8/8/2019 Beyond Scaling - Realizing Value Through the Integration of Memory and Autonomic Chip Features - good

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Beyond S c a l i n g- R e a l i z i n gVa l u eT h r o u g ht he I n t e g r a t i o no fMemorya n dA u t o n o m i cC h i pF e a t u r e sS u b r a m a n i a nS .J y e r

IBMCorpo ra t i on ,S y s t e m s& Te c h n o l o g yGrou p ,

2 0 7 0R o u t e5 2 ,H o p e w e l lJ u n c t i o n ,NY 1 2 5 3 3 .USA.e m a i l :s s i y e r ( u s . i b m . c om

ABSTRACT p r o x i m i t yo fN -a n dP - c ha n n e l de v i c e sm a k e si s o l a t i o nmo r ec o m p l e x .A d d i t i o n a l l y ,t he n e e df o rp e r f o r m a n c e

A swe s c a l e t o45nm a n db e y o n d ,t he e x p e c t a t i o n so f a s m e a s u r e dby r e a d c u r r e n t ) ,t he i n he re n tt h r e s h o l di n c r e a s e df u n c t i o n a lv a lu e p eru n i tc o s t may on l yb e me t m i s m a t c h e s( d om i n a t e db y s t a t i s t i c a ldop a n tf l u c t u a t i o n )w i t ha mo r eh o l i s t i ct e c h n o l o g yi n t e g r a t i o nb a s e don cause r e a d i n s t a b i l i t i e st h a tma n i f e s tt h e m s e l v e sa ss y s t e m sn e e d s .We c o n s i d e rt w oa p p r o a c h e s : i n c r e a s i n gn u m b e rf a i l sa s t h eo p e r a t i n g v o l t a g ei sL e v e r a g i n gembedded d e n s em em o r y .We e x a m i n et he d e c r e a s e d( s e er e f e r e n c e1 ) .S t a n d b yp o w e ri nSRAMss c a l a b i l i t ya n dp e r f o rm a n c ei s s u e so fembedded i s a l s o n ots c a l i n gb e c a u s eo ft he l e a k i e rn a t u r eo ft hememory a n dt he a u t o n o m i cc h i p - w h e r ea j u d i c i o u s d ev i c e s u se d.F i n a l l y,SERha s r e a c he dv e r yh i g hu s e o fc i r c u i ti n n o v a t i o n ,m a t e r i a la n dp h y s i c a l v a l u e sa s bo t h

c a p a c i t a n c ea n ds t o r e d c h a rg ea t t he

phenomenaa re e m p l o y e dt oy i e l ds e l fd i a g n o s i n ga n d i n t e r n a lSRAMn o d e sha s d e c re a s e da s a r e s u l to fs e l fh e a l i n ga n dp e r h a p se v e ns e l fr e c o n f i g u r i n gc h i p s s c a l i n g .F i n a l l y,f o rl a r g ememorys i z e s ,t i m eo fF l i g h te x t e n d i n gbo t h t he l i f e t i m ea n ds c o p eo ft he c h i p ( TOF )i s a s i g n i f i c a n td e l a yc om p o n e n tt h a td e t r a c t s

f r om p e rf o rm a n c e .

I N T R O DU C T I O NDRAMsa d d r e s ss e v e r a lo ft he i s s u e sa b o v e .I BMh a s

