Les contraintes imposées par la roadmap technologique nanométrique imposent aux fabricants de microélectronique une réduction de la variabilité de fabrication mais également de durcissement vis-à-vis des erreurs logiques induits par l’environnement radiatif naturel afin d’assurer un haut niveau de fiabilité. Certains travaux ont mis en évidence l'influence de la variabilité de fabrication et SET sur les circuits basés sur les technologies FinFET. Cependant jusqu’à lors, aucune approche pour les atténuer n’ont pu être présenté pour les technologies FinFET. Pour ces raisons, du point de vue de la conception, des efforts considérables doivent être déployés pour comprendre et réduire les impacts générés par ces deux problématiques de fiabilité. Dans ce contexte, les contributions principales de cette thèse sont: 1) étudier le comportement des cellules logiques FinFET en fonction des variations de fabrication et des effets de rayonnement; 2) évaluer quatre approches des durcissement au niveau du circuit afin de limiter les effets de variabilité (work-function fluctuation, WFF) de fabrication et des soft errors (SE); 3) fournir une comparaison entre toutes les techniques appliquées dans ce travail; 4) proposer le meilleur compromis entre performance, consommation, surface, et sensibilité aux corruptions de données et erreurs transitoires. Transistor reordering, decoupling cells, Schmitt Trigger, et sleep transistor sont quatre techniques prometteuses d’optimisation au niveau de circuit, explorées dans ce travail. Le potentiel de chacune d'elles pour rendre les cellules logiques plus robustes vis-à-vis variabilité de fabrication et de SE a été évalué. Cette thèse propose également une estimation des tendances comportementales en fonction du niveau de variabilité, des dimensionnements des transistors et des caractéristiques énergétique de particule ionisante comme transfert d'énergie linéaire. Lors de cette thèse, la variabilité de fabrication a été évaluée par des simulations Monte Carlo (MC) avec une WFF modélisé par une fonction Gaussienne utilisant le SPICE. La susceptibilité SE a été estimée à partir de d’outil de génération MC de radiations, MUSCA SEP3. Cet outil est basé sur des calculs MC afin de rendre compte des caractéristiques de l’environnement radiatif du design et des paramètres électriques des composants analysés. Les approches proposées par cette thèse améliorent l'état-de-l'art actuel en fournissant des options d’optimisation au niveau du circuit pour réduire les effets de variabilité de fabrication et la susceptibilité aux SE. La Transistor reordering peut augmenter la robustesse des cellules logiques pour une variabilité allant jusqu’à 8%, cependant cette approche n’est pas idéale pour la mitigation des SE. L’utilisation de decoupling cells permet de meilleurs résultats pour le contrôle de la variabilité de consommation avec des niveaux de variation supérieurs à 4%, et atténuant jusqu'à 10% la variabilité du délai pour la variabilité de fabrication de 3% de la WFF. D’un point de vue SE, cette technique permet une diminution de 10% de la sensibilité des cellules logiques étudiées. L’utilisation de structure Schmitt Triggers en sortie de cellule logique permet une amélioration allant jusqu’à 5% de la sensibilité à la variabilité de fabrication. Enfin, l’utilisation de sleep transistors améliore la variabilité de fabrication d'environ 12% pour 5% de WFF. La variabilité du délai dépend de la manière dont les transistors sont disposés au circuit. Cette méthode permet une immunité totale de la cellule logique y compris en régime near-threshold. En résumé, la meilleure approche de mitigation de la variabilité de fabrication semble être l’utilisation de structure Schmitt Triggers alors que l’utilisation de sleep transistors est le plus adapté pour l’optimisation de SE. Ainsi, selon les applications et contraintes, la méthode de durcissement par sleep transistors semble proposer le meilleur compromis. / Process variability mitigation and radiation hardness are relevant reliability requirements as chip manufacturing advances more in-depth into the nanometer regime. The parameter yield loss and critical failures on system behavior are the major consequences of these issues. Some related works explore the influence of process variability and single event transients (SET) on the circuits based on FinFET technologies, but there is a lack of approaches to mitigate them. For these reasons, from a design standpoint, considerable efforts should be made to understand and reduce the impacts introduced by reliability challenges. In this regard, the main contributions of this PhD thesis are to: 1) investigate the behavior of FinFET logic cells under process variations and radiation effects; 2) evaluate four circuit-level approaches to attenuate the impact caused by work-function fluctuations (WFF) and soft errors (SE); 3) provide an overall comparison between all techniques applied in this work; 4) trace a trade-off between the gains and penalties of each approach regarding performance, power, area, SET cross-section, and SET pulse width. Transistor reordering, decoupling cells, Schmitt Triggers, and sleep transistors are the four circuit-level mitigation techniques explored in this work. The potential of each one to make the logic cells more robust to the process variability and radiation-induced soft errors are assessed comparing the standard version results with the design using each approach. This PhD thesis also establishes the mitigation tendency when different levels of variation, transistor sizing, and radiation particles characteristics such as linear energy transfer (LET) are applied in the design with these techniques.The process variability is evaluated through Monte Carlo (MC) simulations with the WFF modeled as a Gaussian function using SPICE simulation while the SE susceptibility is estimated using the radiation event generator tool MUSCA SEP3 (developed at ONERA) also based on a MC method that deals both with radiation environment characteristics, layout features and the electrical properties of devices. In general, the proposed approaches improve the state-of-the-art by providing circuit-level options to reduce the process variability effects and SE susceptibility, at fewer penalties and design complexity. The transistor reordering technique can increase the robustness of logic cells under process variations up to 8%, but this method is not favorable for SE mitigation. The insertion of decoupling cells shows interesting outcomes for power variability control with levels of variation above 4%, and it can attenuate until 10% the delay variability considering manufacturing process with 3% of WFF. Depending on the LET, the design with decoupling cells can decrease until 10% of SE susceptibility of logic cells. The use of Schmitt Triggers in the output of FinFET cells can improve the variability sensitivity by up to 50%. The sleep transistor approach improves the power variability reaching around 12% for WFF of 5%, but the advantages of this method to delay variability depends how the transistors are arranged with the sleep transistor in the pull-down network. The addition of a sleep transistor become all logic cells studied free of faults even at the near-threshold regime. In this way, the best approach to mitigate the process variability is the use of Schmitt Triggers, as well as the sleep transistor technique is the most efficient for the SE mitigation. However, the Schmitt Trigger technique presents the highest penalties in area, performance, and power. Therefore, depending on the application, the sleep transistor technique can be the most appropriate to mitigate the process variability effects.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2019ESAE0026 |
| Date | 24 September 2019 |
| Creators | Lackmann-Zimpeck, Alexandra |
| Contributors | Toulouse, ISAE, Universidade Federal do Rio Grande do Sul (Porto Alegre, Brésil), Artola, Laurent, Reis, Ricardo |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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