Dynamic power and frequency optimization in digital electronic systems

Abstract

À medida que a tecnologia de circuitos integrados CMOS é exposta à miniaturização, surgem diversos problemas no que diz respeito à fiabilidade e performance. Efeitos tais como o BTI (Bias Thermal Instability), TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown), HCI (Hot Carrier Injection), EM (Electromigration) degradam os parâmetros físicos dos transístores CMOS e por sua vez alteram as propriedades eléctricas dos mesmos ao longo do tempo. Esta deterioração é chamada de envelhecimento e estes efeitos são cumulativos e têm um grande impacto na performance do circuito, especialmente se ocorrerem outras variações paramétricas, como as variações de processo, temperatura e tensão de alimentação. Estas variações são conhecidas por variações PVTA (variações no Processo de Fabricação do circuito integrado [P], na Tensão de Alimentação [V], na Temperatura [T] e variações provocadas pelo Envelhecimento dos circuitos [A]) e podem desencadear erros de sincronismo durante a vida do produto (circuito integrado digital). O trabalho apresentado nesta dissertação tem por objectivo primordial o desenvolvimento de um sistema que optimize a operação ao longo da vida de circuitos integrados digitais síncronos de forma dinâmica. Este sistema permite que os circuitos sejam optimizados de acordo com as suas necessidades: (i) Diminuir a dissipação de potência, por reduzir a tensão de alimentação para o valor mais baixo que garante a operação sem erros; ou (ii) Aumentar o desempenho/performance, por aumentar a frequência de operação até ao limite máximo no qual não ocorrem erros.

