Analog Spiking Neuromorphic Circuits and Systems for Brain- and Nanotechnology-Inspired Cognitive Computing

Human society is now facing grand challenges to satisfy the growing demand for computing power, at the same time, sustain energy consumption. By the end of CMOS technology scaling, innovations are required to tackle the challenges in a radically different way. Inspired by the emerging understanding of the computing occurring in a brain and nanotechnology-enabled biological plausible synaptic plasticity, neuromorphic computing architectures are being investigated. Such a neuromorphic chip that combines CMOS analog spiking neurons and nanoscale resistive random-access memory (RRAM) using as electronics synapses can provide massive neural network parallelism, high density and online learning capability, and hence, paves the path towards a promising solution to future energy-efficient real-time computing systems. However, existing silicon neuron approaches are designed to faithfully reproduce biological neuron dynamics, and hence they are incompatible with the RRAM synapses, or require extensive peripheral circuitry to modulate a synapse, and are thus deficient in learning capability. As a result, they eliminate most of the density advantages gained by the adoption of nanoscale devices, and fail to realize a functional computing system. This dissertation describes novel hardware architectures and neuron circuit designs that synergistically assemble the fundamental and significant elements for brain-inspired computing. Versatile CMOS spiking neurons that combine integrate-and-fire, passive dense RRAM synapses drive capability, dynamic biasing for adaptive power consumption, in situ spike-timing dependent plasticity (STDP) and competitive learning in compact integrated circuit modules are presented. Real-world pattern learning and recognition tasks using the proposed architecture were demonstrated with circuit-level simulations. A test chip was implemented and fabricated to verify the proposed CMOS neuron and hardware architecture, and the subsequent chip measurement results successfully proved the idea. The work described in this dissertation realizes a key building block for large-scale integration of spiking neural network hardware, and then, serves as a step-stone for the building of next-generation energy-efficient brain-inspired cognitive computing systems

High-Bandwidth Voltage-Controlled Oscillator based architectures for Analog-to-Digital Conversion

The purpose of this thesis is the proposal and implementation of data conversion open-loop architectures based on voltage-controlled oscillators (VCOs) built with ring oscillators (RO-based ADCs), suitable for highly digital designs, scalable to the newest complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) nodes. The scaling of the design technologies into the nanometer range imposes the reduction of the supply voltage towards small and power-efficient architectures, leading to lower voltage overhead of the transistors. Additionally, phenomena like a lower intrinsic gain, inherent noise, and parasitic effects (mismatch between devices and PVT variations) make the design of classic structures for ADCs more challenging. In recent years, time-encoded A/D conversion has gained relevant popularity due to the possibility of being implemented with mostly digital structures. Within this trend, VCOs designed with ring oscillator based topologies have emerged as promising candidates for the conception of new digitization techniques. RO-based data converters show excellent scalability and sensitivity, apart from some other desirable properties, such as inherent quantization noise shaping and implicit anti-aliasing filtering. However, their nonlinearity and the limited time delay achievable in a simple NOT gate drastically limits the resolution of the converter, especially if we focus on wide-band A/D conversion. This thesis proposes new ways to alleviate these issues. Firstly, circuit-based techniques to compensate for the nonlinearity of the ring oscillator are proposed and compared to equivalent state-of-the-art solutions. The proposals are designed and simulated in a 65-nm CMOS node for open-loop RO-based ADC architectures. One of the techniques is also validated experimentally through a prototype. Secondly, new ways to artificially increase the effective oscillation frequency are introduced and validated by simulations. Finally, new approaches to shape the quantization noise and filter the output spectrum of a RO-based ADC are proposed theoretically. In particular, a quadrature RO-based band-pass ADC and a power-efficient Nyquist A/D converter are proposed and validated by simulations. All the techniques proposed in this work are especially devoted for highbandwidth applications, such as Internet-of-Things (IoT) nodes or maximally digital radio receivers. Nevertheless, their field of application is not restricted to them, and could be extended to others like biomedical instrumentation or sensing.El propósito de esta tesis doctoral es la propuesta y la implementación de arquitecturas de conversión de datos basadas en osciladores en anillos, compatibles con diseños mayoritariamente digitales, escalables en los procesos CMOS de fabricación más modernos donde las estructuras digitales se ven favorecidas. La miniaturización de las tecnologías CMOS de diseño lleva consigo la reducción de la tensión de alimentación para el desarrollo de arquitecturas pequeñas y eficientes en potencia. Esto reduce significativamente la disponibilidad de tensión para saturar transistores, lo que añadido a una ganancia cada vez menor de los mismos, ruido y efectos parásitos como el “mismatch” y las variaciones de proceso, tensión y temperatura han llevado a que sea cada vez más complejo el diseño de estructuras analógicas eficientes. Durante los últimos años la conversión A/D basada en codificación temporal ha ganado gran popularidad dado que permite la implementación de estructuras mayoritariamente digitales. Como parte de esta evolución, los osciladores controlados por tensión diseñados con topologías de oscilador en anillo han surgido como un candidato prometedor para la concepción de nuevas técnicas de digitalización. Los convertidores de datos basados en osciladores en anillo son extremadamente sensibles (variación de frecuencia con respecto a la señal de entrada) así como escalables, además de otras propiedades muy atractivas, como el conformado espectral de ruido de cuantificación y el filtrado “anti-aliasing”. Sin embargo, su respuesta no lineal y el limitado tiempo de retraso alcanzable por una compuerta NOT restringen la resolución del conversor, especialmente para conversión A/D en aplicaciones de elevado ancho de banda. Esta tesis doctoral propone nuevas técnicas para aliviar este tipo de problemas. En primer lugar, se proponen técnicas basadas en circuito para compensar el efecto de la no linealidad en los osciladores en anillo, y se comparan con soluciones equivalentes ya publicadas. Las propuestas se diseñan y simulan en tecnología CMOS de 65 nm para arquitecturas en lazo abierto. Una de estas técnicas presentadas es también validada experimentalmente a través de un prototipo. En segundo lugar, se introducen y validan por simulación varias formas de incrementar artificialmente la frecuencia de oscilación efectiva. Para finalizar, se proponen teóricamente dos enfoques para configurar nuevas formas de conformación del ruido de cuantificación y filtrado del espectro de salida de los datos digitales. En particular, son propuestos y validados por simulación un ADC pasobanda en cuadratura de fase y un ADC de Nyquist de gran eficiencia en potencia. Todas las técnicas propuestas en este trabajo están destinadas especialmente para aplicaciones de alto ancho de banda, tales como módulos para el Internet de las cosas o receptores de radiofrecuencia mayoritariamente digitales. A pesar de ello, son extrapolables también a otros campos como el de la instrumentación biomédica o el de la medición de señales mediante sensores.Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Juan Pablo Alegre Pérez.- Secretario: Celia López Ongil.- Vocal: Fernando Cardes Garcí

