Cache memories have been usually implemented with Static Random-Access Memory (SRAM) technology since it is the fastest electronic memory technology. However, this technology consumes a high amount of leakage currents, which is a major design concern because leakage energy consumption increases as the transistor size shrinks. Alternative technologies are being considered to reduce this consumption. Among them, embedded Dynamic RAM (eDRAM) technology provides minimal area and leakage by design but reads are destructive and it is not as fast as SRAM. In this thesis, both SRAM and eDRAM technologies are mingled to take the advantatges that each of them o¿ers. First, they are combined at cell level to implement an n-bit macrocell consisting of one SRAM cell and n-1 eDRAM cells. The macrocell is used to build n-way set-associative hybrid ¿rst-level (L1) data caches having one SRAM way and n-1 eDRAM ways. A single SRAM way is enough to achieve good performance given the high data locality of L1 caches. Architectural mechanisms such as way-prediction, swaps, and scrub operations are considered to avoid unnecessary eDRAM reads, to maintain the Most Recently Used (MRU) data in the fast SRAM way, and to completely avoid refresh logic. Experimental results show that, compared to a conventional SRAM cache, leakage and area are largely reduced with a scarce impact on performance. The study of the bene¿ts of hybrid caches has been also carried out in second-level (L2) caches acting as Last-Level Caches (LLCs). In this case, the technologies are combined at bank level and the optimal ratio of SRAM and eDRAM banks that achieves the best trade-o¿ among performance, energy, and area is identi¿ed. Like in L1 caches, the MRU blocks are kept in the SRAM banks and they are accessed ¿rst to avoid unnecessary destructive reads. Nevertheless, refresh logic is not removed since data locality widely di¿ers in this cache level. Experimental results show that a hybrid LLC with an eighth of its banks built with SRAM technology is enough to achieve the best target trade-o¿. This dissertation also deals with performance of replacement policies in heterogeneous LLCs mainly focusing on the energy overhead incurred by refresh operations. In this thesis it is de¿ned a new concept, namely MRU-Tour (MRUT), that helps estimate reuse information of cache blocks. Based on this concept, it is proposed a family of MRUTbased replacement algorithms that randomly select the victim block among those having a single MRUT. These policies are enhanced to leverage recency of information for a few blocks and to adapt to changes in the working set of the benchmarks. Results show that the proposed MRUT policies, with simpler hardware complexity, outperform the Least Recently Used (LRU) policy and a set of the most representative state-of-the-art replacement policies for LLCs. Refresh operations represent an important fraction of the overall dynamic energy consumption of eDRAM LLCs. This fraction increases with the cache capacity, since more blocks have to be refreshed for a given period of time. Prior works have attacked the refresh energy taking into account inter-cell feature variations. Unlike these works, this thesis proposes a selective refresh policy based on the MRUT concept. The devised policy takes into account the number of MRUTs of a block to select whether the block is refreshed. In this way, many refreshes done in a typical distributed refresh policy are skipped (i.e., in those blocks having a single MRUT). This refresh mechanism is applied in the hybrid LLC memory. Results show that refresh energy consumption is largely reduced with respect to a conventional eDRAM cache, while the performance degradation is minimal with respect to a conventional SRAM cache. / Valero Bresó, A. (2013). Hybrid caches: design and data management [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/32663 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

[EN] SRAM technology has traditionally been used to implement processor caches since it is the fastest existing RAM technology.However,one of the major drawbacks of this technology is its high energy consumption.To reduce this energy consumption modern processors mainly use two complementary techniques: i)low-power operating modes and ii)low-power memory technologies.The first technique allows the processor working at low clock frequencies and supply voltages.The main limitation of this technique is that manufacturing defects can significantly affect the reliability of SRAM cells when working these modes.The second technique brings alternative technologies such as eDRAM, which provides minimum area and power consumption.The main drawback of this memory technology is that reads are destructive and eDRAM cells work slower than SRAM ones. This thesis presents three main contributions regarding low-power caches and heterogeneous technologies: i)an study that identifies the optimal capacitance of eDRAM cells, ii)a novel cache design that tolerates the faults produced by SRAM cells in low-power modes, iii)a methodology that allows obtain the optimal operating frequency/voltage level when working with low-power modes. Regarding the first contribution,in this work SRAM and eDRAM technologies are combined to achieve a low-power fast cache that requires smaller area than conventional designs and that tolerates SRAM failures.First,this dissertation focuses on one of the main critical aspects of the design of heterogeneous caches:eDRAM cell