T h e t e c h n o l o g i c a lc h a l l e n g e so fs c a l i n gi n t ot he 45nm p i o n e e r e dt he u s e o fd e e pt r e n c hembeddedDRAMf o rn o d ea re w e l lk n ow n .T h e s ei n c l u d et he l i t h o g r a p h i c l o g i ca p p l i c a t i o n sf o ro v e rfou r l o g i cg e n e r a t i o n s .T h ec ha l l e n g es b e i n ga d d r e s s e db y h y p e rNAi mm e r s i o n t r e n c hb a s e deDRAMi s e x t r em e l yl o g i c f r i en d l ya n dl i t h o g r a p h y ,d e v i c ep e r f o rm a n c ec h a l l e n g e sb e i n gme t g u a r a n t e e sl o g i ce q u i v a l e n c ys in c e t heDRAMs p e c i f i ct h r o ught he u s e o fa d v a n c e ds t r a i ne n g i n e e r i n g ,a n dn o t p r o c e s s e sa re e s t a b l i s h e dw e l lb e f o r et he l o g i cd e v i c e st he l e a s tt he c h a l l e n g e so fi n t e r c o n n e c tp e r f o rm a n c e a re f a b r i c a t e d .T h e r ei s n o i m p a c to n t he m i d d l eo ft hew h i c hd o m i n a t ea t t he c h i pl e v e le s p e c i a l l yf o rc o m p l e x l i n ea n d b a c ke n dp r o c e s s i n ge n s u r i n gt i m i n ga n d l i b r a r yS y s t e m - o n - C h i p( S O C )a p p l i c a t i o n s .We a dd re s s t w o e q u i v a l e n c y .DRAMc e l l sa re t y p i c a l l ya b o u t5 - 8 t i m e si s s u e s t h a tp r om i s et od e l i v e ri n c r e a s e dv a l u ea t bo t h sm a l l e rt h a n c o r r e s p o n d i n gSRAMc e l l s .At t he u s a b l et he c h i pa n ds y s t e ml e v e l .One h a s t o d ow i t hi n t e g r a t i n gmemorym a c r ol e v e lt h i sa d v a n t a g ei s e r o d e db y v a r i o u sd e n s ed y n a m i cmemoryo n c h i p ,a n dt he o t he rh a s t od o c i r c u i to v e r h e a d sbu t s t i l li s a b o u t3 . 5 t o4 t i m e sa sw i t hb u i l d i n ga u t o n o m i cf e a t u r e sw h e r es e l fd i a g n o s i s d e n s ea s SRAMsw i t ht he a d v a n t a g ei n c r e a s i n gw i t ha n ds e l fr e p a i ra r e p o s s i b l ea t v a ri o us t i m e sd u r i n gt he memorys i z e .F r o ma p o w e rp e r s p e c t i v eDRAMsc h i p s l i f e t im e . c on t a in i n g on l yo n e l owl e a k a g ed e v i c et y p i c a l l yh a v e

a b o u t6 t o 8 t ime s l ow e rs t a n db y p ow e rp e rMbEmbeddedMemory c o m p a r e dt o6 t r a n s i s t o rSRAMs. F i n a l l y ,t he l a r g e r

c a p a c i t a n c eo ft he DRAMc e l lmakes i t immune t o SERF r o ma f u n c t i o n a lp e r s p e c t i v e ,t he t r e n d t o i n t e g r a t e e v e n t sa n dSER f a i lr a t e sa re t y p i c a l l y5 0 0 0t i m e sb e t t e ri n c r e a s i n g l y l a r g ea m o u n t so fmemoryo n c h i p c o m p a r e dt oSRAMs.

( e m b e d d e dmemoryor eM em o r y )c on t i n ue s u n a b a t e d.eMemoryd o m i n a t e st he a r e ao fmid -a n dh i g h - e n d S c a l i n go feDRAMi n l o g i ct e c h n o l o g yh a s t w og o a l s :t op r o c e s s o r sc h i p sa s w e l la s mo s tA p p l i c a t i o n S p e c i f i cr e d u c es i z ec o n s i s t e n tw i t ht he s ca l in gf a c t o ra n d t r e n c hI n t e g r a t e dC i r c u i t s( A S I C s )a n d i nmany c a s e s ,memory b a s e deDRAMh a s me tt h i sa p p r o x i m a t e l y50% s c a l i n gc a no c c u p yu p t o 70%o ft he d i ea r e a . I n t he h i g he n d p e r g e n e r a t i onr a t h e rwe l l ;t he o t h e r i s t o i m p r o v ea p p l i c a t i o n s ,t he ke ya t t r i b u t e so fo n - c h i pmemorya r e p e r f o r m a n c e- i n t h i si t d i f f e r sf r omt he mo r ep e r f o rma n c e ,a r e a ,p ow e r ,s o f te r ro r r a t e( S E R )a n d c o n v e n t i o n a lc o mm o d i t yDRAM.P e r f o r m a n c ec o s t .eMemoryi s a l s oa n impo r t a n ta t t r i b u t ei n i m p r o v e m e n tcomes f r omt h r e ef a c t o r s :l o g i cc o n s u m e rI C se s p e c i a l l yf o rp o r t a b l ea p p l i c a t i o n s .H e r e p e r f o r m a n c ei m p r o v em e n t s ;c e l lp e r f o r m a n c ep o w e r( e s p e c i a l l ys t a n d b ypowe r ) ,a r e a ,c o s t a n dSER i m p r o v e m e n t sa n d f i n a l l yDRAMa r c h i t e c t u r ea re i mp or ta n tc o n s i d e r a t i o n s . i m p r o v em e n t s .A s a r e s u l to ft h e s e t h r e e f a c t o r s ,i t i s