Linearization of Time-encoded ADCs Architectures for Smart MEMS Sensors in Low Power CMOS Technology

Mención Internacional en el título de doctorIn the last few years, the development of mobile technologies and machine learning applications has increased the demand of MEMS-based digital microphones. Mobile devices have several microphones enabling noise canceling, acoustic beamforming and speech recognition. With the development of machine learning applications the interest to integrate sensors with neural networks has increased. This has driven the interest to develop digital microphones in nanometer CMOS nodes where the microphone analog-front end and digital processing, potentially including neural networks, is integrated on the same chip. Traditionally, analog-to-digital converters (ADCs) in digital microphones have been implemented using high order Sigma-Delta modulators. The most common technique to implement these high order Sigma-Selta modulators is switchedcapacitor CMOS circuits. Recently, to reduce power consumption and make them more suitable for tasks that require always-on operation, such as keyword recognition, switched-capacitor circuits have been improved using inverter-based operational amplifier integrators. Alternatively, switched-capacitor based Sigma- Delta modulators have been replaced by continuous time Sigma-Delta converters. Nevertheless, in both implementations the input signal is voltage encoded across the modulator, making the integration in smaller CMOS nodes more challenging due to the reduced voltage supply. An alternative technique consists on encoding the input signal on time (or frequency) instead of voltage. This is what time-encoded converters do. Lately, time-encoding converters have gained popularity as they are more suitable to nanometer CMOS nodes than Sigma-Delta converters. Among the ones that have drawn more interest we find voltage-controlled oscillator based ADCs (VCOADCs). VCO-ADCs can be implemented using CMOS inverter based ring oscillators (RO) and digital circuitry. They also show noise-shaping properties. This makes them a very interesting alternative for implementation of ADCs in nanometer CMOS nodes. Nevertheless, two main circuit impairments are present in VCO-ADCs, and both come from the oscillator non-idealities. The first of them is the oscillator phase noise, that reduces the resolution of the ADC. The second is the non-linear tuning curve of the oscillator, that results in harmonic distortion at medium to high input amplitudes. In this thesis we analyze the use of time encoding ADCs for MEMS microphones with special focus on ring oscillator based ADCs (RO-ADCs). Firstly, we study the use of a dual-slope based SAR noise shaped quantizer (SAR-NSQ) in sigma-delta loops. This quantizer adds and extra level of noise-shaping to the modulator, improving the resolution. The quantizer is explained, and equations for the noise transfer function (NTF) of a third order sigma-delta using a second order filter and the NSQ are presented. Secondly, we move our attention to the topic of RO-ADCs. We present a high dynamic range MEMS microphone 130nm CMOS chip based on an open-loop VCO-ADC. This dissertation shows the implementation of the analog front-end that includes the oscillator and the MEMS interface, with a focus on achieving low power consumption with low noise and a high dynamic range. The digital circuitry is left to be explained by the coauthor of the chip in his dissertation. The chip achieves a 80dBA peak SNDR and 108dB dynamic range with a THD of 1.5% at 128 dBSPL with a power consumption of 438μW. After that, we analyze the use of a frequency-dependent-resistor (FDR) to implement an unsampled feedback loop around the oscillator. The objective is to reduce distortion. Additionally phase noise mitigation is achieved. A first topology including an operational amplifier to increase the loop gain is analyzed. The design is silicon proven in a 130 nm CMOS chip that achieves a 84 dBA peak SNDR with an analog power consumption of 600μW. A second topology without the operational amplifier is also analyzed. Two chips are designed with this topology. The first chip in 130 nm CMOS is a full VCO-ADC including the frequencyto- digital converter (F2D). This chip achieves a peak SNDR of 76.6 dBA with a power consumption of 482μW. The second chip includes only the oscillator and is implemented in 55nm CMOS. The peak SNDR is 78.15 dBA and the analog power consumption is 153μW. To finish this thesis, two circuits that use an FDR with a ring oscillator are presented. The first is a capacity-to-digital converter (CDC). The second is a filter made with an FDR and an oscillator intended for voice activity detection tasks (VAD).En los últimos años, el desarrollo de las tecnologías móviles y las aplicaciones de machine-learning han aumentado la demanda de micrófonos digitales basados en MEMS. Los dipositivos móviles tienen varios micrófonos que permiten la cancelación de ruido, el beamforming o conformación de haces y el reconocimiento de voz. Con el desarrollo de aplicaciones de aprendizaje automático, el interés