基于亚稳态叠加单元的高吞吐量真随机数发生器设计

真随机数发生器(TRNG)作为一类重要的硬件安全原语,在密钥生成、初始化向量和协议中的身份认证等加密领域得到应用。为设计出高吞吐量的轻量级TRNG,该文研究了利用多路选择器(MUX)和异或门(XOR gate)的开关特性来产生亚稳态的方法,提出一种基于亚稳态叠加单元(MS-cell)的TRNG(MS-TRNG)设计。它将MUX和异或门触发的亚稳态进行叠加,从而提高TRNG的熵。所提TRNG分别在Xilinx Virtex-7和Xilinx Artix-7 FPGA开发板中实现,无需后处理电路。与其他先进的TRNG相比,所提TRNG具有最高的吞吐量和极低的硬件开销,并且它所生成的随机序列通过了NIST测试和一系列性能测试。

两种面向宇航应用的高可靠性抗辐射加固技术静态随机存储器单元

CMOS尺寸的大幅缩小引发电路可靠性问题。该文介绍了两种高可靠的基于设计的抗辐射加固(RHBD)10T和12T抗辐射加固技术(SRAM)单元,它们可以防护单节点翻转(SNU)和双节点翻转(DNU)。10T单元主要由两个交叉耦合的输入分离反相器组成,该单元可以通过其内部节点之间的反馈机制稳定地保持存储的值。由于仅使用少量晶体管,因此其在面积和功耗方面开销也较低。基于10T单元,提出了使用4个并行存取访问管的12T单元。与10T单元相比,12T单元的读/写访问时间更短,且具有相同的容错能力。仿真结果表明,所提单元可以从任意SNU和部分DNU中恢复。此外,与先进的加固SRAM单元相比,所提RHBD 12T单元平均可以节省16.8%的写访问时间、56.4%的读访问时间和10.2%的功耗,而平均牺牲了5.32%的硅面积。

一种基于环形振荡器的轻量级高效率的真随机数发生器

真随机数发生器(TRNG)作为芯片中重要的安全组件,在现代加密系统中扮演着越来越重要的角色。对于TRNG的设计,关键是需要熵提取器可以在恶劣的环境变化(如工艺波动、电压和温度(PVT))下稳定地生成熵值。基于Xilinx FPGA平台提出了一种基于环形振荡器的低成本,高效率真随机数发生器。TRNG一方面通过快速进位逻辑来提高熵提取的效率,另一方面通过优化电路结构和延迟,在以相对较低的资源开销情况下实现可观的吞吐量和随机性。TRNG分别在多块Xilinx Virtex6 FPGAs和Xilinx Spartan6 FPGAs上进行验证,实验数据测试结果表明,所提出的TRNG能够在广泛的PVT范围内表现出良好的鲁棒性,且生成的随机比特流不仅以相当高P值通过NIST SP800-22统计测试套件,而且可以通过最新的NIST SP800-90B测试。

基于忆阻器的图卷积神经网络加速器设计

图卷积神经网络(GCN)在社交网络、电子商务、分子结构推理等任务中的表现远超传统人工智能算法,在近年来获得广泛关注。与卷积神经网络(CNN)数据独立分布不同,图卷积神经网络更加关注数据之间特征关系的提取,通过邻接矩阵表示数据关系,因此其输入数据和操作数相比卷积神经网络而言都更加稀疏且存在大量数据传输,所以实现高效的GCN加速器是一个挑战。忆阻器(ReRAM)作为一种新兴的非易失性存储器,具有高密度、读取访问速度快、低功耗和存内计算等优点。利用忆阻器为CNN加速已经被广泛研究,但是图卷积神经网络极大的稀疏性会导致现有加速器效率低下,因此该文提出一种基于忆阻器交叉阵列的高效图卷积神经网络加速器,首先,该文分析GCN中不同操作数的计算和访存特征,提出权重和邻接矩阵到忆阻器阵列的映射方法,有效利用两种操作数的计算密集特征并避免访存密集的特征向量造成过高开销;进一步地,充分挖掘邻接矩阵的稀疏性,提出子矩阵划分算法及邻接矩阵的压缩映射方案,最大限度降低GCN的忆阻器资源需求;此外,加速器提供对稀疏计算支持,支持压缩格式为坐标表(COO)的特征向量输入,保证计算过程规则且高效地执行。实验结果显示,该文加速器相比CPU有483倍速度提升和1569倍能量节省;相比GPU也有28倍速度提升和168倍能耗节省。

