Robust Circuit Design for Low-Voltage VLSI.

Voltage scaling is an effective way to reduce the overall power consumption, but the major challenges in low voltage operations include performance degradation and reliability issues due to PVT variations. This dissertation discusses three key circuit components that are critical in low-voltage VLSI. Level converters must be a reliable interface between two voltage domains, but the reduced on/off-current ratio makes it extremely difficult to achieve robust conversions at low voltages. Two static designs are proposed: LC2 adopts a novel pulsed-operation and modulates its pull-up strength depending on its state. A 3-sigma robustness is guaranteed using a current margin plot; SLC inherently reduces the contention by diode-insertion. Improvements in performance, power, and robustness are measured from 130nm CMOS test chips. SRAM is a major bottleneck in voltage-scaling due to its inherent ratioed-bitcell design. The proposed 7T SRAM alleviates the area overhead incurred by 8T bitcells and provides robust operation down to 0.32V in 180nm CMOS test chips with 3.35fW/bit leakage. Auto-Shut-Off provides a 6.8x READ energy reduction, and its innate Quasi-Static READ has been demonstrated which shows a much improved READ error rate. A use of PMOS Pass-Gate improves the half-select robustness by directly modulating the device strength through bitline voltage. Clocked sequential elements, flip-flops in short, are ubiquitous in today’s digital systems. The proposed S2CFF is static, single-phase, contention-free, and has the same number of devices as in TGFF. It shows a 40% power reduction as well as robust low-voltage operations in fabricated 45nm SOI test chips. Its simple hold-time path and the 3.4x improvement in 3-sigma hold-time is presented. A new on-chip flip-flop testing harness is also proposed, and measured hold-time variations of flip-flops are presented.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/111525/1/yejoong_1.pd

Low-Power Redundant-Transition-Free TSPC Dual-Edge-Triggering Flip-Flop Using Single-Transistor-Clocked Buffer

In the modern graphics processing unit (GPU)/artificial intelligence (AI) era, flip-flop (FF) has become one of the most power-hungry blocks in processors. To address this issue, a novel single-phase-clock dual-edge-triggering (DET) FF using a single-transistor-clocked (STC) buffer (STCB) is proposed. The STCB uses a single-clocked transistor in the data sampling path, which completely removes clock redundant transitions (RTs) and internal RTs that exist in other DET designs. Verified by post-layout simulations in 22 nm fully depleted silicon on insulator (FD-SOI) CMOS, when operating at 10% switching activity, the proposed STC-DET outperforms prior state-of-the-art low-power DET in power consumption by 14% and 9.5%, at 0.4 and 0.8 V, respectively. It also achieves the lowest power-delay-product (PDP) among the DETs

Clock Gating Flip-Flop using Embedded XoR Circuitry

Flip flops/Pulsed latches are one of the main contributors of dynamic power consumption. In this paper, a novel flip-flop (FF) using clock gating circuitry with embedded XOR, GEMFF, is proposed. Using post layout simulation with 45nm technology, GEMFF outperforms prior state-of-the-art flip-flop by 25.1% at 10% data switching activity in terms of power consumption

A Comparative Analysis for Low-voltage, Low-power, and Low-energy Flip-flops

Recently, several flip-flops have been proposed to increase their speed while reducing their power and energy consumption. Flip-flop power is dependent on data activity and in many applications data activity is between 5-15%. In such cases, significantly large clock power and energy is wasted. This thesis explores performance of seven advanced D flip-flops in terms of power, delay, and energy using 65nm CMOS process technology. The main objective of this research is to compare and contrast recent flip-flops under different voltage and data activity conditions, and draw conclusions. Transmission gate flip-flop (TGFF) is used as a reference flip-flop, and based on comparison result TGFF has shown power-performance trade-offs. 18-T single-phase clocked static flip-flops (18TSPC, TSPC18), and Low-power at low data activity flip-flop (LLFF) are the fastest alternatives suitable for higher performance. However, LLFF consumes more power on higher data activities, where as TSPC18 and 18TSPC consume more power on lower data activities. For lower data activities Topologically compressed flip-flop (TCFF) is power efficient amongst all, but poor in performance. Furthermore, post-layout simulation result illustrates that LLFF is the most energy efficient amongst all up to 20% of data activities, and 18TSPC is energy efficient for higher data activities

Review of Clocked Storage Elements in Digital Circuit Design

Storage of digital circuit is "state" or memory. These are called sequential circuits. The most fundamental sequential circuit type that we will ponder is known as the Flip-Flop. It is ponder four distinct assortments of these gadgets and their utilization in registers and register documents, which can be considered as one type of on– CPU memory. The traditional memory, called RAM, is ordinarily not on the CPU chip. Regular Slam and its assortments, including RAM, ROM, SRAM, Measure, and SDRAM. True single-phase clock (TSPC) method of reasoning has found wide use in advanced plan. At first as a quick topology, the TSPC structure in like manner eats up less power and includes less areas than various systems. In flip-flop plan only a single transistor is being clocked by short heartbeat get ready which is known as True Single Phase Clocking (TSPC) flip-flop