capacitance.In this dissertation the optimal capacitance for an heterogeneous L1 data cache is identified by analyzing the compromise between performance and energy consumption.Experimental results show that an heterogeneous cache implemented with 10fF capacitors offers similar performance as a conventional SRAM cache while providing 55% energy savings and reducing by 29% the cache area. Regarding the second contribution,this thesis proposes a novel organization for a fault-tolerant heterogeneous cache.Currently,reducing the supply voltage is a mechanism widely used to reduce consumption and applies when the system workload activity decreases.However,SRAM cells cause different types of failures when the supply voltage is reduced and thus they limit the minimum operating voltage of the microprocessor. In the proposal,memory cells implemented with eDRAM technology serve as backup in case of failure of SRAM cells, because the correct operation of eDRAM cells is not affected by reduced voltages. The proposed architecture has two working modes: high-performance mode for supply voltages that do not induce SRAM cell failures, and low-power mode for those voltages that cause SRAM cell failures. In high-performance mode, the cache provides full capacity, which enables the processor to achieve its maximum performance. In low-power mode, the effective capacity of the cache is reduced because some of the eDRAM cells are dedicated to recover from SRAM failures. Experimental results show that the performance is scarcely reduced (e.g. less than 2.7% across all the studied benchmarks) with respect to an ideal SRAM cache without failures. Finally,this thesis proposes a methodology to find the optimal frequency/voltage level regarding energy consumption for the designed heterogeneous cache. For this purpose, first SRAM failure types and their probabilities are characterized.Then,the energy consumption of different frequency/voltage levels is evaluated when the system works in low-power mode.The study shows that, mainly due to the impact of SRAM failures on performance,the optimal combination of voltage and frequency from the energy point of view does not always correspond to the minimum voltage. / [ES] La tecnología SRAM se ha utilizado tradicionalmente para implementar las memorias cache debido a que es la tecnología de memoria RAM más rápida existente.Por contra,uno de los principales inconvenientes de esta tecnología es su elevado consumo energético.Para reducirlo los procesadores modernos suelen emplear dos técnicas complementarias:i) modos de funcionamiento de bajo consumo y ii)tecnologías de bajo consumo.La primeras técnica consiste en utilizar bajas frecuencias y voltajes de funcionamiento.La principal limitación de esta técnica es que los defectos de fabricación pueden afectar notablemente a la fiabilidad de las celdas SRAM en estos modos.La segunda técnica agrupa tecnologías alternativas como la eDRAM,que ofrece área y consumo mínimos.El inconveniente de esta tecnología es que las lecturas son destructivas y es más lenta que la SRAM. Esta tesis presenta tres contribuciones principales centradas en caches de bajo consumo y tecnologías heterogéneas: i)estudio de la capacitancia óptima de las celdas eDRAM, ii)diseño de una cache tolerante a fallos producidos en las celdas SRAM en modos de bajo consumo, iii)metodología para obtener la relación óptima entre voltaje y frecuencia en procesadores con modos de bajo consumo. Respecto a la primera contribución,en este trabajo se combinan las tecnologías SRAM y eDRAM para conseguir una memoria cache rápida, de bajo consumo, área reducida, y tolerante a los fallos inherentes a la tecnología SRAM.En primer lugar,esta disertación se centra en uno de los aspectos críticos de diseño de caches heterogéneas SRAM/eDRAM: la capacitancia de los condensadores implementados con tecnología eDRAM.En esta tesis se identifica la capacitancia óptima de una cache de datos L1 heterogénea mediante el estudio del compromiso entre prestaciones y consumo energético.Los resultados experimentales muestran que condensadores de 10fF ofrecen prestaciones similares a las de una cache SRAM convencional ahorrando un 55% de consumo y reduciendo un 29% el área ocupada por la cache. Respecto a la segunda contribución,esta tesis propone una organización de cache heterogénea tolerante a fallos.Actualmente,reducir el voltaje de alimentación es un mecanismo muy utilizado para reducir el consumo en condiciones de baja carga.Sin embargo,las celdas SRAM producen distintos tipos de fallos cuando se reduce el voltaje de alimentación y por tanto limitan el voltaje mínimo de funcionamiento del microprocesador. En la cache heterogénea propuesta,las celdas de memoria implementadas con tecnología eDRAM sirven de copia de seguridad en caso de fallo de las celdas SRAM, ya que el correcto funcionamiento de las celdas eDRAM no se ve afectado por tensiones reducidas.La arquitectura propuesta consta de dos modos de funcionamiento: high-performance mode para voltajes de alimentación que no inducen fallos en celdas implementadas en tecnología SRAM, y low-power mode para aquellos que sí lo hacen. En el modo high-performance mode,el procesador dispone de toda la capacidad de la cache.En el modo low-power mode se reduce la capacidad efectiva de la cache puesto que algunas de las celdas eDRAM se dedican a la recuperación de fallos de celdas SRAM.El estudio de prestaciones realizado muestra que éstas bajan hasta un máximo de 2.7% con respecto a una