基于硅通孔绑定后三维芯片测试调度优化方案

三维芯片(3D-SIC)通过硅通孔TSV技术实现电路的垂直互连,有效提高了系统集成度和整体性能。由于三维芯片测试中,用于测试的引脚数和TSV数目以及测试时功耗的限制都对测试时间有很大的影响,拟提出一种装箱问题思想的测试方案,针对每层只有一个晶片的"单塔"结构和每层有多个晶片的"多塔"结构进行测试调度优化。该优化方案在控制测试引脚数、测试TSV数目与测试功耗的同时,能有效缩短测试时间。实验结果表明,与同类方案相比,在多种限制条件和不同结构中,都有着显著的优化结果。其中"单塔"最高优化45.28%的测试时间,"多塔"最高优化了27.78%的测试时间。

基于分布式游标法的2.5DIC传输线测试

为解决现有2.5D IC传输线测试方法适用性差、面积开销大和分辨率不稳定等问题,提出基于分布式游标法的传输线测试方法.首先根据传输线的数量和分布情况择优选择普通游标和环形游标2种游标结构;然后把游标延时线的所有延时单元平均分配给每条传输线,使所有传输线共享一条游标延时线;最后将传输线延时量化为数字码输出.实验结果表明,与现有方法相比,文中方法综合考虑了测试时间和面积开销,满足了复杂集成电路设计的实际需要;使用2种游标结构的分布式测试方法面积开销分别减少了52.6%和23.7%;在相邻传输线间距离发生变化时,测试分辨率的稳定性提高了70%.

基于改进CAF-WAS的绑定前硅通孔测试

硅通孔TSV发生开路故障和泄漏故障会降低三维集成电路的可靠性和良率,因此对绑定前的TSV测试尤为重要。现有CAF-WAS测试方法对泄漏故障的测试优于其他方法(环形振荡器等),缺点是该方法不能测试开路故障。伪泄漏路径思想的提出,解决了现有CAF-WAS方法不能对开路故障进行测试的问题。另外,重新设计了等待时间产生电路,降低了测试时间开销。HSPICE仿真结果显示,该方法能准确预测开路和泄漏故障的范围,测试时间开销仅为现有同类方法的25%。

65 nm CMOS工艺的低功耗加固12T存储单元设计

随着CMOS工艺尺寸的不断缩减,存储单元对高能辐射粒子变得更加敏感,由此产生的软错误和因电荷共享导致的双节点翻转急剧增多.为了提高存储单元的可靠性,提出一种由4个PMOS晶体管和8个NMOS晶体管组成的抗辐射加固12T存储单元,并由NMOS晶体管中的N_1和N_2以及N_3和N_4构成了堆叠结构来降低存储单元的功耗;其基于物理翻转机制避免了存储节点产生负向的瞬态脉冲,在存储节点之间引入的负反馈机制,有效地阻碍了存储单元的翻转.大量的HSPICE仿真结果表明,所提出的存储单元不仅能够完全容忍敏感节点的翻转,还能够部分容忍电荷共享引起的敏感节点对翻转;与已有的存储单元相比,所提出的存储单元的功耗、面积开销、读/写时间平均减小了18.28%, 13.18%, 5.76%和22.68%,并且噪声容限的值较大;结果表明该存储单元在面积开销、存取时间、功耗和稳定性方面取得了很好的折中.

一种低开销的三点翻转自恢复锁存器设计

随着集成电路特征尺寸的不断缩减,在恶劣辐射环境下,纳米级CMOS集成电路中单粒子三点翻转的几率日益增高,严重影响可靠性。为了实现单粒子三点翻转自恢复,该文提出一种低开销的三点翻转自恢复锁存器(LC-TNURL)。该锁存器由7个C单元和7个钟控C单元组成,具有对称的环状交叉互锁结构。利用C单元的阻塞特性和交叉互锁连接方式,任意3个内部节点发生翻转后,瞬态脉冲在锁存器内部传播,经过C单元多级阻塞后会逐级消失,确保LC-TNURL锁存器能够自行恢复到正确逻辑状态。详细的HSPICE仿真表明,与其他三点翻转加固锁存器(TNU-Latch, LCTNUT, TNUTL, TNURL)相比,LC-TNURL锁存器的功耗平均降低了31.9%,延迟平均降低了87.8%,功耗延迟积平均降低了92.3%,面积开销平均增加了15.4%。相对于参考文献中提出的锁存器,LC-TNURL锁存器的PVT波动敏感性最低,具有较高的可靠性。

基于C单元的抗干扰低功耗双边沿触发器

快速增长的功耗是VLSI设计中的重要问题,特别是输入信号中存在毛刺,双边沿触发器的功耗将会显著增大。为了有效降低功耗,提出了一种基于C单元的抗干扰低功耗双边沿触发器AILP-DET,结构采用快速的C单元,不仅能够阻塞输入信号存在的毛刺,阻止触发器内部冗余跳变的发生,降低晶体管的充放电频率;而且增加了上拉-下拉路径,降低了其延迟。相比现有的双边沿触发器,AILP-DET只在时钟边沿采样,有效降低了功耗。通过HSPICE仿真,与10种双边沿触发器相比较,AILP-DET仅仅增加了7.58%的延迟开销,无输入毛刺情况下总功耗平均降低了261.28%,有输入毛刺情况下总功耗平均降低了46.97%。详尽的电压温度波动分析表明,该双边沿触发器对电压、温度等波动不敏感。