e x p e c t e dt h a teDRAMsi n t h e4 5 nm g e n e r a t i o nw i l lS t a t i cRAMs( S R A M s )h a v e b e e nt h ewo r k h o r s eo f h a v el a t e n c i e s o ft h eo rde r o f1 - 2 n sa n d r a n d o mc y c l eemb e dd e d memo rya p p l i c a t i o n sbu t a re b e c o m i n g t i m e so fa b o u t2 - 4 n s . Th i s c o u p l e dw i t ht h e i rsm a l l e ri n c r e a s i n g l yd i f f i c u l tt os c a l e .A s SRAMss c a l e ,t h ec l o s e s i z ea n dc o n s e q u e n tl ow e rTOFd e l a y sw i l lmake

1 - 4 2 4 4 - 0 18 2 - 8 / 0 6 / $ 2 0 . 0 0200 6I E E E 1

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eDRAMsa n e x c e l l e n tr e p l a c e m e n tf o rt he l a r g eo n c h i p R e a l i z a t i o no ft h i sBISR r e q u i r e st he u s e o fa r e l i a b l el e v e l2 / l e v e l3 c a c h e so n p r o c e s s o r s .Th i s h a s s p e c i a l f u s e me t h o d o l o g y .We h a v ee m p l o y e de l e c t r om i g r a t i o ns i g n i f i c a n c ei nt he c o n t e x to f m u l t i - c o r ep r o c e s s o rc h i p s , a h i t h e r - t o - f o r er e l i a b i l i t yp r o b l e mc o n s t r u c t i v e l yt o b u i l dw h e r ep r o c e s s o rs p e e dh a s s a t u r a t e da n d p e rf o r ma n c e a h i gh l yr e l i a b l ef u s e .Un l i k er u p t u r emode f u s e s ,i s e x p e c t e dt o come f r omt he m u l t i - c o r e a r c h i t e c t u r ea n d e l e c t r om i g r a t i o nd o e sn ot c re a t ed e b r i s a n d t h u s f u s e

a n o p t im i z e dmemorys u b s y s t e mw i t hl a r g ec a c h e st h a t h e a l i n gd o e sn o t o c c u r( r e f e r e n c e3 ) .Th i s s y s t e m h a sa r e e l e c t r i c a l l yc l o s e a n dd e d i c a t e dt o t he p r o c e s s o r s . b e e ne m p l o y e dn o t j u s tf o rr e p a i rb u t e v e nm o r e

F i n a l l y ,we mu s ta d d r e s st h ei s s u e o feDRAMc o s t a n d e x t e n s i v e l yf o rc h i pr e c o n f i g u r a t i o n ,r a d i of r e q u e n c y( r f )c om p l e x i t ya d d e r s .T h et r e n c hb a s e deDRAMa d d s3 - 4 t u n i n g ,a n dd i eb yd i ey i e l do p t i m i z a t i o nb u tmoreI n n o v a t i v e l yt o s t o r eo n - c h i pt he c h i pB l i l lo fMa t e r i a l s ,e x t r amask l e v e l st o a t y p i ca l l o g i cf l o w.Two t o t h r e e o f t h n o w e rf r e q u n c c h a r a t h ec h i p t e m p e r i a t r ,