por integrar sensores con redes neuronales ha aumentado. Esto ha impulsado el interés por desarrollar micrófonos digitales en nodos CMOS nanométricos donde el front-end analógico y el procesamiento digital del micrófono, que puede incluir redes neuronales, está integrado en el mismo chip. Tradicionalmente, los convertidores analógicos-digitales (ADC) en micrófonos digitales han sido implementados utilizando moduladores Sigma-Delta de orden elevado. La técnica más común para implementar estos moduladores Sigma- Delta es el uso de circuitos CMOS de capacidades conmutadas. Recientemente, para reducir el consumo de potencia y hacerlos más adecuados para las tareas que requieren una operación continua, como el reconocimiento de palabras clave, los convertidores Sigma-Delta de capacidades conmutadas has sido mejorados con el uso de integradores implementados con amplificadores operacionales basados en inversores CMOS. Alternativamente, los Sigma-Delta de capacidades conmutadas han sido reemplazados por moduladores en tiempo continuo. No obstante, en ambas implementaciones, la señal de entrada es codificada en voltaje durante el proceso de conversión, lo que hace que la integración en nodos CMOS más pequeños sea complicada debido a la menor tensión de alimentación. Una técnica alternativa consiste en codificar la señal de entrada en tiempo (o frecuencia) en lugar de tensión. Esto es lo que hacen los convertidores de codificación temporal. Recientemente, los convertidores de codificación temporal han ganado popularidad ya que son más adecuados para nodos CMOS nanométricos que los convertidores Sigma-Delta. Entre los que más interés han despertado encontramos los ADCs basados en osciladores controlados por tensión (VCO-ADC). Los VCO-ADC se pueden implementar usando osciladores en anillo (RO) implementados con inversores CMOS y circuitos digitales. Esta familia de convertidores también tiene conformado de ruido. Esto los convierte en una alternativa muy interesante para la implementación de convertidores en nodos CMOS nanométricos. Sin embargo, dos problemas principales están presentes en este tipo de ADCs debidos ambos a las no idealidades del oscilador. El primero de los problemas es la presencia de ruido de fase en el oscilador, lo que reduce la resolución del ADC. El segundo es la curva de conversion voltaje-frecuencia no lineal del oscilador, lo que causa distorsión a amplitudes medias y altas. En esta tesis analizamos el uso de ADCs de codificación temporal para micrófonos MEMS, con especial interés en ADCS basados en osciladores de anillo (RO-ADC). En primer lugar, estudiamos el uso de un cuantificador SAR con conformado de ruido (SAR-NSQ) en moduladores Sigma-Delta. Este cuantificador agrega un orden adicional de conformado de ruido al modulador, mejorando la resolución. En este documento se explica el cuantificador y obtienen las ecuaciones para la función de transferencia de ruido (NTF) de un sigma-delta de tercer orden usando un filtro de segundo orden y el NSQ. En segundo lugar, dirigimos nuestra atención al tema de los RO-ADC. Presentamos el chip de un micrófono MEMS de alto rango dinámico en CMOS de 130 nm basado en un VCO-ADC de bucle abierto. En esta tesis se explica la implementación del front-end analógico que incluye el oscilador y la interfaz con el MEMS. Esta implementación se ha llevado a cabo con el objetivo de lograr un bajo consumo de potencia, un bajo nivel de ruido y un alto rango dinámico. La descripción del back-end digital se deja para la tesis del couator del chip. La SNDR de pico del chip es de 80dBA y el rango dinámico de 108dB con una THD de 1,5% a 128 dBSPL y un consumo de potencia de 438μW. Finalmente, se analiza el uso de una resistencia dependiente de frecuencia (FDR) para implementar un bucle de realimentación no muestreado alrededor del oscilador. El objetivo es reducir la distorsión. Además, también se logra la mitigación del ruido de fase del oscilador. Se analyza una primera topologia de realimentación incluyendo un amplificador operacional para incrementar la ganancia de bucle. Este diseño se prueba en silicio en un chip CMOS de 130nm que logra un pico de SNDR de 84 dBA con un consumo de potencia de 600μW en la parte analógica. Seguidamente, se analiza una segunda topología sin el amplificador operacional. Se fabrican y miden dos chips diseñados con esta topologia. El primero de ellos en CMOS de 130 nm es un VCO-ADC completo que incluye el convertidor de frecuencia a digital (F2D). Este chip alcanza un pico SNDR de 76,6 dBA con un consumo de potencia de 482μW. El segundo incluye solo el oscilador y está implementado en CMOS de 55nm. El pico SNDR es 78.15 dBA y el el consumo de potencia analógica es de 153μW. Para cerrar esta tesis, se presentan dos circuitos que usan la FDR con un oscilador en anillo. El primero es un convertidor de capacidad a digital (CDC). El segundo es un filtro realizado con una FDR y un oscilador, enfocado a tareas de detección de voz (VAD).Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Antonio Jesús Torralba Silgado.- Secretaria: María Luisa López Vallejo.- Vocal: Pieter Rombout