基于边沿延时翻转的绑定前硅通孔测试方法

硅通孔(Through-Silicon Via,TSV)在制造过程中发生开路和短路等故障会严重影响3D芯片的可靠性和良率,因此对绑定前的TSV进行故障测试是十分必要的.现有的绑定前TSV测试方法仍存在故障覆盖不完全、面积开销大和测试时间大等问题.为解决这些问题,本文介绍一种基于边沿延时翻转的绑定前TSV测试技术.该方法主要测量物理缺陷导致硅通孔延时的变化量,并将上升沿和下降沿的延时分开测量以便消除二者的相互影响.首先,将上升沿延时变化量转化为对应宽度的脉冲信号;然后,通过脉宽缩减技术测量出该脉冲的宽度;最后,通过触发器的状态提取出测量结果并和无故障TSV参考值进行比较.实验结果表明,本文脉宽缩减测试方法在故障测量范围、面积开销等方面均有明显改善.

单粒子四点翻转自恢复加固锁存器设计

为了容忍日益严重的单粒子多点翻转,提出了一种能够容忍单粒子四点翻转的加固锁存器——QNURL(quadruple node upset recovery latch).该锁存器包含40个同构的双输入反相器,形成5×8的阵列结构,构建了多级过滤的容错机制.通过有效地利用双输入反相器的单粒子过滤特性,当任意4个内部状态节点同时发生翻转时,都可以被多级过滤机制消除,自动恢复到正确值. PTM 32 nm工艺下的仿真结果表明,与现有的4种单粒子多点翻转加固锁存器综合比较,该锁存器的单粒子四点翻转自恢复比率高达100%,延迟平均降低了86.02%,功耗延迟积(powerdelayproduct,PDP)平均降低了78.94%,功耗平均增加了59.09%,面积平均增加了4.63%.文章最后对结构进行了衍生,提出了容忍N点翻转的(N (10)1)'2N结构框架.

基于毛刺阻塞原理的低功耗双边沿触发器

当输入信号存在毛刺时,双边沿触发器的功耗通常会显著增大,为了有效降低功耗,提出一种基于毛刺阻塞原理的低功耗双边沿触发器。在该双边沿触发器中,采用了钟控CMOS技术C单元。一方面,C单元能有效阻塞输入信号存在的毛刺,防止触发器锁存错误的逻辑值。另一方面,钟控CMOS技术可以降低晶体管的充放电频率,进而降低电路功耗。相比其他现有双边沿触发器,该双边沿触发器在时钟边沿只翻转一次,大幅度减少了毛刺引起的节点冗余跳变,有效降低了功耗。与其他5种双边沿触发器相比,该双边沿触发器的总功耗平均降低了40.87%~72.60%,在有毛刺的情况下,总功耗平均降低了70.10%~70.29%,仅增加22.95%的平均面积开销和5.97%~6.81%的平均延迟开销。

32 nm CMOS工艺的单粒子多点翻转加固锁存器设计

随着集成电路工艺不断改进,电荷共享效应诱发的单粒子多点翻转已经成为影响芯片可靠性的重要因素.为此提出一种有效容忍单粒子多点翻转的加固锁存器:低功耗多点翻转加固锁存器(low power multiple node upset hardened latch,LPMNUHL).该锁存器基于单点翻转自恢复的双联互锁存储单元(dual interlocked storage cell,DICE),构建三模冗余容错机制,输出端级联“三中取二”表决器,可以有效地容忍单粒子多点翻转,表决输出正确逻辑值,不会出现高阻态,可以有效地屏蔽电路内部节点的软错误.该锁存器能够100%容忍三点翻转,四点翻转的容忍率高达90.30%.通过运用高速传输路径、时钟选通技术和钟控表决器,该锁存器有效地降低了功耗.32 nm工艺下SPICE仿真表明,与加固性能最好的三点翻转加固锁存器综合比较,LPMNUHL的延迟平均降低了40.16%,功耗平均降低了44.96%,功耗延迟积平均降低了65.40%,面积平均降低了34.60%,并且对电压/温度波动不敏感.

