Self-healing integrated circuits/systems in semiconductor nanometer technologies
Authors: Δούναβη Ελένη-Μαρία 
Published: September 2021

Η εξέλιξη της CMOS τεχνολογίας κατά τη διάρκεια των ετών επέτρεψε την παρουσία δισεκατομμυρίων τρανζίστορ σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα. Καθώς το μέγεθος των τρανζίστορ κλιμακώνεται, προέκυψαν σημαντικά ζητήματα αξιοπιστίας, τόσο σε επίπεδο τρανζίστορ όσο και σε επίπεδο κυκλωμάτων και συστημάτων, λόγω των φαινομένων γήρανσης όπως αστάθεια πόλωσηςθερμοκρασίας (BTI), έγχυση θερμών φορέων (HCI), κατάρρευση διηλεκτρικού καιηλεκτρομετανάστευση ή λόγω των συνεχώς μεταβαλλόμενων περιβαλλοντικών συνθηκών. Μιαπροσέγγιση για την αντιμετώπιση προβλημάτων αξιοπιστίας είναι η έννοια της αυτο-ίασης. Δηλαδή,αναπτύσσοντας κυκλώματα και συστήματα που θα "αισθάνονται" τη γήρανσή τους καθώς και τιςαλλαγές που το περιβάλλον θέτει και θα αντιδρούν κατάλληλα για να συνεχίσουν να λειτουργούναξιόπιστα υπό οποιεσδήποτε συνθήκες. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην ανάλυση των μηχανισμών που επηρεάζουν την αξιόπιστη λειτουργία των κυκλωμάτων και συστημάτων VLSI και στην ανάπτυξη καινοτόμων μεθόδων που μπορούν να προσφέρουν αυτο-ίαση έτσι ώστε να λειτουργούν αξιόπιστα και αδιάκοπα καθ 'όλη τη διάρκεια της ζωής τους. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να αναπτύξει ενσωματωμένες τεχνικές στον τομέα των μνημών SRAM για πρόβλεψη γήρανσης και άμεσης διάγνωσης βλαβών με σκοπό την διατήρηση, με κατάλληλες ενέργειες, της αξιόπιστης λειτουργίας και παράτασης της διάρκειας ζωής του ολοκληρωμένου κυκλώματος/συστήματος όπου ανήκει η SRAM. Αυτές οι τεχνικές θα επιτρέψουν την ανίχνευση της κατάστασης της SRAM και, συνεπώς, την πρόβλεψη των επερχόμενων βλαβών στα υποκυκλώματά της. Στη συνέχεια, στόχος είναι να παρουσιαστούν τεχνικές ρύθμισης της λειτουργίας SRAM ή δυνατότητες επισκευής για την αυτό-ίαση των αντίστοιχων υποκυκλωμάτων, προκειμένου να διατηρηθεί η αξιόπιστη λειτουργία της μνήμης. Δύο νέες μέθοδοι αυτο-ίασης προτείνονται για τα κελιά μνήμης και τους αισθητήρες σήματος SRAM και μία νέα μέθοδο για τους αποκωδικοποιητές SRAM. Αρχικά, παρουσιάζεται ένα σχήμα που απευθύνεται ξεχωριστά στους αισθητήρες σήματος και τα κελιά μνήμης SRAM για ανίχνευση γήρανσης στα τρανζίστορ τους και προτείνονται οι αντίστοιχες επιλογές αυτο-ίασης προκειμένου να διατηρηθεί η αξιοπιστία της SRAM. Το σχήμα ανίχνευσης βασίζεται στη χρήση ενός μικρού κυκλικού διαφορικού ταλαντωτή (DRO) και ο κύκλος λειτουργίας του σήματος DRO χρησιμοποιείται για τη διάκριση των γερασμένων στοιχείων. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται μια ενοποιημένη προσέγγιση του παραπάνω σχεδίου για την ανίχνευση γήρανσης τόσο των κελιών μνήμης όσο και των αισθητήρων σήματος. Μια τροποποίηση αυτής της τεχνικής προτείνεται επίσης με τη χρήση ενός επαναρυθμιζόμενου ταλαντωτή (rDRO) για τις ανάγκες της αυτο-ίασης στους αισθητήρες σήματος SRAM. Τέλος, παρουσιάζεται μια τεχνική ανίχνευσης γήρανσης για τους αποκωδικοποιητές SRAM, μαζί με μια τεχνική προσαρμογής για την επιτυχή αυτο-ίαση. Το σχήμα παρουσιάζει την προσθήκη ενός απλού, χαμηλού κόστους ενσωματωμένου κυκλώματος προκειμένου να εντοπιστεί έγκαιρα η γήρανση του αποκωδικοποιητή και να αντιδράσει σωστά για να εξασφαλιστεί η αξιοπιστία και να παραταθεί η διάρκεια ζωής της SRAM. Οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν στα παραπάνω σχήματα επιβεβαιώνουν την ικανότητά τους να παρέχουν αυρο-ίασης σε γερασμένα κελιά μνήμης, αισθητήρες σήματος και αποκωδικοποιητές αντίστοιχα, ενώ ταυτόχρονα προσφέρουν χαμηλό κόστος στην επιφάνεια πυριτίου καθώς και την ικανότητα αποφυγής της γήρανσης των κυκλωμάτων όταν η SRAM βρίσκεται σε κανονική λειτουργία.