LS Systeme
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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
Hardwareimplementierte latenzarme drahtlose Medienzugriffsprotokolle für höchsten Datendurchsatz
(2014)
Der Fortschritt der Technik ermöglicht immer leistungsfähigere drahtlose Dienste mit hohen Anforderungen an Latenz, Jitter und Übertragungsgeschwindigkeit. Aktuelle digitale Protokolle für drahtgebundene hochauflösende Multimediaübertragungen (HDMI, DisplayPort) oder Peripherieschnittstellen (USB, PCIe, SATA) in der Computertechnik erreichen Datenraten im Multi-Gigabit Bereich. Die Übertragung der Inhalte z.B. Filme, Musikstreaming oder Dateiübertragungen mit Hilfe breitbandiger drahtloser Übertragungsverfahren vereinfacht die kabellose „Installation“ und die daraus folgende Benutzerfreundlichkeit (Mobilität) im Heimbereich (Indoor). Weiterhin werden Systeme mit hohen Datenraten und kleinen Latenzen unter 5 ms im Mobilfunkbereich benötigt, um Basisstationen (3G, LTE) mit dem Kernnetzwerk zu verbinden. Diese Backhaul-Verbindungen können auch im innerstädtischen Bereich zum Aufbau von Small-Cell-Installationen genutzt werden, da nicht immer eine Kabelverlegung möglich ist. Eine Verkettung der Verbindungen vergrößert den Abstand zum Zugangspunkt des Kernnetzes und stellt zusätzliche Anschlußpunkte für Basisstationen bereit. Allerdings vergrößert sich auch die Latenz für die weiter entfernten Stationen.
In dieser Arbeit wird ein MAC-Protokoll für hochratige und latenzarme drahtlose Verbindungen vorgestellt. Dazu werden sowohl Punkt-zu-Punkt- als auch Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen auf ihre speziellen Anforderungen bei der Implementierung der MAC-Komponenten in einer programmierbaren Hardware (FPGA) analysiert. Eine Integration des MAC-Protokolls zusammen mit einem OFDM-Basisbandprozessor mit Brutto-Datenraten größer 5 GBit/s erlaubt die Überprüfung der Funktionalität sowie die Messung wichtiger Protokollparameter unter realen Einsatzbedingungen. Das vorgeschlagene Medienzugriffsprotokoll unterstützt den Einsatz von Beamsteering-Verfahren zur Suche von benachbarten Kommunikationsteilnehmern und den gleichzeitigen räumlich getrennten Kanalzugriff mehrerer Kommunikationsteilnehmer. Eine Anwendungsschnittstelle für nutzerspezifische Implementierungen mit exklusivem Zugriff auf das Übertragungsmedium erleichtert die Integration zusätzlicher Funktionalität wie z.B. eine hochauflösende Entfernungsmessung. Weiterhin wird ein Verfahren zur latenzarmen Detektierung und Umschaltung blockierter Pfade vorgestellt. Umfangreiche Simulationen bestätigen die Funktionalität des MAC-Protokolls in unterschiedlichen Szenarien mit und ohne Übertragungsfehler.
The design of embedded sensor node hardware systems is a challenging task driven by the increasing demands for low power, high efficiency, low cost and small size. These unique requirements make the usage of off-the-shelf general purpose microcontrollers fairly inefficient. For many wireless sensor network applications, the design of a dedicated low power sensor node microcontroller is the only way to answer specific application requirements. According to the trends in device, process and design technology, the development of sensor node devices is relying on a cheap planar bulk-CMOS technology, where power consumption is dominated by static power loss caused by high leakage currents. To keep the power at acceptable level, designers are compelled to apply the methodologies based on advanced low power techniques that target both static and dynamic power in the chip. The decisions made early in design phase are likely to determine the energy efficiency of the final design. Therefore, the choice of power saving strategy is the key challenge in designing energy-efficient sensor node hardware.
This work presents a methodology that assists designers meeting the critical design decisions regarding power, early in the design process. The presented methodology extracts the activity profiles of single system components and applies them in the developed models for energy estimation of particular low power implementation. The energy estimation models account for the energy overhead introduced by specific low power techniques, enabling comprehensive exploration of system’s energy efficiency in a given application scenario. Special attention is paid to the methodology utilization in typical wireless sensor network applications. Accordingly, the examples of activity profiling in wireless sensor node systems are presented. The proposed methodology is integrated within a power-driven design flow and applied to the design of an embedded sensor node microcontroller. This methodology is used to perform the cross comparison of alternative low power implementations for the target system architecture. The implementation relying on concurrent clock and power gating is selected as the most energy efficient and consequently realised. Power switching cells and power control logic have been designed and characterized. Also, the final system architecture, basic system components and applied design process are described. Finally, the developed power-gated sensor node microcontroller is implemented, fabricated and successfully tested. The chip measurements results are presented and analyzed.