t h e s mas s aruse t o p t imze te s t n d a r 1 /0 t h e p o w e rf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s ,c h i pt emp e r a t u r e-t h e s em a s k sa re u s e dt o o p t im i z et he s t a n d a r dI / O . . 'd e v i c ef o ra l owl e a k a g et r a n s f e rd e v i c ea n da r e b l o c k f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c se t c .T h e s ecan b e e f f e c t i v e l yl e v e lm a s k s .T h eo t h e r i s a c r i t i c a ld e e pt r e n c hl e v e l . u s e da t t h es y s t e ml ev el t omanage p e r f o r m a n c ea n dT h eo v e r a l lc om p l e x i t ya d d e ri n90nm i s a b o u t15% a n d powe r.becomes a s m a l l e rf r a c t i o na s t hed e v i c emenui n c r e a s e sa n db a c k e n di n t e r c o n n e c tc om p l e x i t y S umma r yi n c r e a s e s .A s im p l ec a l c u l a t i o ns h o w st h a ti fa c h i pa l l o c a t e sa b o u t25%o ft he d i ea r e a t o SRAMa n d t h i s Whi l e t e c hn o l og ys c a l i n gi s nowmo r ec h a l l e n g i n g ,t h e r eSRAMc a n b e r e p l a c e df u n c t i o n a l l yb y eDRAM,t he a re some r e l a t i v e l ye a s yw a y st oe x t r a c tmo r ev a l u ef o rr e s u l t a n t d i ewi l li n f a c tb e more e c o n om i c a l .C l e a r l y ,t he t h et e c h n o l o g y.We h a v ed e s c r i b e dt h eu s e o fmore c o m p l e xt e c h n o l o g i e si n4 5 nm a n dc e r t a i n l y embedded DRAMsa n deFUSEst o l e v e r a g ea d d i t i o n a lS i l i c o n - o n - i n s u l a t o r( SO I )t e c h n o l o g ymake t h i st r a d e o f f f u n c t i o n a lv a l u eb e y o n ds c a l i n ga l o n e .more f a v o r a b l ef o reDRAM.T h e r ewi l lo bv i ou sl y g a i n si np ow e ra n dSERr e s i s t a n c e .F r oma n a r e a s c a l i n g REFERENCESp e r s p e c t i v e , r e p l a c i n gs t a n d a r dSRAMw i t heDRAMi sa l m o s te q u i v a l e n tt os c a l i n gt he memorya n a d d i t i o n a l 1 . C .Wann e t a l ,"SRAMC e l ld e s i g nf o rs t a b i l i t yt w og e n e r a t i o n s !F i n a l l y ,f r oma p e r f o rm a n c e me t h o d o l o g y "p r o c .V L S I - T S A( 2 0 0 5 )p 21p e r s p e c t i v e ,i m p r o v e m e n t si neDRAMc e l la n dc i r c u i t 2 . S . S . I y e r e ta l " eDRAMt h et e c h n o l o g yp l a t f o rmf o ra r c h i t e c t u r ea s w e l la s j u d i c i o u so p t i m i z a t i o no ft he t he B l u g e n eI Lc h i p " ,I BMJ o u r ,R e s .D e v.4 9 ( 2 / 3 )memorys u b - s y s t e mt o l e v e r a g et he l a r g e reDRAM p 3 3 3( 2 0 0 5 )c a c h ew i l la l l owf o ra s y s t e ml e v e lp e r f o r m a n c e 3 . C. K o t h a n d a r a m a ne t a l " E l e c t r i c a l l yp r o g r a m m a b l ei m p r o v em e n to fo v e ron eg e n e r a t i o n . f u s e (eFUSE) u s i n ge l e c t r om i g r a t i o ni n s i l i c i d e s "I E E EE l e c t r o nD e v i c eLe t t e r sEDL ( 2 3 )p 5 2 3( 2 0 0 2 )

T h e r e a d e ri s e n c o u r a g e dt o c o n s u l tr e f e r e n c e( 2 )w h i c he x p l o r e st h e s e i d e a s i ng r e a t e rd e t a i l .

A u t o n o m i cCh i p s

A n o t h e rimpo r t a n td e v e l o p m e n ti s t he b u i l d i n go fa u t o n om i cc a p a b i l i t i e si n t ot he c h i p .Mo s ta d v a n c e dSOCse m p l o yB u i l t - i nS e l fTe s t ( B I S T ) .B I S Te n g i n e sa r e d e d i c a t e de n g i n e so fi n c r e a s i n gv e r s a t i l i t yt h a tc a na p p l ya w i d er a n g eo ft e s tv e c t o r st o f u n c t i o n a l i t yt e s taw i d ev a r i e t yo fI Pb l o c k si n c l u d i n gm e m o r y ,l o g i ca n da n a l o gf u n c t i o n s .I n t he c a s eo fm e m o r y ,B I S Tc a n b ec o m b i n e dw i t hR e d u n d a n c yA l l o c a t i o nL o g i c( RAL )t o f i xt he d e f e c t su s i n gr e d u n d a n te l em e n t s .A d v a n c e si n t hed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a lf u s e s ( e F U S E )t h a tcan b ep r o g r a mm e do n c h i pa l l owu s t oc o m b i n eB IST,RALa n de FUSEt o f o rma Bu i l t - i nS e l fR e p a i r( B I S R )s y s t e m .Add i t i o n a ls o p h i s t i c a t i o ni s po s s i b l et h r o u g ht he u s e o fF u s es t r i n gc om p r e s s i o n ,h i e r a r c h i c a lr e p a i rw h e r er e p a i rs o l u t i o n sa re a u g m e n t e da tw a f e rl e v e l ,mo d u l el e v e l ,a n d e v e nm u l t i p l ei n s t a n c e so ff i e l dr e p a i r .

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