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Conventional semiconductor memories are facing many challenges concerning their yield, reliability, testability, and manufacturability as the feature size decreases. Although they are used in the vast majority of electronic devices, their applicability for upcoming digital systems is questionable. On the other hand, due to unprecedented development of mobile devices even faster, denser, and more power-efficient semiconductor memories are required. As a consequence, many researchers and system designers are seeking new memory solutions. The greatest attention is paid to solid-state, non-volatile memories (NVMs) such as PCRAMs, MRAMs/STT-MRAMs, FeRAMs, and RRAMs. Due to their promising features like non-volatility, low-power consumption, and great scalability they are expected to meet the challenging demands of future digital systems.
Unfortunately, despite all advantages they offer, emerging NVMs pose some peculiar characteristics like limited endurance, variable data retention time, or vulnerability to external factors. On top of that, they are still in early-maturity state where their fabrication processes are not of high quality and are prone to high variations. Because of that, emerging NVMs may suffer from permanent faults which can occur right after production or in the field, during their operational time. As a consequence, the reliability of new memory technologies requires special management and great improvement.
The thesis introduces system-level approach aimed at comprehensive reliability management of existing and emerging NVMs. It presents novel on-line repair techniques which focus on specific issues of NVMs. The block-level repair manages post-production faults in the memory array. The word-level repair aims at hard faults caused by wear-out memory cells. Finally, the error-correcting code with increased hard-error correction capability handles soft and hard errors in the memory array.
Because proposed techniques are based on similar principles, they can be combined into a consistent system. Depending on the way how they are connected, different repair schemes can be achieved. Moreover, by merging them into the system a synergistic effect can be produced where the achieved memory reliability improvement is greater than the sum of reliability improvements achieved with their standalone implementations.
Further in the thesis, such a consistent repair system is presented. Next, its effectiveness, repair capabilities, and applicability for an embedded system are evaluated. In addition, the achieved synergistic effect is described and quantified
Effiziente Auswahl redundanter Komponenten für Prozessoren zur Kompensation permanenter Fehler
(2014)
Die stetige Skalierung von Fertigungstechnologien sorgte für einen rasanten Anstieg der Komplexität und damit auch der Verarbeitungsleistung von integrierten Schaltungen. Dies führte auch zu höheren Anforderungen an die Entwurfs- und Produktionsprozesse für diese Systeme. Zusätzlich dazu steigern Strukturen im Nanometerbereich die Anfälligkeit gegenüber physikalischen Effekten, welche sich in temporären und zunehmend auch dauerhaften Störungen der Funktionalität äußern können. Der Einsatz von Fehlertoleranz ist für diese komplexen Systeme nicht wegzudenken und wird für zukünftige anfälligere Fertigungstechnologien noch relevanter.
In dieser Arbeit wird eine skalierbare Architektur zur Kompensation dauerhafter Störungen für beliebige Prozessorkomponenten vorgestellt. Der Einsatz dieser Architektur ist unabhängig von der Fehlerursache und kann sowohl direkt nach der Produktion als auch während des Einsatzes im Zielsystem genutzt werden. Durch die Verwendung dieser Architektur, auf aktiver Hardware-Redundanz basierend, ist eine Steigerung der Zuverlässigkeit, der Lebensdauer aber auch der Produktionsausbeute bei gleichbleibender Funktionalität möglich. Mit der Modellierung in dieser Arbeit wird die Effizienz der vorgestellten Architektur, unter Berücksichtigung der zusätzlichen Hardware für Redundanz und der notwendigen administrativen Komponenten, ermittelt und ermöglicht damit einen zielgerichteten Auswahlprozess für Prozessorkomponenten und die Menge ihrer Redundanz. Somit wird die optimale Redundanz für ein gegebenes System und ein zu erreichendes Ziel bereits im Entwurfsprozess bestimmtund kann damit frühzeitig bei der Umsetzung berücksichtigt werden.
Neben der Beschreibung des Aufbaus der Architektur und ihrer Funktionsweise zeigt diese Arbeit wie sich eine Integration in bestehende Entwurfsprozesse mit gängigen Methoden und Werkzeugen realisieren lässt. Zusätzlich dazu wird die Systemmodellierung zur Realisierung des zielgerichteten Auswahlprozesses beschrieben. Anhand eines Anwendungsbeispiels wird die Möglichkeit der Umsetzung aufgezeigt und die daraus resultierenden Ergebnisse diskutiert.