The analysis of different low power approaches applied to the target system architecture has shown large impact of clock gating on the system energy. In a given application scenario, the clock gating implementation has reduced 72 times the dynamic energy and 12 times the total energy of the system. The implementation of power gating technique has gained 2.8 times reduction of the leakage energy and 2 times reduction of the total system energy compared to the clock gating only implementation. The analysis of two alternative power gating approaches has emphasized the significance of partitioning in power-gated design. A heuristic partitioning that combines two specific blocks having successive activity phases into a single power domain, thereby reducing design complexity and chip area, has been shown to have positive impact on the energy efficiency of the target design.
Despite the numerous benefits that Integrated Circuit (IC) technology downscaling brings, it also introduces many challenges. First of all, IC dependability is lowering: both lifetime reliability and resilience to single event effects is decreasing. Another major problem is the increased power consumption. On the other hand, the vast available space enables integrating hundreds of processor cores in a single chip! Multiprocessing is for over a decade the main architectural trend because of two reasons. Firstly, the performance of single processors gained by architectural innovations reached the upper limit i.e., the point of diminishing returns. Secondly, the operating frequency could not be increased due to the excessive power consumption, as pointed out. This work proposes a multiprocessor architectural framework that addresses many challenges related to dependability, power consumption and performance. The key idea is dynamical adaptation to the application requirements of fault tolerance and performance, which is possibly done at the lowest rates of aging and power dissipation. The application may select one of the three basic operating modes: de-stress, fault-tolerant and high-performance. De-stress mode prolongs multiprocessor lifetime and reduces power consumption by using core gating patterns that systematically power- or clock-off entire cores in the multiprocessor. These patterns use the information supplied by novel IC aging monitors. Fault-tolerant mode, on the other hand, increases error resilience by forming core-level NMR (N-modular redundant) systems using the multiprocessor cores. That is, entire cores are tightly synchronized to execute the same task simultaneously. Voting is done on each clock cycle using special, programmable NMR voters. Core-level NMR enables masking faults without invoking recovery procedures which is appreciated by timing-critical, or, real-time applications. Finally, high-performance mode is used for boosting multiprocessor performance. The framework is evaluated using a novel environment for automated fault injection, as well as a novel multiprocessor verification platform. A vast number of experiments were made which led to closed-form expressions that determine the number of cores N required to survive the projected mission time, given the fault rate. Moreover, a newly-developed method for lifetime evaluation based on the Weibul distribution shows the benefits of using core gating patterns. E.g., the new Youngest-First Round-Robin (YFRR) pattern enables up to 31% increase in system's lifetime compared to a simple Round-Robin.
During the last years, the asynchronous design style has been rediscovered as a potential solution to upcoming design issues in deep-submicron technologies. However, besides the lack of commercial tools supporting this design style, one major challenge is the test of asynchronous designs. Especially their event-driven behavior leads to problems during test. Basically, the timing of asynchronous circuits is determined by gate and wire delays that are sensitive to variations of environmental parameters (process, voltage and temperature). This leads to uncertainties in the timing of the responses. Consequently, standard commercial test systems cannot be used, because such systems read the responses at specific cycles and, therefore, could reject fault-free devices. Furthermore, available hardware testers are, in principle, not designed to react to signal events from the design-under-test as it is necessary to establish asynchronous communication via handshake signalling. As a result, even simple functional tests that only apply stimuli and read the responses of the design-under-test cannot be realized without preparatory measures. This work addresses these issues and proposes a concept to enable functional tests of asynchronous designs. The concept is based on a special test processor that provides generic interfaces used to establish asynchronous handshake communication with a device-under-test. By this, elastic functional tests can be realized that overcome the static timing of conventional tests and emulate the real operating environment of the design. Apart from the generic test processor architecture, an essential part of the concept deals with the establishment of the processor as a stand alone or embedded test equipment. A workflow is provided that describes how the device-under-test can be embedded into the test processor environment for performing the tests. Besides the interconnection between the asynchronous design and the test processor, this especially includes the generation of programs that realize the functional tests of the design. A methodology is introduced that generates the desired programs for the processor from a standard functional simulation of the design-under-test. Based on the generic concept, a framework including both a test processor implementation and the realization of the program generation is delivered. In order to evaluate the entire concept, this framework has been applied to functionally test an asynchronous arithmetic-logic-unit. In combination with additional experiments, conducted to determine the required resources, it has been shown that the introduced concept is a suitable approach to test asynchronous designs.
The sensitivity of application-specific integrated circuits (ASICs) to single event effects (SEE) can lead to failures of subsystems which are exposed to increased radiation levels in space and on the ground. The work described in this thesis presents a design methodology for a fully fault-tolerant ASIC that is immune to single event upset effects (SEU) in sequential logic, single event transient effects (SET) in combinatorial logic, and single event latchup effects (SEL). Redundant circuits combined with SEL power switches (SPS) are the basis for a design methodology which achieves this goal. Within the standard ASIC design flow enhancements were made in order to incorporate redundancy and SPS cells and, consequently, enable protection against SEU, SET, and SEL. In order to validate the resulting fault-tolerant circuits a fault-injection environment with carefully designed fault models was developed. The moments of fault occurrence and their durations are modeled according to the real effects in actual hardware. The proposed design methodology was applied to an innovative space craft area network (SCAN) central processor unit, known as middleware switch processor. The measurement results presented in this thesis prove the correct functionality of DMR and SPS circuits, as well as the high fault-tolerance of the implemented ASICs along with moderate overhead with respect to power consumption and occupied silicon area. Irradiation measurements demonstrated the correct design and successful implementation of the SPS cell.
In dieser Arbeit wird ein neues Konzept für den Entwurf fehlertoleranter digitaler Schaltungen vorgestellt. Die als spezifische Fehlertoleranz bezeichnete Entwurfsmethode erweitert den Stand der Technik um die Möglichkeit, Fehlertoleranz gezielt für gewünschte Ein- und Ausgabezuweisungen einer Schaltung bereitzustellen. Die generell sehr aufwändigen Maßnahmen zur Realisierung von Fehlertoleranz lassen sich so an die tatsächlich vorhandenen Zuverlässigkeitsanforderungen einer gegebenen Anwendung anpassen, was im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zu erheblichen Kosteneinsparungen im Hinblick auf Hardware und Stromverbrauch führt. Die Eingaben einer Schaltung werden dazu mit ihren zugehörigen Ausgaben in kritische und unkritische Signale unterteilt. Für kritische Signale wird das gleiche Maß an Fehlertoleranz bereitgestellt, wie es auch durch das Verfahren der dreifach modularen Redundanz garantiert wird. Unkritische Signale werden nicht fehlertolerant ausgelegt, da das für solche Signale nicht gefordert werden muss. Im Bezug auf kombinatorische Schaltungen wird dieses Grundprinzip auf eine beliebig wählbare Teilmenge aller möglichen Eingaben mit ihren zugehörigen Ausgaben angewendet. Die nicht zu schützenden, unkritischen Signale werden zu Optimierungszwecken genutzt. Genau diese Freiheit im Entwurfsprozess ermöglicht beim Entwurf fehlertoleranter Schaltungen signifikante Kosteneinsparungen, die bislang durch andere Verfahren nicht berücksichtigt wurden. Bei sequentiellen Schaltungen wird das Konzept auf Eingabefolgen und ihre entsprechend zugehörigen Ausgabefolgen abgebildet. Ab einem bestimmten Zustand werden in Schaltungen, die nach diesem Prinzip entworfen wurden, alle als kritisch eingestuften Eingabefolgen fehlertolerant verarbeitet, woraufhin die sequentielle Schaltung entsprechend fehlertolerante Ausgabefolgen liefert. Die Länge der kritischen Eingabefolgen und die Anzahl der Zustände, von denen aus eine fehlertolerante Verarbeitung der Eingaben gefordert wird, ist beliebig wählbar. Neben der Beschreibung des Grundkonzeptes der spezifischen Fehlertoleranz für kombinatorische und sequentielle Schaltungen beinhaltet die Arbeit Erweiterungen, mit denen sich die durch das Verfahren bereitgestellte Fehlertoleranz erhöhen lässt. Es wird zudem erläutert, wie die spezifische Fehlertoleranz ohne besonderen Aufwand mit Hilfe gängiger Werkzeuge im Schaltungsentwurf umgesetzt werden kann. Vom Entwerfer werden dazu keine speziellen Kenntnisse über das eigentliche Verfahren vorausgesetzt. Anhand experimenteller Ergebnisse wird auch gezeigt, welche Einsparungen sich durch die spezifische Fehlertoleranz im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren aus diesem Bereich ergeben. Dazu wurden verschiedene Benchmark-Schaltungen mit der spezifischen Fehlertoleranz implementiert und ihre Gesamtflächen den Flächen entsprechender Schaltungen, die nach dem Prinzip der dreifach modularen Redundanz entworfen wurden, gegenübergestellt.
Latenzverringerung in Basisbandprozessoren am Beispiel eines hochratigen OFDM-Kommunikationssystems
(2012)
In modernen digitalen Übertragungssystemen ist der gesamte Datendurchsatz nicht mehr allein durch die Datenrate – z. B. aufgrund der begrenzten Bandbreite – eingeschränkt. Stattdessen haben die bei der Verarbeitung entstehenden Latenzen einen immer größeren Einfluss auf die erzielbare Systemperformance. In der Fachliteratur beschriebene Untersuchungen zur Latenzverringerung in digitalen Basisbandprozessoren beschränken sich meist auf die Optimierung eigenständiger Module. Im Rahmen dieser Arbeit werden, basierend auf einer Untersuchung der Basisbandmodule auf ihren Latenzbeitrag und einer Darstellung der Latenzauswirkungen, bestehende Verfahren der Latenzverringerung evaluiert und neue Verfahren zur Latenzreduktion entworfen. Die praktischen Auswirkungen werden dabei anhand der Latenzmodellierung eines bestehenden 60 GHz-OFDM-Kommunikationssystems aufgezeigt. Die zur Anwendung der neu entworfenen Verfahren notwendigen strukturellen Änderungen in der Basisbandverarbeitung werden detailliert dargestellt. Weiterhin wird eine allgemeine Methodik des latenzarmen Systementwurfs vorgestellt, die die Anwendung der neu entworfenen Verfahren beinhaltet. Bei der Darstellung von Verfahren zur Latenzverringerung liegt der Schwerpunkt auf der zur Durchsatzsteigerung üblicherweise verwendeten, aber noch nicht im Zusammenhang mit der Latenzverringerung beschriebenen Anwendung von parallelen Datenverarbeitungsstrukturen sowie auf der neu vorgeschlagenen Anwendung von Spekulation. Mithilfe der spekulativen Demodulation und der spekulativen Dekodierung lassen sich Latenzen aufgrund von Abhängigkeiten in der Datenverarbeitung einfach vermeiden. Die sich aus den spekulativen Verfahren ergebenden Auswirkungen auf die MAC-Ebene werden zum Schluss kurz diskutiert.
Ziel dieser Dissertation war es, die Eignung von Ultra-Breitband-Pulsfunk (IR-UWB) für die drahtlose Kommunikation in der Sensor/Aktor-Ebene der Fertigungsautomatisierung zu untersuchen. Dazu wurde ein drahtloses Kommunikationssystem auf Basis standardisierter Protokolle entworfen und untersucht. Diese Anwendung erfordert die Erfüllung harter Echtzeitfähigkeit im Bereich weniger Millisekunden in industriellen Umgebungen. Ein solches Umfeld stellt aufgrund eines hohen Rauschpegels und vieler metallischer Oberflächen, die Multipfad-Effekte verursachen, sehr hohe Ansprüche an das Latenzverhalten und die Robustheit. Deshalb waren die Hauptziele die Reduzierung von Latenz und gleichzeitige Erhöhung der Robustheit für den existierenden, auf IR-UWB basierenden Standard IEEE 802.15.4a. Dieser Standard ist unter anderem deshalb vielversprechend, da er sich mit sehr preisgünstigen, nicht-kohärenten Empfängern von geringer Komplexität umsetzen lässt, die trotzdem relativ robust gegenüber Multipfad-Effekten sind. Es wurde gezeigt, dass sich auch mit diesen günstigen Geräten durch Optimierung des Standards eine hohe übertragungssicherheit bei geringer Latenz realisieren lässt. Es wurden Modifikationen zur Optimierung der Robustheit und Latenz des bisher üblichen Designs von nicht-kohärenten IR-UWB-Empfängern vorgestellt. Durch Ergänzungen zu der im Standard beschriebenen Modulation und Kodierung konnte die Verlässlichkeit zusätzlich gesteigert werden. Um diese optimierte PHY-Schicht effizient einsetzen zu können, wurde eine spezialisierte MAC-Schicht für die Automatisierung, die in einem Entwurf für den kommenden Standard IEEE 802.15.4e beschrieben wird, eingesetzt. Da bei dieser MAC-Schicht die Kommunikationsmuster im Voraus bekannt sind, war weitere schichtübergreifende, applikations-spezifische Optimierung möglich, die eine weitere Reduzierung der Latenz sowie eine Erhöhung der Robustheit erbrachte. Im Zuge der Arbeit wurde ein flexibel konfigurierbarer Simulator für IR-UWB auf Basis von industriell