cache perfecta sin fallos. Finalmente, en esta tesis se propone una metodología para encontrar la relación óptima de voltaje/frecuencia con respecto al consumo energético sobre la cache heterogénea previamente diseñada. Para ello,primero se caracterizan los tipos de fallos SRAM y las probabilidades de fallo de los mismos.Después,se evalúa el consumo energético de diferentes combinaciones de voltaje/frecuencia cuando el sistema se encuentra en un modo de bajo consumo.El estudio muestra que la combinación óptima de voltaje y frecuencia desde el punto de vista energético no siempre corresponde al mínimo voltaje debido al imp / [CA] La tecnologia SRAM s'ha utilitzat tradicionalment per a implementar les memòries cau degut a que és la tecnologia de memòria RAM més ràpida existent.Per contra, un dels principals inconvenients d'aquesta tecnologia és el seu elevat consum energètic.Per a reduir el consum els processadors moderns solen emprar dues tècniques complementàries: i)modes de funcionament de baix consum i ii)tecnologies de baix consum.La primera tècnica consisteix en utilitzar baixes freqüències i voltatges de funcionament.La principal limitació d'aquesta tècnica és que els defectes de fabricació poden afectar notablement a la fiabilitat de les cel·les SRAM en aquests modes.La segona tècnica agrupa tecnologies alternatives com la eDRAM, que ofereix àrea i consum mínims.L'inconvenient d'aquesta tecnologia és que les lectures són destructives i és més lenta que la SRAM. Aquesta tesi presenta tres contribucions principals centrades en caus de baix consum i tecnologies heterogènies: i)estudi de la capacitancia òptima de les cel·les eDRAM, ii)disseny d'una cau tolerant a fallades produïdes en les cel·les SRAM en modes de baix consum, iii)metodologia per a obtenir la relació òptima entre voltatge i freqüència en processadors amb modes de baix consum. Respecte a la primera contribució, en aquest treball es combinen les tecnologies SRAM i eDRAM per a aconseguir una memòria cau ràpida, de baix consum, àrea reduïda, i tolerant a les fallades inherents a la tecnologia SRAM.En primer lloc, aquesta dissertació se centra en un dels aspectes crítics de disseny de caus heterogènies: la capacitancia dels condensadors implementats amb tecnologia eDRAM.En aquesta dissertació s'identifica la capacitancia òptima d'una cache de dades L1 heterogènia mitjançant l'estudi del compromís entre prestacions i consum energètic.Els resultats experimentals mostren que condensadors de 10fF ofereixen prestacions similars a les d'una cau SRAM convencional estalviant un 55% de consum i reduint un 29% l'àrea ocupada per la cau. Respecte a la segona contribució, aquesta tesi proposa una organització de cau heterogènia tolerant a fallades.Actualment,reduir el voltatge d'alimentació és un mecanisme molt utilitzat per a reduir el consum en condicions de baixa càrrega.Per contra, les cel·les SRAM produeixen diferents tipus de fallades quan es redueix el voltatge d'alimentació i per tant limiten el voltatge mínim de funcionament del microprocessador. En la cau heterogènia proposta, les cel·les de memòria implementades amb tecnologia eDRAM serveixen de còpia de seguretat en cas de fallada de les cel·les SRAM, ja que el correcte funcionament de les cel·les eDRAM no es veu afectat per tensions reduïdes.L'arquitectura proposada consta de dues maneres de funcionament: high-performance mode per a voltatges d'alimentació que no indueixen fallades en cel·les implementades en tecnologia SRAM,i low-power mode per a aquells que sí ho fan.En el mode high-performance,el processador disposa de tota la capacitat de la cau.En el mode low-power es redueix la capacitat efectiva de la cau posat que algunes de les cel·les eDRAM es dediquen a la recuperació de fallades de cel·les SRAM.L'estudi de prestacions realitzat mostra que aquestes baixen fins a un màxim de 2.7% pel que fa a una cache perfecta sense fallades. Finalment,en aquesta tesi es proposa una metodologia per a trobar la relació òptima de voltatge/freqüència pel que fa al consum energètic sobre la cau heterogènia prèviament dissenyada.Per a açò,primer es caracteritzen els tipus de fallades SRAM i les probabilitats de fallada de les mateixes.Després,s'avalua el consum energètic de diferents combinacions de voltatge/freqüència quan el sistema es troba en un mode de baix consum.L'estudi mostra que la combinació òptima de voltatge i freqüència des del punt de vista energètic no sempre correspon al mínim voltatge degut a l'impacte de les fallades de SRAM en les pres / Lorente Garcés, VJ. (2015). Cache architectures based on heterogeneous technologies to deal with manufacturing errors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/58428

