Memristors : a journey from material engineering to beyond Von-Neumann computing

Memristors are a promising building block to the next generation of computing systems. Since 2008, when the physical implementation of a memristor was first postulated, the scientific community has shown a growing interest in this emerging technology. Thus, many other memristive devices have been studied, exploring a large variety of materials and properties. Furthermore, in order to support the design of prac-tical applications, models in different abstract levels have been developed. In fact, a substantial effort has been devoted to the development of memristive based applications, which includes high-density nonvolatile memories, digital and analog circuits, as well as bio-inspired computing. In this context, this paper presents a survey, in hopes of summarizing the highlights of the literature in the last decade

Impacto de falhas transientes em memórias SRAM em nanotecnologia

Esse trabalho avalia o impacto de falhas transientes induzidos por radiação em cinco topologias de células SRAM: 6T, 8T, 9T, 8T-SER e DICE. A análise explora as características temporais, de dissipação de potência e o limiar de LET durante a operação de armazenamento. As células de memória foram descritas utilizando o modelo preditivo na tecnologia de 16nm. Os resultados mostram o melhor desempenho da célula DICE como a opção mais robusta quanto aos efeitos de radiação. A célula 8T-SER obteve a melhor estabilidade considerando a tolerância ao ruído. Também são apresentados os ganhos na utilização da célula 8T em relação a 6T quando consideradas as métricas de atraso e consumo energético

Técnicas de projeto considerando envelhecimento e estimativa da degradação em portas lógicas CMOS

O advento da utilização de circuitos integrados pela sociedade se deu por dois motivos. O primeiro consiste na miniaturização das dimensões dos dispositivos integrados. Essa miniaturização permitiu a construção de dispositivos menores, mais rápidos e que consomem menos frequência. O outro fator é a utilização da metodologia baseada em biblioteca de células. Esta metodologia permite o projeto de um circuito eficiente em um curto espaço de tempo. Com a redução dos dispositivos, novos fatores que eram desconsiderados no fluxo automático passaram a ter importância. Dentre eles podemos citar o consumo estático, a variabilidade, a manufaturabilidade e o envelhecimento. Alguns desses fatores, como o consumo estático e a variabilidade, já estão integrados à metodologia baseada em biblioteca de células. Os efeitos de envelhecimento tem sua degradação aumentada a cada novo processo tecnológico, assim como tem aumentado também a sua importância em relação à confiabilidade do circuito ao longo da sua vida útil. Este trabalho irá explorar estes efeitos de envelhecimento no projeto de circuitos integrados digitais. Dentre as principais contribuições pode-se destacar a definição de um custo de envelhecimento na definição de portas lógicas, que pode ser explorado pelos algoritmos de síntese lógica para obterem um circuito mais confiável. Este custo também pode ser utilizado pelas ferramentas de análise a fim de obter uma estimativa da degradação que o circuito proposto irá sofrer ao longo da sua vida útil. Além disso, é apresentada uma proposta de reordenamento estrutural do arranjo de transistores em portas lógicas, a fim de tratar os efeitos de envelhecimento nos níveis mais iniciais do fluxo. Por fim, uma análise simplificada de características a serem exploradas ao nível de circuito é discutida utilizando o auxílio do projeto de portas lógicas complexas. Os resultados apresentam uma boa e rápida estimativa da degradação das portas lógicas. A reestruturação do arranjo dos transistores tem se apresentado como uma boa alternativa ao projeto de circuitos mais confiáveis. Além disso, a utilização de arranjos mais complexos também é uma excelente alternativa que explora a robustez intrínseca da associação de transistores em série. Além disso, as alternativas propostas podem ser utilizadas em conjunto com técnicas já existentes na literatura.The increased presence of integrated circuit (IC) in the people’s life has occurred for main two reasons. The first is the aggressive scaling of integrated device dimensions. This miniaturization enabled the construction of smaller, faster and lower power consumption devices. The other factor is the use of a cell based methodology in IC design. This methodology is able to provide efficient circuits in a short time. With the devices scaling, new factors that were usually ignored in micrometer technologies have become relevant in nanometer designs. Among them, it can be mentioned the static consumption, process parameters variability, manufacturability and aging effects. Some of these factors, such as static consumption and variability, are already taken into account by the standard cell design methodology. On the other hand, the degradation caused by aging effects has increased at each new technology node, as well as the importance in relation to the circuit reliability throughout its entire lifetime has also increased. This thesis explores such aging effects in the design of digital IC. The main contributions can be highlighted as the definition of a cost of aging that can be exploited by logic synthesis algorithms to produce a more reliable circuit. This cost can be also used by the analysis tools in order to obtain an estimative of the degradation that specific circuit experiences throughout their lifetime. In addition, a proposal to reorder the transistor structural arrangement of logic gates is presented in order to treat the effects of aging on initial steps in the design flow. Finally, a simplified analysis of the characteristics to be exploited at circuit level is performed exploring details of the design of complex logic gates. The aging cost results have given a good and fast prediction of logic gates degradation. The transistor arrangement restructuring approach is a good alternative to design more reliable circuits. Furthermore, the use of complex arrangements is also an excellent alternative which exploits the intrinsic robustness of series transistors association. Moreover, the discussed approaches can be easily used together with existing techniques in the literature to achieve better results

