Méthodes innovantes de gestion statique et dynamique de la fiabilité électrique des circuits CMOS M40 et 28FD sous conditions réelles d'utilisation (HTOL)

Innovative approaches to static and dynamic compensation schemes for Process and Aging variations in 40nm and 28nm FDSOI

• Auteur / Autrice : Souhir Mhira
• Direction : Alain Bravaix, Vincent Huard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance le 13/04/2018
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (Marseille ; Toulon ; 2008-….) - STMicroelectronics (Crolles, Isère, France)
• Jury : Président / Présidente : Henri Happy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lorena Anghel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alessandro Spinelli, Marise Bafleur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Markov, Processus de

FD-SOI (transistors)

MOS complémentaires

Nanoélectronique

Mots clés libres

Compensation

Vieillissement

Fdsoi

Automobile

Tension de bulk

Processeurs

Variations de procede

Boucle d'asservisement

Apprentisage automatique

Chaine de markov

Compensation

Aging

Process variations

Fdsoi

Body Bias

Automotive

Processors

Control loop

Machine learning

Markov chain

Résumé

Cette thèse porte sur la conception et le test des premiers circuits CMOS auto-adaptatifs nanométriques dédiés aux applications automobiles, avioniques et aérospatiales, dans des environnements à forte contrainte car soumis à des compromis entre vitesse (performance), consommation (Low Power) et vieillissement (Wearout). Des solutions innovantes ont été développées avec des boucles de régulation dynamiques pour optimiser la consommation des différents éléments (niveau de conception) et des blocs (système), tout en assurant leur bon fonctionnement. La validation des solutions a été réalisée étape par étape dans la chaîne de conception, en se concentrant d'abord sur le développement d'un premier démonstrateur en technologie CMOS (M40) 40 nm pour les applications automobiles de STMicroelectronics. Différentes manières d'anticiper les erreurs ont été comparées en conservant la détection de retard IS2M dans les chemins critiques. Une modélisation théorique des boucles de contrôle a abouti à un outil de simulation basé sur des chaînes de Markov discrètes dans le temps (DTMC). Cette modélisation a été confrontée avec succès à des mesures de silicium démontrant que les solutions sélectionnées offraient une réduction de la puissance consommée par 2 avec des performances et une fiabilité égales. Dans la dernière partie, les solutions proposees sont testees sur un demonstrateur CMOS FDSOI 28nm, afin de valider la pertinence de l'adaptation dynamique (D-ABB) dans les tensions d'alimentation et de face.

This thesis deals with the design and testing of the first self-adaptive nanoscale CMOS circuits dedicated to automotive, avionics and aerospace applications, under high stress environment because they are subject to the trade-off between speed (performance), consumption (Low Power) and aging (Wearout). Innovative solutions have been developed with dynamic control loops to optimize the consumption of the various elements (design level) and blocks (system), while ensuring their smooth operation. Validation of solutions has been achieved step by step in the design chain, focusing first on the development of a first demonstrator in 40nm CMOS (M40) technology for automotive applications from STMicroelectronics. Various ways of anticipating errors were compared by retaining the IS2M (adjustable time window) delay detection in critical paths as the most efficient for optimization solutions. A theoretical modeling of the control loops has resulted in a simulation tool based on time discrete Markov chains (DTMC). This modeling was successfully confronted with silicon measurements demonstrating that the solutions selected offered a reduction in the power consumed by 2 with equal performance and reliability. In the last part, the high-level hierarchical modeling was applied on several systems / products of 28nm FDSOI CMOS nodes (28FD), in order to validate the relevance of the dynamic adaptation (D-ABB) in supply and face voltages. (VDD, VB). This allowed to prove the validity of the complete methodology by arriving at the precise statistical prediction of the reliability integrating the whole performance-consumption value chain using the advanced simulations.