A optimização dinâmica da operação ao longo da vida de circuitos integrados digitais síncronos é alcançada através de um controlador, um bloco de sensores globais e por vários sensores locais localizados em determinados flip-flops do circuito. A nova solução tem como objectivo utilizar os dois tipos de sensores atrás mencionados, globais e locais, para possibilitar a previsão de erros de performance de uma forma mais eficaz, que possibilite a activação de mecanismos que impeçam a ocorrência de erros durante o tempo de vida útil de um circuito, e dessa forma permitindo optimizar constantemente o seu funcionamento. Assim é exequível desenvolver circuitos que operem no limite das suas capacidades temporais, sem falhas, e com a utilização de margens de erro pequenas para admitir as variações de performance provocadas por variações no processo de fabrico, na tensão de alimentação, na temperatura ou o envelhecimento. Foi também desenvolvido um sistema de controlo que permite, depois da detecção de um potencial erro, desencadear um processo para diminuir a frequência do sinal de relógio do sistema, ou aumentar a tensão de alimentação, evitando que o erro ocorra. Apesar de existirem outras técnicas de controlo dinâmico da operação de circuitos integrados tais como DVS (Dynamic Voltage Scaling), de DFS (Dynamic Frequency Scaling), ou ambas (DVFS – Dynamic Voltage and Frequency Scaling), estas técnicas ou são de muito complexa implementação, ou apresentam margens de segurança elevadas, levando a soluções em que a operação do circuito não está optimizada. A solução desenvolvida neste trabalho, em que se utilizam sensores preditivos locais e globais os quais são sensíveis ao envelhecimento a longo prazo ocorrido nos circuitos, constitui uma novidade no estado da técnica relativamente ao controlo de sistemas de DVS e/ou DFS. Outro aspecto importante é que neste trabalho desenvolveu-se um método de ajuste da tensão de alimentação ou da frequência, o qual é sensível ao envelhecimento a longo prazo dos circuitos, utilizando sensores locais e globais. O controlador permite a optimização da performance dos circuitos através do aumento da frequência de operação até ao limite máximo que ainda evita a ocorrência de erros e a optimização de consumo de energia através da redução da tensão de alimentação (VDD) para o valor mínimo que ainda previne a ocorrência de erros. Através de uma análise de previsão de envelhecimento, são identificados os caminhos críticos, bem como os caminhos que envelhecem mais rápido e que se tornarão críticos com o envelhecimento do circuito. Uma vez identificados os caminhos críticos, irão ser inserido os sensores locais através da substituição dos flip-flops que terminam os caminhos críticos identificados por novos flip-flops que incluem sensores de performance e de envelhecimento. É de referenciar que estes sensores são preditivos, ou seja, que sinalizam precocemente os erros de performance, antes de eles ocorrerem nos flip-flops que capturam os caminhos críticos. A arquitectura dos sensores propostos é tal que as variações PVTA que ocorrem sobre eles fazem aumentar a sua capacidade de prever o erro, ou seja, os sensores vão-se adaptando ao longo da sua vida útil para aumentarem a sua sensibilidade. Os sensores locais têm como função realizar a calibração dos sensores globais, bem como realizar a monitorização constante dos atrasos nos caminhos mais longos do circuito, sempre que estes são activados. A função dos sensores globais é a realização da monitorização periódica ou quando solicitado dos atrasos no circuito digital. Ambos os tipos de sensores, os sensores globais como os locais podem desencadear ajustes na frequência ou na tensão de alimentação. Os sensores globais são compostos por uma unidade de controlo do sensor global, que recebe ordens do controlador do sistema para iniciar a análise ao desempenho do circuito e gera os sinais de controlo para a operação de análise global do desempenho e por duas cadeias de portas (uma com portas NOR e outra com portas NAND), com tempos de propagação superiores aos caminhos críticos que se esperam vir a ter no circuito durante a sua vida útil. Ambos os caminhos irão, presumivelmente, envelhecer mais que os caminhos críticos do circuito quando sujeitos ao efeito BTI (que influencia fortemente a degradação do Vth dos transístores [NBTI/NORs e PBTI/NANDs]). Ao longo das duas cadeias, diversos sinais à saída de algumas portas NOR e NAND são ligados a células de sensores globais, criando diversos caminhos fictícios com diferentes tempos de propagação. As saídas dos sensores das duas cadeias formam duas saídas de dados do sensor global. A fim de se alcançar a optimização do desempenho do circuito, são realizados testes de calibração dos sensores, onde são estimulados alguns caminhos críticos no circuito (através de um teste determinístico) e, simultaneamente é realizada a análise do desempenho pela unidade de sensores globais. Este procedimento, permite definir o limite máximo (mínimo) para frequência (tensão de alimentação) sem que os sensores locais sejam sinalizados. Esta informação da frequência (tensão) é guardada num registo do controlador (registo V/F) e corresponde à frequência (tensão) normal de funcionamento. Este teste também permite determinar quais os caminhos fictícios nas duas cadeias que apresentam tempos de propagação semelhantes aos caminhos críticos do circuito. Esta informação também é guardada em dois registos no controlador do sistema (registos GSOsafe), que indicam o estado das saídas dos controladores globais para a operação optimizada do circuito. Durante a vida útil do circuito, o controlador do sistema de optimização procede ao ajuste automático da frequência (ou da tensão de alimentação) do circuito, caso o controlador dos sensores globais detecte uma alteração em relação à operação correcta em memória, alterando o conteúdo do registo que guarda a frequência (tensão) de trabalho. Se por ventura ocorrer a sinalização de um sensor local e não existir nenhuma sinalização para alteração do desempenho pelos sensores globais, quer dizer que o circuito pode ter envelhecido mais que os caminhos fictícios dos sensores globais, pelo que a frequência (tensão de alimentação) de funcionamento deve ser alterada, mas também deve existir uma actualização nos registos que guardam a saída correcta dos sensores globais. É de salientar que, se os caminhos fictícios envelhecem mais do que o circuito, as margens de segurança (time slack) existentes vão sendo aumentadas ao longo da vida do circuito, tratando-se de uma segurança positiva. Mas, se existir a possibilidade do envelhecimento ser maior nos caminhos do circuito, a existência dos sensores locais a monitorizar a todo o tempo o desempenho do circuito, garantem que o sistema pode aprender com as sinalizações e adaptar-se às novas condições de operação ao longo da vida útil do circuito. Enquanto a monitorização efectuada pelo bloco de sensores globais fornece uma avaliação grosseira do estado de funcionamento do circuito, a monitorização efectuada pelos sensores locais, quando activados, fornece uma avaliação fina sobre qual a performance do circuito para que não ocorram erros funcionais. As novidades apresentadas neste trabalho são no mecanismo de controlo que permite a optimização dinâmica da tensão ou da frequência, e na arquitectura e funcionamento do sensor global a inserir no circuito. No que diz respeito ao mecanismo de controlo do sistema de optimização dinâmica, as novidades são: (i) na utilização conjunta de sensores locais e globais para garantir níveis de optimização elevados, (ii) na utilização de sensores preditivos (globais e locais) que previnem os erros de ocorrerem e (iii) na utilização de sensores sensíveis ao envelhecimento do circuito ao longo da sua vida útil. Em relação ao sensor global para monitorização de variações PVTA a novidade consiste (iv), na apresentação de sensores para a degradação nos transístores PMOS e de sensores para a degradação nos transístores NMOS. Este método de optimização e as topologias apresentadas podem ser desenvolvidas e utilizadas com outros tipos de flip-flops, ou empregando outros tipos de sensores, ou outros caminhos fictícios nos sensores globais, sem prejuízo do método global de optimização que conjuga os dois tipos de sensores, globais e locais, para optimizar a tensão de alimentação e a frequência de operação. É proposta uma nova arquitectura para um flip-flop com correcção de erros de atraso (DFC-FF / AEPDFC-FF) com e sem previsão de erros adaptativa para realizar a correcção/monitorização e correcção on-line da perda de performance a longo prazo de sistemas digitais CMOS, independentemente da sua causa. O DFC-FF integra um FF do tipo TG-MSFF (Transmission Gate Master Slave Flip-Flop) e um sensor de correcção de erros (CES) dos quais são apresentados duas propostas. O AEPDFC-FF é composto por DFC-FF e um sensor de envelhecimento. A variabilidade tornou-se na principal causa de falha dos circuitos digitais quando a tecnologia evoluiu para as escalas nanométricas. As reduzidas dimensões físicas dos novos transístores e o aumento na complexidade dos circuitos integrados tornou os novos circuitos mais susceptíveis a variações no processo de fabrico, nas condições de operação e operacionais, tendo como consequência o fabrico de dispositivos mais frágeis, com maior probabilidade de falharem nos primeiros meses de vida, e com tempos de vida útil esperados inferiores aos das tecnologias anteriores. Face a outras propostas, uma das principais vantagens do DFC-FF é que a a perda de performance do próprio sensor melhora a sua capacidade de correcção de erros. Os efeitos do envelhecimento, do aumento de temperatura e da diminuição na tensão de alimentação (VTA), aumentam a janela de correcção, permitindo que o DFC-FF possa estar sempre ligado sem comprometer o seu funcionamento. O conceito, estudado e desenvolvido em tecnologia de 65nm, pode ser transportado posteriormente para nanotecnologias mais recentes, usando MOSFETs de menor dimensão, uma vez que a arquitectura do sensor é transversal a toda a tecnologia CMOS.