Modelagem de corrente de fugas em portas lógicas CMOS submicrométricas

Para manter o desempenho a uma tensão de alimentação reduzida, a tensão de threshold e as dimensões dos transistores têm sido reduzidas por décadas. A miniaturização do transistor para tecnologias sub-100nm resulta em um expressivo incremento nas correntes de fuga, tornando-as parte significativa da potencia total, alcançando em muitos casos 30-50% de toda a potencia dissipada em condições normais de operação. Por estas condições, correntes estáticas em células CMOS representam um importante desafio em tecnologias nanométricas, tornando-se um fator crítico no design de circuitos de baixa potência. Isto significa que dissipação de potência estática deve ser considerada o quanto antes no fluxo de projetos de circuitos integrados. Esta tese revisa os principais mecanismos de fuga e algumas técnicas de redução. Também é apresentado um modelo de estimativa rápida da corrente de subthreshold em células lógicas CMOS série - paralelo. Este método é baseado em associações de condutividade elétrica série – paralelo de transistores. Ao combinar com o modelo de estimativa da corrente de fuga de gate baseada nas condições estáticas dos transistores é possível fornecer uma melhor predição da corrente de fuga total em redes de transistores. O modelo de estimativa anterior é rápido porem seu foco não esta na precisão. Um novo e preciso modelo para corrente de fuga de subthreshold e de gate é também apresentado baseado em modelos analíticos simplificados das correntes de fuga. Ao contrario do modelo anterior que era destinado a redes de transistores serie – paralelo, o novo método avalia as correntes de fuga em rede de transistores complexas. A presença de transistores conduzindo em redes de transistores não conduzindo, ignorados em trabalhos anteriores, é também avaliado no trabalho proposto. O novo modelo de corrente de fuga foi validado através de simulações elétricas, considerando processos CMOS 130nm e 90nm, com boa correlação dos resultados, demonstrando a precisão do modelo.To maintain performance at reduced power supply voltage, transistor threshold voltages and dimensions have been scaled down for decades. Scaling transistor into the sub-100nm technologies has resulted in a dramatic increase in leakage currents, which have become a significant portion of the total power consumption in scaled technologies, in many case achieving 30-50% of the overall power consumption under nominal operating conditions. For this condition, standby currents in CMOS logic gates represent an important challenge in nanometer technologies, leakage dissipation being a critical factor in low-power design. It means the static power dissipation should be considered as soon as possible in the integrated circuit design flow. This thesis reviews the major leakage current mechanisms and several reduction techniques. It presents the development of a straightforward method for very fast estimation of subthreshold current in CMOS series-parallel logic gates. This estimation method is based on electrical conductivity association of series-parallel transistor arrangements. Combined with a gate oxide leakage model based on transistor bias condition, it is possible to provide a better prediction of total leakage consumption in transistor networks. The previous estimation method is fast but it is not focused on accuracy. A new accurate subthreshold and gate leakage current estimation method is also developed based on simplified analytical leakage currents models. Instead of previous works focused on series-parallel device arrangements, this method evaluates the leakage in general transistor networks. The presence of on-switches in off-networks, ignored by previous works, is also considered in the proposed static current analysis. The new leakage model has been validated through electrical simulations, taking into account a 130nm and 90nm CMOS technology, with good correlation of the results, demonstrating the model accuracy

Técnicas de projeto considerando envelhecimento e estimativa da degradação em portas lógicas CMOS