Smart cmos image sensor for 3d measurement

3D measurements are concerned with extracting visual information from the geometry of visible surfaces and interpreting the 3D coordinate data thus obtained, to detect or track the position or reconstruct the profile of an object, often in real time. These systems necessitate image sensors with high accuracy of position estimation and high frame rate of data processing for handling large volumes of data. A standard imager cannot address the requirements of fast image acquisition and processing, which are the two figures of merit for 3D measurements. Hence, dedicated VLSI imager architectures are indispensable for designing these high performance sensors. CMOS imaging technology provides potential to integrate image processing algorithms on the focal plane of the device, resulting in smart image sensors, capable of achieving better processing features in handling massive image data. The objective of this thesis is to present a new architecture of smart CMOS image sensor for real time 3D measurement using the sheet-beam projection methods based on active triangulation. Proposing the vision sensor as an ensemble of linear sensor arrays, all working in parallel and processing the entire image in slices, the complexity of the image-processing task shifts from O (N 2 ) to O (N). Inherent also in the design is the high level of parallelism to achieve massive parallel processing at high frame rate, required in 3D computation problems. This work demonstrates a prototype of the smart linear sensor incorporating full testability features to test and debug both at device and system levels. The salient features of this work are the asynchronous position to pulse stream conversion, multiple images binarization, high parallelism and modular architecture resulting in frame rate and sub-pixel resolution suitable for real time 3D measurements

Radiation Tolerant Electronics, Volume II

Research on radiation tolerant electronics has increased rapidly over the last few years, resulting in many interesting approaches to model radiation effects and design radiation hardened integrated circuits and embedded systems. This research is strongly driven by the growing need for radiation hardened electronics for space applications, high-energy physics experiments such as those on the large hadron collider at CERN, and many terrestrial nuclear applications, including nuclear energy and safety management. With the progressive scaling of integrated circuit technologies and the growing complexity of electronic systems, their ionizing radiation susceptibility has raised many exciting challenges, which are expected to drive research in the coming decade.After the success of the first Special Issue on Radiation Tolerant Electronics, the current Special Issue features thirteen articles highlighting recent breakthroughs in radiation tolerant integrated circuit design, fault tolerance in FPGAs, radiation effects in semiconductor materials and advanced IC technologies and modelling of radiation effects

Digital-Based Analog Processing in Nanoscale CMOS ICs for IoT Applications

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen