Impact of process variability on circuit-level radiation-hardening techniques

Abstract

A tecnologia FinFET oferece vantagens como menor consumo de energia e redução dos efeitos de canal curto, mas também está sujeita a desafios relacionados à variabilidade de processo e à sensibilidade à radiação. A principal fonte de variabilidade de processo em dispositivos FinFET está relacionada à granularidade do metal gate, que afeta a função trabalho, causando o efeito chamado flutuação da função trabalho (WFF). Isso afeta o comportamento esperado das correntes do dispositivo e dos tempos de propagação devido ao impacto na tensão limiar. Algumas abordagens propostas em nível de transistor ou de circuito para mitigação de ruído e efeitos de single-event transient (SET) podem ser exploradas para mitigar o impacto da variabilidade de processo. Este trabalho avalia o impacto da variabilidade de processo em técnicas de robustez em nível de circuito aplicadas a inversores. A primeira avaliação considera o impacto de técnicas de robustez em nível de circuito no desempenho e na confiabilidade de circuitos baseados em FinFET, comparando os resultados com achados prévios para tecnologias CMOS bulk. Quatro técnicas inicialmente propostas na literatura para mitigação de ruído e efeitos de SET são investigadas: Schmitt Trigger, Pseudo-Strengthening, Strengthening e Rad-Hard, sob condições de tensão nominal e near-threshold. Os resultados indicam que, sob condições nominais, a técnica Schmitt Trigger apresentou os melhores resultados de atraso e de near-threshold, enquanto a técnica Strengthening apresentou o menor atraso. A análise do consumo de energia revelou que a técnica Schmitt Trigger teve o menor consumo de energia entre as técnicas analisadas. Essa análise reforça a relevância da variabilidade de processo, especialmente em operações near-threshold, e destaca a necessidade de técnicas de robustez para mitigar os efeitos da variabilidade no projeto de circuitos digitais em tecnologias nanométricas. A segunda análise observa a robustez à radiação dessas quatro técnicas em nível de circuito para falhas SET. Os resultados mostram alta robustez para o Schmitt Trigger, mesmo considerando a variabilidade de processo. A terceira avaliação investiga a integração seletiva de topologias de inversores tolerantes à radiação em circuitos aritméticos de uma arquitetura RISC-V, visando melhorar a resiliência do sistema contra soft errors com sobrecarga mínima. As quatro técnicas foram então integradas a células somadoras completas para avaliar seu impacto no desempenho e na robustez. Esses somadores foram posteriormente incorporados ao processador RS5, uma implementação RISC-V, e sintetizados utilizando tecnologias CMOS de 45 nm e FinFET de 7~nm para avaliar seus trade-offs de área. O maior impacto em área é observado em 7~nm, com um aumento de 16,7\% na contagem de transistores, um aumento marginal de 0,73\% na ULA e apenas 0,031\% em todo o processador RS5. Isso demonstra que o projeto de circuitos robustos pode ser alcançado com impacto mínimo na área total de silício, mesmo em nós de tecnologia avançados. Desta forma, os resultados obtidos demonstram que técnicas de robustez baseadas em inversores oferecem benefícios concretos para a mitigação simultânea dos efeitos de variabilidade de processo e radiação em dispositivos FinFET.

Abstract: FinFET technology offers advantages such as lower power consumption and reduced short-channel effects, but it is also subject to challenges related to process variability and radiation sensitivity. The main source of process variability in FinFET devices is related to the metal gate granularity, which affects the work function, causing the effect called work function fluctuation (WFF). This affects the expected behavior of device currents and propagation times due to the impact on the threshold voltage. Some proposed transistor-level or circuit-level approaches for noise mitigation and single-event transient (SET) effects can be explored to mitigate the impact of process variability. This work evaluates the impact of process variability on circuit-level hardening techniques applied to inverters. The first evaluation considers the impact of circuit-level robustness techniques on the performance and reliability of FinFET-based circuits, comparing the results with previous findings for bulk CMOS technologies. Four techniques initially proposed in the literature for noise mitigation and SET effects are investigated: Schmitt Trigger, Pseudo-Strengthening, Strengthening and Rad-Hard, under nominal and near-threshold voltage conditions. Results indicate that, under nominal conditions, the Schmitt Trigger technique yielded the best delay and near-threshold voltage results, while the Strengthening technique yielded the lowest delay. The analysis of energy consumption revealed that the Schmitt Trigger technique had the lowest energy consumption among the techniques analyzed. This analysis reinforces the relevant role of process variability, especially in near-threshold operations, and highlights the need for robustness techniques to mitigate the effects of variability in the design of digital circuits in nanometric technologies. The second analysis observes the radiation robustness of these four circuit-level for SET faults. The results show high robustness to the Schmitt Trigger, even accounting for process variability. The third evaluation investigates the selective integration of radiation-hardening inverter topologies into arithmetic circuits of a RISC-V architecture, aiming to improve system resilience against soft errors with minimal overhead. The four techniques were then integrated into full adder cells to evaluate their impact on performance and robustness. %The most promising design, based on the process-variability evaluation, These full adders were further incorporated into the RS5 processor, a RISC-V implementation, and synthesized using both 45 nm CMOS and 7 nm FinFET technologies to assess its area trade-offs. The higher impact in area is observed on 7 nm, with 16.7\% increase in transistor count, a marginal increase of 0.73\% in the ALU and only 0.031\% in the complete RS5 processor. This demonstrates that robust circuit design can be achieved with minimal impact on the overall silicon area, even in advanced technology nodes. Thus, the results obtained demonstrate that inverter-based robustness techniques offer concrete benefits for the simultaneous mitigation of process variability and radiation effects in FinFET devices.