32 nm CMOS工艺单粒子三点翻转自恢复锁存器设计

纳米尺度CMOS工艺的电荷共享效应日益显著,粒子入射导致电路内部多个节点同时翻转的概率急剧升高.为了提高时序单元的可靠性,提出了一种三点翻转(triple node upsets,TNUs)自恢复的加固锁存器结构,利用双输入反相器的阻塞能力,将24个双输入反相器级联成6级,经反馈将发生翻转的节点恢复正确;内部采用不对称的连线方式,有效地消除了共模故障,优化了双输入反相器内部NMOS/PMOS的驱动能力,消除了节点逻辑值翻转造成的亚稳态.采用Hspice进行实验表明,相比已有容忍TNUs的4种加固锁存器,仅有所提结构和TNURL可以从TNUs中自行恢复,其他3种加固锁存器均无法从TNUs中自行恢复,而且会在输出端产生高阻态;和TNURL结构相比,所提结构的功耗减小了35.3%,延迟减小了48.3%,功耗延迟积(power delay product,PDP)减少了67.6%.

低功耗容软错误的65 nm CMOS 12管SRAM单元

提出了一种具有软错误自恢复能力的12管SRAM单元。该单元省去了专用的存取管,具有高鲁棒性、低功耗的优点。在65 nm CMOS工艺下,该结构能够完全容忍单点翻转,容忍双点翻转的比例是64.29%,与DICE加固单元相比,双点翻转率降低了30.96%。与DICE、Quatro等相关SRAM加固单元相比,该SRAM单元的读操作电流平均下降了77.91%,动态功耗平均下降了60.21%,静态电流平均下降了44.60%,亚阈值泄漏电流平均下降了27.49%,适用于低功耗场合。

32nm CMOS工艺三点翻转自恢复锁存器设计

CMOS工艺的特征尺寸不断缩减,电荷共享效应诱发的单粒子三点翻转成为研究热点.本文提出了一种单粒子三点翻转自恢复的抗辐射加固锁存器:Hydra-DICE(Dual Interlocked Storage Cell).该锁存器基于24个同构的交叉耦合单元(Cross-Coupled Elements,CCE)排列成阵列结构.当内部任意三个节点同时发生单粒子翻转时,该锁存器都可以自行恢复到正确的逻辑值.与具有等效三点自恢复能力的TNURL(Triple Node Upset Self-Recoverable Latch)锁存器相比,该Hydra-DICE锁存器面积开销降低50%,延迟降低48.28%,功耗降低25%,功耗延迟积降低61.21%.仿真结果表明,该加固锁存器在容错性能、面积开销、延迟和功耗方面取得了很好的折中.

一种新型低功耗加固SRAM存储单元

提出了一种抗辐射加固12T SRAM存储单元。采用NMOS管组成的堆栈结构降低功耗,利用单粒子翻转特性来减少敏感节点,获得了良好的可靠性和低功耗。Hspice仿真结果表明,该加固SRAM存储单元能够完全容忍单点翻转,容忍双点翻转比例为33.33%。与其他10种存储单元相比,该存储单元的面积开销平均增加了3.90%,功耗、读时间和写时间分别平均减小了34.54%、6.99%、26.32%。电路静态噪声容限大且稳定性好。

基于温度传感器的硬件木马检测方法

针对硬件木马检测的旁路信号分析法中需要黄金模型、受工艺扰动影响大的问题,提出了一种基于温度传感器的硬件木马检测方法。采用抗工艺扰动设计使温度传感器受工艺扰动的影响程度低。将温度传感器植入芯片内部相似结构(存储单元、功能相同的模块等),读取温度传感器的频率信息,通过简单异常值分析法与差值分析法比对相似结构的频率差异,实现了硬件木马的检测。该方法既有效克服了工艺扰动的影响,又不需要黄金模型。温度传感器输出频率在最极端工艺角下的工艺扰动仅为9%。在SMIC 180 nm CMOS工艺下对高级加密标准(AES)电路的木马检测进行了验证,结果验证了该方法的有效性。

基于灵敏放大器的高性能低功耗触发器设计

文章提出了一种基于灵敏放大器的触发器设计,称为Cinv SAFF。Cinv SAFF沿用Con SAFF的主级部分,引入C单元加2个反相器构成的锁存器作为从级,有效地精简了晶体管的数量,降低了面积成本和功耗开销,其输出端反相器将输出电容负载与内部结构相隔离,起到屏蔽内部噪声及毛刺的作用。通过详尽的HSPICE实验,将所提出的Cinv SAFF与其他7种相关结构进行全面对比,仿真结果表明:Cinv SAFF适用于高速运行,可工作于2 GHz的高频环境下;与已有的SAFF相比,在不带负载的情况下,所提Cinv SAFF的功耗、面积开销、功耗延迟积平均减小了25.07%、25.63%、19.3%;而在带20 fF电容负载的情况下,Cinv SAFF的延迟和功耗平均减小了11.8%和19.95%。Cinv SAFF具有较好的功耗、面积开销和功耗延迟积特性,在延迟方面也具有一定可比性。