De plus en plus d'applications spécifiques embarquées exigent de larges blocs de mémoires statiques SRAM. En particulier il y a un besoin de mémoires inconditionnellement actives pour lesquelles la consommation d'énergie est un paramètre clé. Par exemple les réseaux sans fil hétérogènes sont caractérisés par plusieurs interfaces tournées vers des réseaux différents, donc de multiples adresses IP simultanées. Une grande quantité de mémoire est mobilisée et pose un sérieux problème de consommation d'énergie vis-à-vis de l'autonomie de système mobile. La stratégie classique d'extinction des blocs mémoire momentanément non opérationnelle ne permet qu'une réduction faible en consommation et limite les performances dynamiques du système. Il y a donc un réel besoin pour une mémoire toujours opérationnelle avec un très faible bilan énergétique. Par ailleurs les technologies CMOS avancées posent le problème de la variabilité et la conception de mémoire SRAM doit aboutir à un niveau de fiabilité très grand. La thèse discute les verrous techniques et industriels concernant la mémoire embarquée SRAM très faible consommation. Le cas de la mémoire toujours opérationnelle représente un défi pertinent. Un état de l'art balaie les architectures SRAM avec plusieurs points de vue. Une discussion à propos de la modélisation analytique statistique comme moyen de simplification de la conception en 32nm a été développée. Une cellule alternative aux 6T, 7T et 8T, laquelle est appelée 5T-Portless présente des avantages et des performances qui repose sur son fonctionnement en mode courant à l'origine de la réduction significative de la consommation dynamique ajoutée à une cellule intrinsèquement peu fruiteuse. Un démonstrateur de 64kb (1024x64b) en CMOS32nm a été réalisé, les résultats de mesure confirment l'intérêt industriel de cette mémoire. / The PhD thesis focuses on the always-on low power SRAM memories (essentially low dynamic power) in thin CMOS technology node CMOS 32nm and beyond. It reviews the state of the art of the eSRAM and describes different techniques to reduce the static and dynamic power consumption with respect the variability issue. Main techniques of power reduction are reviewed with their contributions and their limitations. It presents also a discussion about a statistical variability modeling and the variability effects on the yield. An original low power architecture based on 5T-Portless bit-cell is presented, with current mode read/write operations, as an ideal candidate for the always-on SRAM memories. A test chip implementation in CMOS 32nm of the 5T-Porless is designed and a comparison with an existing 6T SRAM memory is presented based on simulation. Some test chip functionality results and power consumption are performed. Finally the conclusion highlights the major contributions of the study and discusses the various simplification assumptions to see possible limitations. It is concluded affirmatively about industrial interest of the 5T-Portless SRAM for always-on embedded applications. Perspectives concern the analytical modeling for statistical behavior of SRAM as the Monte-Carlo approach is no more practicable. The migration of the 5T-Portless SRAM may be already considered in advanced nodes.

Les capteurs monolithiques actifs à pixels (Monolithic Active Pixel Sensors, MAPS) sont de bons candidats pour être utilisés dans des expériences en Physique des Hautes Énergies (PHE) pour la détection des particules chargées. Dans les applications en PHE, des puces MAPS sont placées dans le voisinage immédiat du point d’interaction et sont directement exposées au rayonnement intense de leur environnement. Dans cette thèse, nous avons étudié et amélioré la résistance aux radiations des MAPS. Les effets principaux de l’irradiation et le progrès de la recherche sur les MAPS sont étudiés tout d'abord. Nous avons constaté que les cœurs des SRAM IP incorporées dans la puce MAPS limitent sensiblement la tolérance aux radiations de la puce MAPS entière. Aussi, pour améliorer la radiorésistance des MAPS, trois mémoires radiorésistantes sont conçues et évaluées pour les expériences en PHE. Pour remplacer les cœurs des IP SRAM, une SRAM radiorésistante est développée sur une petite surface. Pour les procédés de plus petit taille de grille des transistors, dans lequel les effets SEU (Single Event Upset) deviennent significatifs, une SRAM radiorésistante avec une tolérance SEU accrue est réalisée à l’aide d’un algorithme de détection et de correction d'erreurs (Error Detection And Correction, EDAC) et un stockage entrelacé des bits. Afin d'obtenir une tolérance aux rayonnements et une densité de micro-circuits plus élevées, une mémoire à double accès avec une cellule à 2 transistors originale est développée et évaluée pour des puces MAPS futures. Enfin, la radiorésistance des puces MAPS avec des nouveaux procédés disponibles est étudiée, et les travaux futurs sont proposés. / Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) are good candidates to be used in High Energy Physics (HEP) experiments for charged particle detection. In the HEP applications, MAPS chips are placed very close to the interaction point and are directly exposed to harsh environmental radiation. This thesis focuses on the study and improvement of the MAPS radiation hardness. The main radiation effects and the research progress of MAPS are studied firstly. During the study, the SRAM IP cores built in MAPS are found limiting the radiation hardness of the whole MAPS chips. Consequently, in order to improve the radiation hardness of MAPS, three radiation hard memories are designed and evaluated for the HEP experiments. In order to replace the SRAM IP cores, a radiation hard SRAM is developed on a very limited area. For smaller feature size processes, in which the single event upset (SEU) effects get significant, a radiation hard SRAM with enhanced SEU tolerance is implemented by an error detection and correction algorithm and a bit-interleaving storage. In order to obtain higher radiation tolerance and higher circuitry density, a dual-port memory with an original 2-transistor cell is developed and evaluated for future MAPS chips. Finally, the radiation hardness of the MAPS chips using new available processes is studied, and the future works are prospected.