O advento da utilização de circuitos integrados pela sociedade se deu por dois motivos. O primeiro consiste na miniaturização das dimensões dos dispositivos integrados. Essa miniaturização permitiu a construção de dispositivos menores, mais rápidos e que consomem menos frequência. O outro fator é a utilização da metodologia baseada em biblioteca de células. Esta metodologia permite o projeto de um circuito eficiente em um curto espaço de tempo. Com a redução dos dispositivos, novos fatores que eram desconsiderados no fluxo automático passaram a ter importância. Dentre eles podemos citar o consumo estático, a variabilidade, a manufaturabilidade e o envelhecimento. Alguns desses fatores, como o consumo estático e a variabilidade, já estão integrados à metodologia baseada em biblioteca de células. Os efeitos de envelhecimento tem sua degradação aumentada a cada novo processo tecnológico, assim como tem aumentado também a sua importância em relação à confiabilidade do circuito ao longo da sua vida útil. Este trabalho irá explorar estes efeitos de envelhecimento no projeto de circuitos integrados digitais. Dentre as principais contribuições pode-se destacar a definição de um custo de envelhecimento na definição de portas lógicas, que pode ser explorado pelos algoritmos de síntese lógica para obterem um circuito mais confiável. Este custo também pode ser utilizado pelas ferramentas de análise a fim de obter uma estimativa da degradação que o circuito proposto irá sofrer ao longo da sua vida útil. Além disso, é apresentada uma proposta de reordenamento estrutural do arranjo de transistores em portas lógicas, a fim de tratar os efeitos de envelhecimento nos níveis mais iniciais do fluxo. Por fim, uma análise simplificada de características a serem exploradas ao nível de circuito é discutida utilizando o auxílio do projeto de portas lógicas complexas. Os resultados apresentam uma boa e rápida estimativa da degradação das portas lógicas. A reestruturação do arranjo dos transistores tem se apresentado como uma boa alternativa ao projeto de circuitos mais confiáveis. Além disso, a utilização de arranjos mais complexos também é uma excelente alternativa que explora a robustez intrínseca da associação de transistores em série. Além disso, as alternativas propostas podem ser utilizadas em conjunto com técnicas já existentes na literatura.The increased presence of integrated circuit (IC) in the people’s life has occurred for main two reasons. The first is the aggressive scaling of integrated device dimensions. This miniaturization enabled the construction of smaller, faster and lower power consumption devices. The other factor is the use of a cell based methodology in IC design. This methodology is able to provide efficient circuits in a short time. With the devices scaling, new factors that were usually ignored in micrometer technologies have become relevant in nanometer designs. Among them, it can be mentioned the static consumption, process parameters variability, manufacturability and aging effects. Some of these factors, such as static consumption and variability, are already taken into account by the standard cell design methodology. On the other hand, the degradation caused by aging effects has increased at each new technology node, as well as the importance in relation to the circuit reliability throughout its entire lifetime has also increased. This thesis explores such aging effects in the design of digital IC. The main contributions can be highlighted as the definition of a cost of aging that can be exploited by logic synthesis algorithms to produce a more reliable circuit. This cost can be also used by the analysis tools in order to obtain an estimative of the degradation that specific circuit experiences throughout their lifetime. In addition, a proposal to reorder the transistor structural arrangement of logic gates is presented in order to treat the effects of aging on initial steps in the design flow. Finally, a simplified analysis of the characteristics to be exploited at circuit level is performed exploring details of the design of complex logic gates. The aging cost results have given a good and fast prediction of logic gates degradation. The transistor arrangement restructuring approach is a good alternative to design more reliable circuits. Furthermore, the use of complex arrangements is also an excellent alternative which exploits the intrinsic robustness of series transistors association. Moreover, the discussed approaches can be easily used together with existing techniques in the literature to achieve better results

Análise do comportamento de portas lógicas CMOS com falhas stuck-on em nanotecnologias

Os avanços tecnológicos em circuitos integrados tem como foco principal a redução da dimensão dos transistores. No entanto, esta redução traz consequências indesejáveis, como o possível aumento no número de falhas. Neste contexto, este trabalho tem por objetivo analisar o comportamento de um tipo de falha permanente que ocorre em transistores MOS chamada de Stuck-On. Esta falha se caracteriza por manter um transistor sempre conduzindo, e sua principal característica para detecção é que o consumo de potência de um circuito tende a ser muito maior. Em nanotecnologias, a potência total sofre ainda com o aumento do consumo estático das novas tecnologias. Isso torna relevante avaliar o comportamento de portas lógicas em tecnologias nanométricas na presença de falhas Stuck-On. Para isso, foi adotado um conjunto de portas lógicas em tecnologia CMOS, injetando falhas únicas Stuck-On nos circuitos e avaliando os efeitos da falha no consumo de potência. Além disso, este trabalho investiga o impacto de inserir técnicas de tolerância a falhas para que o circuito continue em funcionamento correto mesmo na presença de falhas. Foi adotada a técnica de TMR nas portas lógicas avaliadas, comprovando a tolerância a falhas individuais e demonstrando o impacto nas características de potência, desempenho e área

Impacto de falhas transientes em memórias SRAM em nanotecnologia

Esse trabalho avalia o impacto de falhas transientes induzidos por radiação em cinco topologias de células SRAM: 6T, 8T, 9T, 8T-SER e DICE. A análise explora as características temporais, de dissipação de potência e o limiar de LET durante a operação de armazenamento. As células de memória foram descritas utilizando o modelo preditivo na tecnologia de 16nm. Os resultados mostram o melhor desempenho da célula DICE como a opção mais robusta quanto aos efeitos de radiação. A célula 8T-SER obteve a melhor estabilidade considerando a tolerância ao ruído. Também são apresentados os ganhos na utilização da célula 8T em relação a 6T quando consideradas as métricas de atraso e consumo energético