for fjerndiagnostikk basert på trådløse sensornoder integrert i et ”helsenett”. Målet er å forbedre tjenestekvalitet og redusere kostnader samtidig som brukerne skal oppleve forbedret livskvalitet som følge av økt trygghet og mulighet for å tilbringe mest mulig tid i eget hjem og unngå unødvendige sykehusbesøk og innleggelser. For å gjøre dette til en realitet er man avhengige av sensorelektronikk som bruker minst mulig energi slik at man oppnår tilstrekkelig batterilevetid selv med veldig små batterier. I sin avhandling ” Ultra Low power Digital Circuit Design for Wireless Sensor Network Applications” har PhD-kandidat Farshad Moradi fokusert på nye løsninger innenfor konstruksjon av energigjerrig digital kretselektronikk. Avhandlingen presenterer nye løsninger både innenfor aritmetiske og kombinatoriske kretser, samtidig som den studerer nye statiske minneelementer (SRAM) og alternative minnearkitekturer. Den ser også på utfordringene som oppstår når silisiumteknologien nedskaleres i takt med mikroprosessorutviklingen og foreslår løsninger som bidrar til å gjøre kretsløsninger mer robuste og skalerbare i forhold til denne utviklingen. De viktigste konklusjonene av arbeidet er at man ved å introdusere nye konstruksjonsteknikker både er i stand til å redusere energiforbruket samtidig som robusthet og teknologiskalerbarhet øker. Forskningen har vært utført i samarbeid med Purdue University og vært finansiert av Norges Forskningsråd gjennom FRINATprosjektet ”Micropower Sensor Interface in Nanometer CMOS Technology”