L’émergence des circuits complexes numériques, ou System-On-Chip (SOC), pose notamment la problématique de la consommation énergétique. Parmi les blocs fonctionnels significatifs à ce titre, apparaissent les mémoires et en particulier les mémoires statiques (SRAM). La maîtrise de la consommation énergétique d’une mémoire SRAM inclue la capacité à rendre la mémoire fonctionnelle sous très faible tension d’alimentation, avec un objectif agressif de 300 mV (inférieur à la tension de seuil des transistors standard CMOS). Dans ce contexte, les travaux de thèse ont concerné la proposition d’un point mémoire SRAM suffisamment performant sous très faible tension d’alimentation et pour les nœuds technologiques avancés (CMOS bulk 28nm et FDSOI 28nm). Une analyse comparative des architectures proposées dans l’état de l’art a permis d’élaborer deux points mémoire à 10 transistors avec de très faibles impacts de courant de fuite. Outre une segmentation des ports de lecture, les propositions reposent sur l’utilisation de périphéries adaptées synchrones avec notamment une solution nouvelle de réplication, un amplificateur de lecture de données en mode tension et l’utilisation d’une polarisation dynamique arrière du caisson SOI (Body Bias). Des validations expérimentales s’appuient sur des circuits en technologies avancées. Enfin, une mémoire complète de 32kb (1024x32) a été soumise à fabrication en 28 FDSOI. Ce circuit embarque une solution de test (BIST) capable de fonctionner sous 300mV d’alimentation. Après une introduction générale, le 2ème chapitre du manuscrit décrit l’état de l’art. Le chapitre 3 présente les nouveaux points mémoire. Le 4ème chapitre décrit l’amplificateur de lecture avec la solution de réplication. Le chapitre 5 présente l’architecture d’une mémoire ultra basse tension ainsi que le circuit de test embarqué. Les travaux ont donné lieu au dépôt de 4 propositions de brevet, deux conférences internationales, un article de journal international est accepté et un autre vient d’être soumis. / Emergence of large Systems-On-Chip introduces the challenge of power management. Of the various embedded blocks, static random access memories (SRAM) constitute the angrier contributors to power consumption. Scaling down the power supply is one way to act positively on power consumption. One aggressive target is to enable the operation of SRAMs at Ultra-Low-Voltage, i.e. as low as 300 mV (lower than the threshold voltage of standard CMOS transistors). The present work concerned the proposal of SRAM bitcells able to operate at ULV and for advanced technology nodes (either CMOS bulk 28 nm or FDSOI 28 nm). The benchmarking of published architectures as state-of-the-art has led to propose two flavors of 10-transitor bitcells, solving the limitations due to leakage current and parasitic power consumption. Segmented read-ports have been used along with the required synchronous peripheral circuitry including original replica assistance, a dedicated unbalanced sense amplifier for ULV operation and dynamic forward back-biasing of SOI boxes. Experimental test chips are provided in previously mentioned technologies. A complete memory cut of 32 kbits (1024x32) has been designed with an embedded BIST block, able to operate at ULV. After a general introduction, the manuscript proposes the state-of-the-art in chapter two. The new 10T bitcells are presented in chapter 3. The sense amplifier along with the replica assistance is the core of chapter 4. The memory cut in FDSOI 28 nm is detailed in chapter 5. Results of the PhD have been disseminated with 4 patent proposals, 2 papers in international conferences, a first paper accepted in an international journal and a second but only submitted paper in an international journal.