Energy Consumption Evaluation of Flip-Flops for Dynamic Voltage Scaling Systems and Circulating-Temperature Applications

CMOS circuit technology has developed with a help of transistor scaling. In past decades, previous studies found that operating environment of digital system affects circuit performance significantly. For example, extensive research has been performed to learn temperature dependency of CMOS circuits and optimize their performance at given temperature. Adaptive voltage scaling (AVS) is one of the important techniques, responses to operating temperature and dynamically change supply voltage of digital circuits to optimize circuit performance. AVS can enable energy optimization for a system experiencing significant temperature variation, including a space satellite. However, inappropriate AVS results in functional failure in an extreme condition, which can cause substantial problem for a critical mission. This work proposes technique to evaluate recently published flip-flops considering their power-delay product (PDP) and reliability for an AVS system operating under circulating temperature. The 8 flip-flops are evaluated under different temperature and supply voltage. Their PDPs are compared assuming that temperature changes linearly. Functional reliability is quantitatively evaluated using corner and Monte-Carlo simulations, and failure mechanisms of flip-flops are discussed as well

Reliable Low-Power High Performance Spintronic Memories

Moores Gesetz folgend, ist es der Chipindustrie in den letzten fünf Jahrzehnten gelungen, ein explosionsartiges Wachstum zu erreichen. Dies hatte ebenso einen exponentiellen Anstieg der Nachfrage von Speicherkomponenten zur Folge, was wiederum zu speicherlastigen Chips in den heutigen Computersystemen führt. Allerdings stellen traditionelle on-Chip Speichertech- nologien wie Static Random Access Memories (SRAMs), Dynamic Random Access Memories (DRAMs) und Flip-Flops eine Herausforderung in Bezug auf Skalierbarkeit, Verlustleistung und Zuverlässigkeit dar. Eben jene Herausforderungen und die überwältigende Nachfrage nach höherer Performanz und Integrationsdichte des on-Chip Speichers motivieren Forscher, nach neuen nichtflüchtigen Speichertechnologien zu suchen. Aufkommende spintronische Spe- ichertechnologien wie Spin Orbit Torque (SOT) und Spin Transfer Torque (STT) erhielten in den letzten Jahren eine hohe Aufmerksamkeit, da sie eine Reihe an Vorteilen bieten. Dazu gehören Nichtflüchtigkeit, Skalierbarkeit, hohe Beständigkeit, CMOS Kompatibilität und Unan- fälligkeit gegenüber Soft-Errors. In der Spintronik repräsentiert der Spin eines Elektrons dessen Information. Das Datum wird durch die Höhe des Widerstandes gespeichert, welche sich durch das Anlegen eines polarisierten Stroms an das Speichermedium verändern lässt. Das Prob- lem der statischen Leistung gehen die Speichergeräte sowohl durch deren verlustleistungsfreie Eigenschaft, als auch durch ihr Standard- Aus/Sofort-Ein Verhalten an. Nichtsdestotrotz sind noch andere Probleme, wie die hohe Zugriffslatenz und die Energieaufnahme zu lösen, bevor sie eine verbreitete Anwendung finden können. Um diesen Problemen gerecht zu werden, sind neue Computerparadigmen, -architekturen und -entwurfsphilosophien notwendig. Die hohe Zugriffslatenz der Spintroniktechnologie ist auf eine vergleichsweise lange Schalt- dauer zurückzuführen, welche die von konventionellem SRAM übersteigt. Des Weiteren ist auf Grund des stochastischen Schaltvorgangs der Speicherzelle und des Einflusses der Prozessvari- ation ein nicht zu vernachlässigender Zeitraum dafür erforderlich. In diesem Zeitraum wird ein konstanter Schreibstrom durch die Bitzelle geleitet, um den Schaltvorgang zu gewährleisten. Dieser Vorgang verursacht eine hohe Energieaufnahme. Für die Leseoperation wird gleicher- maßen ein beachtliches Zeitfenster benötigt, ebenfalls bedingt durch den Einfluss der Prozess- variation. Dem gegenüber stehen diverse Zuverlässigkeitsprobleme. Dazu gehören unter An- derem die Leseintereferenz und andere Degenerationspobleme, wie das des Time Dependent Di- electric Breakdowns (TDDB). Diese Zuverlässigkeitsprobleme sind wiederum auf die benötigten längeren Schaltzeiten zurückzuführen, welche in der Folge auch einen über längere Zeit an- liegenden Lese- bzw. Schreibstrom implizieren. Es ist daher notwendig, sowohl die Energie, als auch die Latenz zur Steigerung der Zuverlässigkeit zu reduzieren, um daraus einen potenziellen Kandidaten für ein on-Chip Speichersystem zu machen. In dieser Dissertation werden wir Entwurfsstrategien vorstellen, welche das Ziel verfolgen, die Herausforderungen des Cache-, Register- und Flip-Flop-Entwurfs anzugehen. Dies erre- ichen wir unter Zuhilfenahme eines Cross-Layer Ansatzes. Für Caches entwickelten wir ver- schiedene Ansätze auf Schaltkreisebene, welche sowohl auf der Speicherarchitekturebene, als auch auf der Systemebene in Bezug auf Energieaufnahme, Performanzsteigerung und Zuver- lässigkeitverbesserung evaluiert werden. Wir entwickeln eine Selbstabschalttechnik, sowohl für die Lese-, als auch die Schreiboperation von Caches. Diese ist in der Lage, den Abschluss der entsprechenden Operation dynamisch zu ermitteln. Nachdem der Abschluss erkannt wurde, wird die Lese- bzw. Schreiboperation sofort gestoppt, um Energie zu sparen. Zusätzlich limitiert die Selbstabschalttechnik die Dauer des Stromflusses durch die Speicherzelle, was wiederum das Auftreten von TDDB und Leseinterferenz bei Schreib- bzw. Leseoperationen re- duziert. Zur Verbesserung der Schreiblatenz heben wir den Schreibstrom an der Bitzelle an, um den magnetischen Schaltprozess zu beschleunigen. Um registerbankspezifische Anforderungen zu berücksichtigen, haben wir zusätzlich eine Multiport-Speicherarchitektur entworfen, welche eine einzigartige Eigenschaft der SOT-Zelle ausnutzt, um simultan Lese- und Schreiboperatio- nen auszuführen. Es ist daher möglich Lese/Schreib- Konfilkte auf Bitzellen-Ebene zu lösen, was sich wiederum in einer sehr viel einfacheren Multiport- Registerbankarchitektur nieder- schlägt. Zusätzlich zu den Speicheransätzen haben wir ebenfalls zwei Flip-Flop-Architekturen vorgestellt. Die erste ist eine nichtflüchtige non-Shadow Flip-Flop-Architektur, welche die Speicherzelle als aktive Komponente nutzt. Dies ermöglicht das sofortige An- und Ausschalten der Versorgungss- pannung und ist daher besonders gut für aggressives Powergating geeignet. Alles in Allem zeigt der vorgestellte Flip-Flop-Entwurf eine ähnliche Timing-Charakteristik wie die konventioneller CMOS Flip-Flops auf. Jedoch erlaubt er zur selben Zeit eine signifikante Reduktion der statis- chen Leistungsaufnahme im Vergleich zu nichtflüchtigen Shadow- Flip-Flops. Die zweite ist eine fehlertolerante Flip-Flop-Architektur, welche sich unanfällig gegenüber diversen Defekten und Fehlern verhält. Die Leistungsfähigkeit aller vorgestellten Techniken wird durch ausführliche Simulationen auf Schaltkreisebene verdeutlicht, welche weiter durch detaillierte Evaluationen auf Systemebene untermauert werden. Im Allgemeinen konnten wir verschiedene Techniken en- twickeln, die erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Performanz, Energie und Zuverlässigkeit von spintronischen on-Chip Speichern, wie Caches, Register und Flip-Flops erreichen

