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

Modeling the Interdependences between Voltage Fluctuation and BTI Aging

With technology scaling, the susceptibility of circuits to different reliability degradations is steadily increasing. Aging in transistors due to bias temperature instability (BTI) and voltage fluctuation in the power delivery network of circuits due to IR-drops are the most prominent. In this paper, we are reporting for the first time that there are interdependences between voltage fluctuation and BTI aging that are nonnegligible. Modeling and investigating the joint impact of voltage fluctuation and BTI aging on the delay of circuits, while remaining compatible with the existing standard design flow, is indispensable in order to answer the vital question, “what is an efficient (i.e., small, yet sufficient) timing guardband to sustain the reliability of circuit for the projected lifetime?” This is, concisely, the key goal of this paper. Achieving that would not be possible without employing a physics-based BTI model that precisely describes the underlying generation and recovery mechanisms of defects under arbitrary stress waveforms. For this purpose, our model is validated against varied semiconductor measurements covering a wide range of voltage, temperature, frequency, and duty cycle conditions. To bring reliability awareness to existing EDA tool flows, we create standard cell libraries that contain the delay information of cells under the joint impact of aging and IR-drop. Our libraries can be directly deployed within the standard design flow because they are compatible with existing commercial tools (e.g., Synopsys and Cadence). Hence, designers can leverage the mature algorithms of these tools to accurately estimate the required timing guardbands for any circuit despite its complexity. Our investigation demonstrates that considering aging and IR-drop effects independently, as done in the state of the art, leads to employing insufficient and thus unreliable guardbands because of the nonnegligible (on average 15% and up to 25%) underestimations. Importantly, considering interdependences between aging and IR-drop does not only allow correct guardband estimations, but it also results in employing more efficient guardbands

The Natural Products Atlas : an open access knowledge base for microbial natural products discovery

Despite rapid evolution in the area of microbial natural products chemistry, there is currently no open access database containing all microbially produced natural product structures. Lack of availability of these data is preventing the implementation of new technologies in natural products science. Specifically, development of new computational strategies for compound characterization and identification are being hampered by the lack of a comprehensive database of known compounds against which to compare experimental data. The creation of an open access, community-maintained database of microbial natural product structures would enable the development of new technologies in natural products discovery and improve the interoperability of existing natural products data resources. However, these data are spread unevenly throughout the historical scientific literature, including both journal articles and international patents. These documents have no standard format, are often not digitized as machine readable text, and are not publicly available. Further, none of these documents have associated structure files (e.g., MOL, InChI, or SMILES), instead containing images of structures. This makes extraction and formatting of relevant natural products data a formidable challenge. Using a combination of manual curation and automated data mining approaches we have created a database of microbial natural products (The Natural Products Atlas, www.npatlas.org) that includes 24 594 compounds and contains referenced data for structure, compound names, source organisms, isolation references, total syntheses, and instances of structural reassignment. This database is accompanied by an interactive web portal that permits searching by structure, substructure, and physical properties. The Web site also provides mechanisms for visualizing natural products chemical space and dashboards for displaying author and discovery timeline data. These interactive tools offer a powerful knowledge base for natural products discovery with a central interface for structure and property-based searching and presents new viewpoints on structural diversity in natural products. The Natural Products Atlas has been developed under FAIR principles (Findable, Accessible, Interoperable, and Reusable) and is integrated with other emerging natural product databases, including the Minimum Information About a Biosynthetic Gene Cluster (MIBiG) repository, and the Global Natural Products Social Molecular Networking (GNPS) platform. It is designed as a community-supported resource to provide a central repository for known natural product structures from microorganisms and is the first comprehensive, open access resource of this type. It is expected that the Natural Products Atlas will enable the development of new natural products discovery modalities and accelerate the process of structural characterization for complex natural products libraries

Skewed X-inactivation is common in the general female population

X-inactivation is a well-established dosage compensation mechanism ensuring that X-chromosomal genes are expressed at comparable levels in males and females. Skewed X-inactivation is often explained by negative selection of one of the alleles. We demonstrate that imbalanced expression of the paternal and maternal X-chromosomes is common in the general population and that the random nature of the X-inactivation mechanism can be sufficient to explain the imbalance. To this end, we analyzed blood-derived RNA and whole-genome sequencing data from 79 female children and their parents from the Genome of the Netherlands project. We calculated the median ratio of the paternal over total counts at all X-chromosomal heterozygous single-nucleotide variants with coverage ≥10. We identified two individuals where the same X-chromosome was inactivated in all cells. Imbalanced expression of the two X-chromosomes (ratios ≤0.35 or ≥0.65) was observed in nearly 50% of the population. The empirically observed skewing is explained by a theoretical model where X-inactivation takes place in an embryonic stage in which eight cells give rise to the hematopoietic compartment. Genes escaping X-inactivation are expressed from both alleles and therefore demonstrate less skewing than inactivated genes. Using this characteristic, we identified three novel escapee genes (SSR4, REPS2, and SEPT6), but did not find support for many previously reported escapee genes in blood. Our collective data suggest that skewed X-inactivation is common in the general population. This may contribute to manifestation of symptoms in carriers of recessive X-linked disorders. We recommend that X-inactivation results should not be used lightly in the interpretation of X-linked variants