akzeptierten Kanalmodellen erstellt. Dieser Simulator wurde auch zur Evaluation und Verifikation der Forschungsergebnisse benutzt. Das entworfene Gesamtsystem ist über mehrere Parameter konfigurierbar und dadurch an weitere Anwendungen in der Automatisierung anpassbar. Eine dieser Konfigurationen wurde durch Simulation evaluiert. Sie zeigt mindestens die gleiche und zum Teil bessere Performance als bisherige drahtlose oder drahtgebundene Lösungen für die Sensor/Aktor-Ebene der Fertigungsautomatisierung, wie z.B. AS-Interface, Bluetooth I/O oder WISA. Für den repräsentativen Fall von 32 Teilnehmern mit jeweils einem Byte Prozessdaten erreicht sie eine Zykluszeit von 1,88 ms. Damit kann eine eine mittlere Reaktionszeit von 985 µs erreicht werden und eine harte Echtzeitschranke von 15 ms mit einer Fehlerwahrscheinlichkeit unter 10^-9 eingehalten werden. Das Kommunikationssystem wurde auch in Hardware auf FPGA-Basis implementiert. Da das benutzte analoge Front-End, ein früher Prototyp eines IEEE 802.15.4a-kompatiblen Front-Ends, noch keine repräsentativen Messungen zuließ, wurde die Funktion durch eine Basisbandverbindung über Kabel verifiziert.
High-speed data capturing components for Super Resolution Maximum Length Binary Sequence UWB Radar
(2011)
Within framework of UKoLoS project the new Super Resolution Maximum Length Binary Sequence UWB Radar (M-sequence radar) was developed. The radar consists of an M-sequence generator, transmitter front-end, receiver front-end, data capturing device and data processing blocks, whose design responsibilities were carried out by four institutions. In this thesis the design and measurements of the data capturing device components is described. Logically the data capturing device can be divided into three parts; a capturing part, realized with the high-speed analog-to-digital converter, a predictor, realized with the high-speed digital-to-analog converter and a subtraction amplifier, which in this particular work is integrated into the receiver front-end. The main challenge of the work is to implement the A/D converter, which works at full speed of the radar. Despite the radar architecture allows capturing data with undersampling, it leads to waste of transmitted energy. Therefore the ADC has to capture reflected signal with the full system clock rate of 10 GHz and should have a full Nyquist 5 GHz effective resolution bandwidth. Implementation of the conventional 4-bit full flash ADC with specified bandwidth is not possible in the IHP SiGe BiCMOS technology because some critical blocks, namely the reference network, can not achieve 5 GHz effective resolution bandwidth. To overcome this problem a new configuration of the differential reference network is proposed. The new reference network has a segmented, free configurable architecture. As extreme case it can be realized as a full parallel network and in such configuration the maximal bandwidth can be achieved. The proposed network was implemented in the A/D converter and measured. The bandwidth of the ADC with new network is several times higher than the bandwidth of the conventional ADC,while keeping power dissipation the same. Further the proposed network has possibility to equalize the bandwidth in each output node and in that way optimize overall power dissipation. The other advantage is the possibility of electronic calibration of separate voltage shift in the network. The second component of the data capturing device is the D/A converter, which is required to have the accuracy which corresponds to full accuracy of the data capturing device, better than 0.2% in our case. Measurements showed that error due to mismatch of the components was 10 times higher than required. To meet the accuracy specification an external off-line calibration of the DAC was implemented. Using calibration the predictor errors less than 0.15% were achieved.