Single Event Effect Hardening Designs in 65nm CMOS Bulk Technology

Radiation from terrestrial and space environments is a great danger to integrated circuits (ICs). A single particle from a radiation environment strikes semiconductor materials resulting in voltage and current perturbation, where errors are induced. This phenomenon is termed a Single Event Effect (SEE). With the shrinking of transistor size, charge sharing between adjacent devices leads to less effectiveness of current radiation hardening methods. Improving fault-tolerance of storage cells and logic gates in advanced technologies becomes urgent and important. A new Single Event Upset (SEU) tolerant latch is proposed based on a previous hardened Quatro design. Soft error analysis tools are used and results show that the critical charge of the proposed design is approximately 2 times higher than that of the reference design with negligible penalty in area, delay, and power consumption. A test chip containing the proposed flip-flop chains was designed and exposed to alpha particles as well as heavy ions. Radiation experimental results indicate that the soft error rates of the proposed design are greatly reduced when Linear Energy Transfer (LET) is lower than 4, which makes it a suitable candidate for ground-level high reliability applications. To improve radiation tolerance of combinational circuits, two combinational logic gates are proposed. One is a layout-based hardening Cascode Voltage Switch Logic (CVSL) and the other is a fault-tolerant differential dynamic logic. Results from a SEE simulation tool indicate that the proposed CVSL has a higher critical charge, less cross section, and shorter Single Event Transient (SET) pulses when compared with reference designs. Simulation results also reveal that the proposed differential dynamic logic significantly reduces the SEU rate compared to traditional dynamic logic, and has a higher critical charge and shorter SET pulses than reference hardened design