L'objectif de cette thèse est d'atteindre 0,5 V haute vitesse faible puissance SRAM. Pour ce faire, les cellules SRAM de pointe, des tableaux et des architectures de bus sont examinées. Les questions difficiles sont alors précisées. Pour répondre aux exigences, une cellule de 5T d'alimentation statique de puissance boostée, combiné avec WL boosté et milieu point de détection et d'un tableau de multi divisé BL ouvert sont proposées et évaluées. Pour encore accélérer l'opération d'écriture, un tableau de 4Kb sélectivement stimulé puissance alimentation 5T cell est proposé et évalué par simulation. Nous découvrons que le point milieu de détection avec moitié VDD BL precharge est plus stable lors de lire que la VDD complet conventionnelle precharge. En outre, pour atteindre un bus robuste à grande vitesse de faible puissance 0,5-V,une architecture de bus dynamique avec un bus factice, qui se compose d'un pilote de dynamique et d'un récepteur dynamique, est proposée. Le pilote dynamique permeten particulier de grande vitesse même à 0,5 V avec overdrive porte accrue enchangeant les lignes électriques de VDD/2 en mode veille avec VDD en mode actif. Ilaccélère encore avec l'aide du bus factice cette impulsion gena pour suivre le point dedétection tension du bus pour réduire l'oscillation de l'autobus. Ensuite, unearchitecture de bus 0,5-V 28 nm FD-SOI 32 bits à l'aide de la proposition estevaluaevaluated par simulation. Il s'avère que l'architecture a un potentiel à exploiterun bus 1-pF à 50-mV swing, 1,2 GHz et un courant de veille de 1,1 µA, avec x3-5 plus rapidement et plus de deux ordre plus faible courant de veille que l'architecture statique conventionnelle. / The goal of the thesis is to achieve 0.5-V high-speed low-power SRAMs. To do so, state-of-the-art SRAM cells, arrays, and bus-architectures are reviewed. The challenging issues are then clarified as 1) reduction of the minimum operating voltage VDD (Vmin) of the cell, 2) reducing bitline (BL)-active power, and 3) achieving low-power bus architecture. To meet the requirements, a static boosted-power-supply 5T cell, combined with boosted-WL and mid-point-sensing, and an open-BL multi-divided-array are proposed and evaluated. Layout and post-layout simulation with a 28-nm fully-depleted planar-logic SOI MOSFET reveal that a 0.5-V 5T-cell 4-kb array in a 128-kb SRAM core is able to achieve x2-3 faster cycle time and x11 lower power than the counterpart 6T-cell array, suggesting a possibility of a 730-ps cycle time at 0.5 V.To further speed up the write operation, a selectively-boosted-power-supply 5T-cell 4-kb array is proposed and evaluated by simulation, showing that the 4-kb array operates at 350-ps cycle with x6 faster cycle time and x13 lower power than the 6T-cell array, while maintaining a small leakage current. We find out that the mid-point-sensing with half-VDD BL-precharging is more stable during read than the conventional full-VDD precharging. Furthermore, to achieve a 0.5-V low-power high-speed robust bus, a dynamic bus architecture with a dummy bus, which consists of a dynamic driver and a dynamic receiver, is proposed. In particular, the dynamic driver enables high speed even at 0.5 V with increased gate-over-drive by changing the power lines from VDD/2 in the standby mode to VDD in the active mode. It further speeds up with the help of the dummy bus that generates a pulse to track the bus-voltage detecting point for reducing the bus swing. Then, a 0.5-V 28-nm-FD-SOI 32-bit bus architecture using the proposal is evaluated by simulation. It turns out that the architecture has a potential to operate a 1-pF bus at about 50-mV swing, 1.2 GHz, and a standby current of 1.1 µA, with x3-5 faster and more than two-order lower standby current than the conventional static architecture. Based on the results, further challenges to 0.5-V and sub-0.5-V SRAMs are described.

No description available.

Frontend and backend wearout mechanisms are major reliability concerns for modern microprocessors. In this research, a framework which contains modules for negative bias temperature instability (NBTI), positive bias temperature instability (PBTI), hot carrier injection (HCI), gate-oxide breakdown (GOBD), backend time-dependent dielectric breakdown (BTDDB), electromigration (EM), and stress-induced voiding (SIV) is proposed to analyze the impact of each wearout mechanism on state-of-art microprocessors and to accurately estimate microprocessor lifetimes due to each wearout mechanism. Taking into account the detailed thermal profiles, electrical stress profiles and a variety of use scenarios, composed of a fraction of time in operation, a fraction of time in standby, and a fraction of time when the system is off, this work provides insight into lifetime-limiting wearout mechanisms, along with the reliability-critical microprocessor functional units for a system. This enables circuit designers to know if their designs will achieve an adequate lifetime and further make any updates in the designs to enhance reliability prior to committing the designs to manufacture.

This paper describes various approaches to hardware testing semiconductor memory. We describe the priciple of basic memory types, the way which each of them stores information and their comunication protocol. Following part deals with common failures which may occur in the memory.  The section also describes the implementation of memory model and tester designed in VHDL language. It is possible to inject some errors into memory, which are later detected by the tester. The final section shows the response of tester to various error types according to used error detection method. The paper is especially focused on failure detection by variants of march test.