MIBiG 3.0 : a community-driven effort to annotate experimentally validated biosynthetic gene clusters

With an ever-increasing amount of (meta)genomic data being deposited in sequence databases, (meta)genome mining for natural product biosynthetic pathways occupies a critical role in the discovery of novel pharmaceutical drugs, crop protection agents and biomaterials. The genes that encode these pathways are often organised into biosynthetic gene clusters (BGCs). In 2015, we defined the Minimum Information about a Biosynthetic Gene cluster (MIBiG): a standardised data format that describes the minimally required information to uniquely characterise a BGC. We simultaneously constructed an accompanying online database of BGCs, which has since been widely used by the community as a reference dataset for BGCs and was expanded to 2021 entries in 2019 (MIBiG 2.0). Here, we describe MIBiG 3.0, a database update comprising large-scale validation and re-annotation of existing entries and 661 new entries. Particular attention was paid to the annotation of compound structures and biological activities, as well as protein domain selectivities. Together, these new features keep the database up-to-date, and will provide new opportunities for the scientific community to use its freely available data, e.g. for the training of new machine learning models to predict sequence-structure-function relationships for diverse natural products. MIBiG 3.0 is accessible online at https://mibig.secondarymetabolites.org/

Minimizing Excess Timing Guard Banding Under Transistor Self-Heating Through Biasing at Zero-Temperature Coefficient

Self-Heating Effects (SHE) is known as one of the key reliability challenges in FinFET and beyond. Large timing guard bands are necessary, which we try to reduce. In this work, we propose operating (biasing) processors at Zero-Temperature Coefficient (ZTC) to contain (mitigate) SHE-induced delay. Operating at ZTC allows near-zero timing guard band to protect circuits against SHE. However, a trade-off is found between thermal timing guard band and performance loss from lowering the voltage

Aging-aware voltage scaling

As feature sizes of transistors began to approach atomic levels, aging effects have become one of major concerns when it comes to reliability. Recently, aging effects have become a subject to voltage scaling as the latter entered the sub-μs regime. Hence, aging shifted from a sole long-term (as treated by state-of-the-art) to a short and long-term reliability challenge. This paper interrelates both aging and voltage scaling to explore and quantify for the first time the short-term effects of aging. We propose “aging-awareness” with respect to voltage scaling which is indispensable to sustain runtime reliability. Otherwise, transient errors, caused by the short-term effects of aging, may occur. Compared to state-of-the-art, our aging-aware voltage scaling optimizes for both short-term and long-term aging effects at marginal guardband overhead

Shear loaded osteocyte-like-cells affect epithelial and mesenchymal gene expression in DU145 prostate cancer cells, while decreasing their invasion in vitro

Once prostate cancer (PC) metastasizes towards bone the 5-year survival rates drop with 70%, but it is largely unknown why. Bone is continuously mechanically loaded, which likely modulates the paracrine signaling from osteocytes towards PC cells to affect tumor behavior. We hypothesize that shear loaded osteocytes affect PC cell proliferation, invasion and epithelial and mesenchymal-related gene and protein expression. We cultured human DU145 cells, a commonly used cell line for prostate cancer metastases, in the conditioned medium (CM) from shear loaded or unloaded human osteocyte-like-cells (OCYLCs) for 1 and 3 days and assessed their number by staining nuclei with DAPI, their invasion by performing an invasion assay, and epithelial-to-mesenchymal (EMT)-related gene and protein expression by qPCR and immunocytochemistry. CM of shear loaded OCYLCs did not affect DU145 cell number compared to CM of static cultured OCYLCs, but decreased their invasion 1.34-fold. CM of shear loaded OCYLCs enhanced expression of epithelial genes: SYND1 and CDH1 after day 1, while it also enhanced CDH1 after day 3. CM of shear loaded osteocytes enhanced mesenchymal genes: VMN, Snail and MIP2 after day 1, while it decreased expression of mesenchymal CYR61 after day 3. We conclude that CM of shear loaded OCYLCs does not affect DU145 cell proliferation, but decreases their invasion, and differentially affects their EMT-related gene expression. Identifying paracrine signals from shear loaded osteocytes that decrease PC cell invasion may provide novel leads in developing treatments for bone metastases from PC