Identification and Rejuvenation of NBTI-Critical Logic Paths in Nanoscale Circuits

The Negative Bias Temperature Instability (NBTI) phenomenon is agreed to be one of the main reliability concerns in nanoscale circuits. It increases the threshold voltage of pMOS transistors, thus, slows down signal propagation along logic paths between flip-flops. NBTI may cause intermittent faults and, ultimately, the circuit’s permanent functional failures. In this paper, we propose an innovative NBTI mitigation approach by rejuvenating the nanoscale logic along NBTI-critical paths. The method is based on hierarchical identification of NBTI-critical paths and the generation of rejuvenation stimuli using an Evolutionary Algorithm. A new, fast, yet accurate model for computation of NBTI-induced delays at gate-level is developed. This model is based on intensive SPICE simulations of individual gates. The generated rejuvenation stimuli are used to drive those pMOS transistors to the recovery phase, which are the most critical for the NBTI-induced path delay. It is intended to apply the rejuvenation procedure to the circuit, as an execution overhead, periodically. Experimental results performed on a set of designs demonstrate reduction of NBTI-induced delays by up to two times with an execution overhead of 0.1 % or less. The proposed approach is aimed at extending the reliable lifetime of nanoelectronics

Thermal Management for Dependable On-Chip Systems

This thesis addresses the dependability issues in on-chip systems from a thermal perspective. This includes an explanation and analysis of models to show the relationship between dependability and tempature. Additionally, multiple novel methods for on-chip thermal management are introduced aiming to optimize thermal properties. Analysis of the methods is done through simulation and through infrared thermal camera measurements

Energy Saving and Scavenging in Stand-alone and Large Scale Distributed Systems.

This thesis focuses on energy management techniques for distributed systems such as hand-held mobile devices, sensor nodes, and data center servers. One of the major design problems in multiple application domains is the mismatch between workloads and resources. Sub-optimal assignment of workloads to resources can cause underloaded or overloaded resources, resulting in performance degradation or energy waste. This work specifically focuses on the heterogeneity in system hardware components and workloads. It includes energy management solutions for unregulated or batteryless embedded systems; and data center servers with heterogeneous workloads, machines, and processor wear states. This thesis describes four major contributions: (1) This thesis describes a battery test and energy delivery system design process to maintain battery life in embedded systems without voltage regulators. (2) In battery-less sensor nodes, this thesis demonstrates a routing protocol to maintain reliable transmission through the sensor network. (3) This thesis has characterized typical workloads and developed two models to capture the heterogeneity of data center tasks and machines: a task performance model and a machine resource utilization model. These models allow users to predict task finish time on individual machines. It then integrates these two models into a task scheduler based on the Hadoop framework for MapReduce tasks, and uses this scheduler for server energy minimization using task concentration. (4) In addition to saving server energy consumption, this thesis describes a method of reducing data center cooling energy by maintaining optimal server processor temperature setpoints through a task assignment algorithm. This algorithm considers the reliability impact of processor wear states. It records processor wear states through automatic timing slack tests on a cluster of machines with varying core temperatures, voltages, and frequencies. These optimal temperature setpoints are used in a task scheduling algorithm that saves both server and cooling energy.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/116746/1/xjhe_1.pd

Aging-Aware Routing Algorithms for Network-on-Chips

Network-on-Chip (NoC) architectures have emerged as a better replacement of the traditional bus-based communication in the many-core era. However, continuous technology scaling has made aging mechanisms, such as Negative Bias Temperature Instability (NBTI) and electromigration, primary concerns in NoC design. In this work, a novel system-level aging model is proposed to model the effects of aging in NoCs, caused due to (a) asymmetric communication patterns between the network nodes, and (b) runtime traffic variations due to routing policies. This work observes a critical need of a holistic aging analysis, which when combined with power-performance optimization, poses a multi-objective design challenge. To solve this problem, two different aging-aware routing algorithms are proposed: (a) congestion-oblivious Mixed Integer Linear Programming (MILP)-based routing algorithm, and (b) congestion-aware adaptive routing algorithm and router micro-architecture. After extensive experimental evaluations, proposed routing algorithms reduce aging-induced power-performance overheads while also improving the system robustness

Cross-Layer Approaches for an Aging-Aware Design of Nanoscale Microprocessors

Thanks to aggressive scaling of transistor dimensions, computers have revolutionized our life. However, the increasing unreliability of devices fabricated in nanoscale technologies emerged as a major threat for the future success of computers. In particular, accelerated transistor aging is of great importance, as it reduces the lifetime of digital systems. This thesis addresses this challenge by proposing new methods to model, analyze and mitigate aging at microarchitecture-level and above

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

Designing reliable cyber-physical systems overview associated to the special session at FDL’16

CPS, that consist of a cyber part – a computing system – and a physical part – the system in the physical environment – as well as the respective interfaces between those parts, are omnipresent in our daily lives. The application in the physical environment drives the overall requirements that must be respected when designing the computing system. Here, reliability is a core aspect where some of the most pressing design challenges are: • monitoring failures throughout the computing system, • determining the impact of failures on the application constraints, and • ensuring correctness of the computing system with respect to application-driven requirements rooted in the physical environment. This paper provides an overview of techniques discussed in the special session to tackle these challenges throughout the stack of layers of the computing system while tightly coupling the design methodology to the physical requirements.</p

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

Energy and Reliability in Future NOC Interconnected CMPS

In this dissertation, I explore energy and reliability in future NoC (Network-on-Chip) interconnected CMPs (chip multiprocessors) as they have become a first-order constraint in future CMP design. In the first part, we target the root cause of network energy consumption through techniques that reduce link and router-level switching activity. We specifically focus on memory subsystem traffic, as it comprises the bulk of NoC load in a CMP. By transmitting only the flits that contain words that we predicted would be useful using a novel spatial locality predictor, our scheme seeks to reduce network activity. We aim to further lower NoC energy consumption through microarchitectural mechanisms that inhibit datapath switching activity caused by unused words in individual flits. Using simulation-based performance studies and detailed energy models based on synthesized router designs and different link wire types, we show that (a) the pre- diction mechanism achieves very high accuracy, with an average rate of false-unused prediction of just 2.5%; (b) the combined NoC energy savings enabled by the predictor and microarchitectural support are 36% on average and up to 57% in the best case; and (c) there is no system performance penalty as a result of this technique. In the second part, we present a method for dynamic voltage/frequency scaling of networks-on-chip and last level caches in CMP designs, where the shared resources form a single voltage/frequency domain. We develop a new technique for monitoring and control and validate it by running PARSEC benchmarks through full system simulations. These techniques reduce energy-delay product by 46% compared to a state-of-the-art prior work. In the third part, we develop critical path models for HCI- and NBTI-induced wear assuming stress caused under realistic workload conditions, and apply them onto the interconnect microarchitecture. A key finding from this modeling is that, counter to prevailing wisdom, wearout in the CMP on-chip interconnect is correlated with a lack of load observed in the NoC routers, rather than high load. We then develop a novel wearout-decelerating scheme in which routers under low load have their wearout-sensitive components exercised without significantly impacting the router’s cycle time, pipeline depth, and area or power consumption. We subsequently show that the proposed design yields a 13.8∼65× increase in CMP lifetime