[ES] La utilización de sistemas empotrados en cada vez más ámbitos de aplicación está llevando a que su diseño deba enfrentarse a mayores requisitos de rendimiento, consumo de energía y área (PPA). Asimismo, su utilización en aplicaciones críticas provoca que deban cumplir con estrictos requisitos de confiabilidad para garantizar su correcto funcionamiento durante períodos prolongados de tiempo. En particular, el uso de dispositivos lógicos programables de tipo FPGA es un gran desafío desde la perspectiva de la confiabilidad, ya que estos dispositivos son muy sensibles a la radiación. Por todo ello, la confiabilidad debe considerarse como uno de los criterios principales para la toma de decisiones a lo largo del todo flujo de diseño, que debe complementarse con diversos procesos que permitan alcanzar estrictos requisitos de confiabilidad. Primero, la evaluación de la robustez del diseño permite identificar sus puntos débiles, guiando así la definición de mecanismos de tolerancia a fallos. Segundo, la eficacia de los mecanismos definidos debe validarse experimentalmente. Tercero, la evaluación comparativa de la confiabilidad permite a los diseñadores seleccionar los componentes prediseñados (IP), las tecnologías de implementación y las herramientas de diseño (EDA) más adecuadas desde la perspectiva de la confiabilidad. Por último, la exploración del espacio de diseño (DSE) permite configurar de manera óptima los componentes y las herramientas seleccionados, mejorando así la confiabilidad y las métricas PPA de la implementación resultante. Todos los procesos anteriormente mencionados se basan en técnicas de inyección de fallos para evaluar la robustez del sistema diseñado. A pesar de que existe una amplia variedad de técnicas de inyección de fallos, varias problemas aún deben abordarse para cubrir las necesidades planteadas en el flujo de diseño. Aquellas soluciones basadas en simulación (SBFI) deben adaptarse a los modelos de nivel de implementación, teniendo en cuenta la arquitectura de los diversos componentes de la tecnología utilizada. Las técnicas de inyección de fallos basadas en FPGAs (FFI) deben abordar problemas relacionados con la granularidad del análisis para poder localizar los puntos débiles del diseño. Otro desafío es la reducción del coste temporal de los experimentos de inyección de fallos. Debido a la alta complejidad de los diseños actuales, el tiempo experimental dedicado a la evaluación de la confiabilidad puede ser excesivo incluso en aquellos escenarios más simples, mientras que puede ser inviable en aquellos procesos relacionados con la evaluación de múltiples configuraciones alternativas del diseño. Por último, estos procesos orientados a la confiabilidad carecen de un soporte instrumental que permita cubrir el flujo de diseño con toda su variedad de lenguajes de descripción de hardware, tecnologías de implementación y herramientas de diseño. Esta tesis aborda los retos anteriormente mencionados con el fin de integrar, de manera eficaz, estos procesos orientados a la confiabilidad en el flujo de diseño. Primeramente, se proponen nuevos métodos de inyección de fallos que permiten una evaluación de la confiabilidad, precisa y detallada, en diferentes niveles del flujo de diseño. Segundo, se definen nuevas técnicas para la aceleración de los experimentos de inyección que mejoran su coste temporal. Tercero, se define dos estrategias DSE que permiten configurar de manera óptima (desde la perspectiva de la confiabilidad) los componentes IP y las herramientas EDA, con un coste experimental mínimo. Cuarto, se propone un kit de herramientas que automatiza e incorpora con eficacia los procesos orientados a la confiabilidad en el flujo de diseño semicustom. Finalmente, se demuestra la utilidad y eficacia de las propuestas mediante un caso de estudio en el que se implementan tres procesadores empotrados en un FPGA de Xilinx serie 7. / [CA] La utilització de sistemes encastats en cada vegada més àmbits d'aplicació està portant al fet que el seu disseny haja d'enfrontar-se a majors requisits de rendiment, consum d'energia i àrea (PPA). Així mateix, la seua utilització en aplicacions crítiques provoca que hagen de complir amb estrictes requisits de confiabilitat per a garantir el seu correcte funcionament durant períodes prolongats de temps. En particular, l'ús de dispositius lògics programables de tipus FPGA és un gran desafiament des de la perspectiva de la confiabilitat, ja que aquests dispositius són molt sensibles a la radiació. Per tot això, la confiabilitat ha de considerar-se com un dels criteris principals per a la presa de decisions al llarg del tot flux de disseny, que ha de complementar-se amb diversos processos que permeten aconseguir estrictes requisits de confiabilitat. Primer, l'avaluació de la robustesa del disseny permet identificar els seus punts febles, guiant així la definició de mecanismes de tolerància a fallades. Segon, l'eficàcia dels mecanismes definits ha de validar-se experimentalment. Tercer, l'avaluació comparativa de la confiabilitat permet als dissenyadors seleccionar els components predissenyats (IP), les tecnologies d'implementació i les eines de disseny (EDA) més adequades des de la perspectiva de la confiabilitat. Finalment, l'exploració de l'espai de disseny (DSE) permet configurar de manera òptima els components i les eines seleccionats, millorant així la confiabilitat i les mètriques PPA de la implementació resultant. Tots els processos anteriorment esmentats es basen en tècniques d'injecció de fallades per a poder avaluar la robustesa del sistema dissenyat. A pesar que existeix una àmplia varietat de tècniques d'injecció de fallades, diverses problemes encara han d'abordar-se per a cobrir les necessitats plantejades en el flux de disseny. Aquelles solucions basades en simulació (SBFI) han d'adaptar-se als models de nivell d'implementació, tenint en compte l'arquitectura dels diversos components