Software simulation of temperature distribution & device degradation of integrated circuits

Abstract

Advances in the modern semiconductor industry give rise to various reliability aspects of electronic design. On the one hand, device behaviour is dominated by stochastic phenomena that may vary even between the devices of the same technology. A timely example of such mechanisms is Bias Temperature Instability (BTI) and Random Telegraph Noise (RTN). On the other hand, the inevitable increase of functional block density in modern integrated circuits makes the temperature distribution a serious design constraint. As a result, fast, yet accurate thermal profiling is of vital importance both at design time and at runtime. The first part of the current work deals with the time and workload dependent device variability of modern downscaled technologies. BTI and RTN are incorporated in circuit simulations of larger circuits, the parametric reliability of which is of major importance. There is a fundamental differentiation from the state of the art, since the atomistic approach towards BTI and RTN allows the observation of detailed workload dependency in the simulation results. This concept is materialized in a fully functional simulation framework of a 32 bit SRAM partition. Based on a real memory architecture, the workload of such a structure was extracted by realistic a realistic application and simulated on the circuit under test. Performance metrics of the circuit, were monitored during the simulation of different workloads. Each different workload, or RunTime Situation (RTS), is instantiated by a cumulative delay metric and a leakage energy value. This concept enables the clustering of RTSs into workload scenarios. The second part of the current work deals with the numerical acceleration of the publicly available thermal simulator HotSpot-5.0. An extensive profiling of its source code, revealed a CPU intensive iterative method for the extraction of the transient solution. This method was replaced with a simplified equivalent that achieved the intended acceleration, without imposing any accuracy degradation. The accelerated version of the tool was successfully incorporated to a broader tool that performs hierarchical thermal profiling of Muli-Processor System-on-Chip (MPSoC) floorplans. That way, the application spectrum of such thermal analysis tools is significantly broadened.

Η πρόοδος που παρατηρείται στην σύγχρονη βιομηχανία ημιαγωγών, αναδεικνύει διάφορες πτυχές αξιοπιστίας στην σχεδίαση ηλεκτρονικών. Από την μία πλευρά, η συμπεριφορά των τρανζίστορ χαρακτηρίζεται από στοχαστικά φαινόμενα τα οποία ποικίλουν σε συμπεριφορά ακόμα και μεταξύ τρανζίστορς της ίδιας τεχνολογίας. Χαρακτηριστικά παραδείγματα τέτοιων φαινομένων είναι η Θερμοκρασιακή Αστάθεια Πόλωσης (Bias Temperature Instability - BTI) και ο Τυχαίος Θόρυβος (Random Telegraph Noise - RTN). Από την άλλη πλευρά, η αναπόφευκτη αύξηση της πυκνότητας των μοντέρνων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων καθιστά την κατανομή θερμοκρασίας μία βασική σχεδιαστική προδιαγραφή. Κατά συνέπεια, η γρήγορη και ακριβής προσομοίωση θερμοκρασίας έχει τεράστια σημασία τόσο κατά τη φάση σχεδίασης, όσο και κατά την λειτουργία του κυκλώματος. Το πρώτο μέρος της εργασίας ασχολείται με την χρονικά και λειτουργικά εξαρτημένη ποικιλομορφία των σύγχρονων τεχνολογιών μειωμένων διαστάσεων. Τα φαινόμενα BTI και RTN συμπεριλαμβάνονται σε προσομοιώσεις κυκλωμάτων, η παραμετρική αξιοπιστία των οποίων έχει μεγάλη σημασία. Η κύρια διαφοροποίηση από την βιβλιογραφία έγκειται στην ατομιστική αντιμετώπιση των φαινομένων BTI και RTN, η οποία συνεπάγεται συσχετισμό των τελευταίων με τις συνθήκες λειτουργίας που προσομοιώνονται. Η λογική αυτή εφαρμόζεται στις προσομοιώσεις μίας στατικής μνήμης τυχαίας προσπέλασης 32 κελιών. Με βάση μία πραγματική αρχιτεκτονική μνήμης, τα δεδομένα που εισέρχονται και εξέρχονται από τη μνήμη, προέκυψαν από μία πραγματική εφαρμογή. Μετρικές απόδοσης του κυκλώματος λαμβάνονται κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης. Κάθε διαφορετικό σύνολο εισόδων συνοψίζεται σε μία μετρική καθυστέρησης και μία μετρική ενέργειας διαρροής. Η λογική αυτή, δίνει τη δυνατότητα ομαδοποίησης στιγμιοτύπων λειτουργίας σε ευρύτερα σενάρια λειτουργίας του κυκλώματος. Το δεύτερο μέρος της εργασίας ασχολείται με την αριθμητική επιτάχυνση του ανοικτού λογισμικού HotSpot-5.0. Εκτεταμένη μελέτη της εκτέλεσης του αρχικού κώδικα απεκάλυψε μία επαναληπτική αριθμητική μέθοδο για την εξαγωγή λύσης στο πεδίο του χρόνου, η οποία καταναλώνει αρκετούς πόρους. Η μέθοδος αντικαταστήθηκε από ένα απλουστευμένο ισοδύναμο. Κατά συνέπεια, παρατηρείται επιτάχυνση του εργαλείου χωρίς να επιβαρύνεται η ακρίβεια αυτού. Η βελτιστοποιημένη έκδοση συμπεριλήφθηκε σε ένα ευρύτερο εργαλείο που επιτρέπει την ιεραρχική προσομοίωση θερμοκρασίας πολυπύρηνων αρχιτεκτονικών. Κατά αυτό τον τρόπο, το εύρος εφαρμογής τέτοιων εργαλείων ανάλυσης θερμότητας διευρύνεται σημαντικά.