Circuit-level approaches to mitigate the process variability and soft errors in finFET logic cells - Zimpeck, Alexandra Lackmann (2019)
A variabilidade de processo e a resistência a radiação são requisitos de confiabilidade relevantes à medida que a fabricação de chips avança mais a fundo no regime nanométrico. A perda de rendimento paramétrico e as falhas críticas no comportamento do sistema são as principais consequências destes problemas. Alguns trabalhos relacionados exploram a influência da variabilidade de processo e dos eventos transientes únicos (SET) nos circuitos projetados nas tecnologias FinFET, mas existe uma ausência de abordagens para mitigar eles. Por estas razões, do ponto de vista de projeto, esforços consideráveis devem ser feitos para entender e reduzir os impactos introduzidos pelos desafios de confiabilidade. Dessa forma, as principais contribuições desta tese de doutorado são: 1) investigar o comportamento de células lógicas FinFET sob variações de processo e efeitos de radiação; 2) avaliar quatro abordagens em nível de circuito para atenuar o impacto causado por flutuações na função trabalho (WFF) and soft errors (SE); 3) fornecer uma comparação global entre todas as técnicas aplicadas neste trabalho; 4) Traçar um balanceamento entre os ganhos e as penalidades de cada abordagem em relação ao desempenho, potência, área, seção transversal SET e largura de pulso SET. Reordenamento de transistores, e o uso de decoupling cells, Schmitt Triggers e sleep transistors são as quatro técnicas de mitigação em nível de circuito exploradas neste trabalho. O potencial de cada uma delas para tornar as células lógicas mais robustas à variabilidade de processo e aos soft errors induzidos pela radiação são avaliados comparando os resultados da versão padrão com o projeto usando cada uma das técnicas. Esta tese também estabelece a tendência de mitigação quando diferentes níveis de variação, dimensionamento de transistores e características das partículas de radiação, tais como a transferência linear de energia (LET), são aplicados no projeto com estas técnicas. A variabilidade de processo é avaliada através de simulações Monte Carlo (MC) com a WFF modelada como uma função Gaussiana usando simulações SPICE enquanto a susceptibilidade à SE é estimada usando a ferramenta gerado de eventos de radiação MUSCA SEP3 (desenvolvida na ONERA) também baseada em um método MC que lida com as características do ambiente de radiação, os recursos de leiaute e as propriedades elétricas dos dispositivos. De modo geral, as técnicas propostas melhoram o estado da arte, fornecendo opções à nível de circuito para reduzir os efeitos da variabilidade de processo e a susceptibilidade à SE, com menos penalidades e complexidade de projeto. A técnica de reordenamento de transistores pode aumentar a robustez das células lógicas sob variação de processo até 8%, mas este método não é favorável para a mitigação de SE. A inserção de decoupling cells mostra resultados interessantes para o controle da variabilidade de potência com níveis de variação acima de 4%, e esta técnica pode atenuar até 10% a variabilidade de atraso considerando um processo de manufatura com 3% de WFF. Dependendo do LET, o projeto com decoupling cells pode diminuir até 10% a susceptibilidade à SE das células lógicas. O uso de Schmitt Triggers na saída das células FinFET podem melhorar a sensibilidade à variabilidade até 50%. A abordagem com sleep transistors melhora a variabilidade de potência em torno de 12% para 5% de WFF, mas as vantagens desse método para o atraso dependem de como os transistores estão posicionados em relação ao sleep transistor na rede pulldown. A adição de um sleep transistor torna todas as células lógicas estudadas livre de falhas mesmo no regime quase limiar. Neste contexto, a melhor abordagem para mitigar a variabilidade de processo é o uso de Schmitt Triggers, bem como a técnica de sleep transistor é a mais eficiente para a mitigação de SE. No entanto, a técnica de Schmitt Triggers apresenta as maiores penalidades de área, desempenho e potência. Sendo assim, dependendo da aplicação, a técnica de sleep transistors pode ser a mais apropriada para mitigar os efeitos da variabilidade de processo.