de la tecnologia utilitzada. Les tècniques d'injecció de fallades basades en FPGAs (FFI) han d'abordar problemes relacionats amb la granularitat de l'anàlisi per a poder localitzar els punts febles del disseny. Un altre desafiament és la reducció del cost temporal dels experiments d'injecció de fallades. A causa de l'alta complexitat dels dissenys actuals, el temps experimental dedicat a l'avaluació de la confiabilitat pot ser excessiu fins i tot en aquells escenaris més simples, mentre que pot ser inviable en aquells processos relacionats amb l'avaluació de múltiples configuracions alternatives del disseny. Finalment, aquests processos orientats a la confiabilitat manquen d'un suport instrumental que permeta cobrir el flux de disseny amb tota la seua varietat de llenguatges de descripció de maquinari, tecnologies d'implementació i eines de disseny. Aquesta tesi aborda els reptes anteriorment esmentats amb la finalitat d'integrar, de manera eficaç, aquests processos orientats a la confiabilitat en el flux de disseny. Primerament, es proposen nous mètodes d'injecció de fallades que permeten una avaluació de la confiabilitat, precisa i detallada, en diferents nivells del flux de disseny. Segon, es defineixen noves tècniques per a l'acceleració dels experiments d'injecció que milloren el seu cost temporal. Tercer, es defineix dues estratègies DSE que permeten configurar de manera òptima (des de la perspectiva de la confiabilitat) els components IP i les eines EDA, amb un cost experimental mínim. Quart, es proposa un kit d'eines (DAVOS) que automatitza i incorpora amb eficàcia els processos orientats a la confiabilitat en el flux de disseny semicustom. Finalment, es demostra la utilitat i eficàcia de les propostes mitjançant un cas d'estudi en el qual s'implementen tres processadors encastats en un FPGA de Xilinx serie 7. / [EN] Embedded systems are steadily extending their application areas, dealing with increasing requirements in performance, power consumption, and area (PPA). Whenever embedded systems are used in safety-critical applications, they must also meet rigorous dependability requirements to guarantee their correct operation during an extended period of time. Meeting these requirements is especially challenging for those systems that are based on Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), since they are very susceptible to Single Event Upsets. This leads to increased dependability threats, especially in harsh environments. In such a way, dependability should be considered as one of the primary criteria for decision making throughout the whole design flow, which should be complemented by several dependability-driven processes. First, dependability assessment quantifies the robustness of hardware designs against faults and identifies their weak points. Second, dependability-driven verification ensures the correctness and efficiency of fault mitigation mechanisms. Third, dependability benchmarking allows designers to select (from a dependability perspective) the most suitable IP cores, implementation technologies, and electronic design automation (EDA) tools. Finally, dependability-aware design space exploration (DSE) allows to optimally configure the selected IP cores and EDA tools to improve as much as possible the dependability and PPA features of resulting implementations. The aforementioned processes rely on fault injection testing to quantify the robustness of the designed systems. Despite nowadays there exists a wide variety of fault injection solutions, several important problems still should be addressed to better cover the needs of a dependability-driven design flow. In particular, simulation-based fault injection (SBFI) should be adapted to implementation-level HDL models to take into account the architecture of diverse logic primitives, while keeping the injection procedures generic and low-intrusive. Likewise, the granularity of FPGA-based fault injection (FFI) should be refined to the enable accurate identification of weak points in FPGA-based designs. Another important challenge, that dependability-driven processes face in practice, is the reduction of SBFI and FFI experimental effort. The high complexity of modern designs raises the experimental effort beyond the available time budgets, even in simple dependability assessment scenarios, and it becomes prohibitive in presence of alternative design configurations. Finally, dependability-driven processes lack an instrumental support covering the semicustom design flow in all its variety of description languages, implementation technologies, and EDA tools. Existing fault injection tools only partially cover the individual stages of the design flow, being usually specific to a particular design representation level and implementation technology. This work addresses the aforementioned challenges by efficiently integrating dependability-driven processes into the design flow. First, it proposes new SBFI and FFI approaches that enable an accurate and detailed dependability assessment at different levels of the design flow. Second, it improves the performance of dependability-driven processes by defining new techniques for accelerating SBFI and FFI experiments. Third, it defines two DSE strategies that enable the optimal dependability-aware tuning of IP cores and EDA tools, while reducing as much as possible the robustness evaluation effort. Fourth, it proposes a new toolkit (DAVOS) that automates and seamlessly integrates the aforementioned dependability-driven processes into the semicustom design flow. Finally, it illustrates the usefulness and efficiency of these proposals through a case study consisting of three soft-core embedded processors implemented on a Xilinx 7-series SoC FPGA. / Tuzov, I. (2020). Dependability-driven Strategies to Improve the Design and Verification of Safety-Critical HDL-based Embedded Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159883