Sincronização em sistemas integrados a alta velocidade

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaA distribui ção de um sinal relógio, com elevada precisão espacial (baixo skew) e temporal (baixo jitter ), em sistemas sí ncronos de alta velocidade tem-se revelado uma tarefa cada vez mais demorada e complexa devido ao escalonamento da tecnologia. Com a diminuição das dimensões dos dispositivos e a integração crescente de mais funcionalidades nos Circuitos Integrados (CIs), a precisão associada as transições do sinal de relógio tem sido cada vez mais afectada por varia ções de processo, tensão e temperatura. Esta tese aborda o problema da incerteza de rel ogio em CIs de alta velocidade, com o objetivo de determinar os limites do paradigma de desenho sí ncrono. Na prossecu ção deste objectivo principal, esta tese propõe quatro novos modelos de incerteza com âmbitos de aplicação diferentes. O primeiro modelo permite estimar a incerteza introduzida por um inversor est atico CMOS, com base em parâmetros simples e su cientemente gen éricos para que possa ser usado na previsão das limitações temporais de circuitos mais complexos, mesmo na fase inicial do projeto. O segundo modelo, permite estimar a incerteza em repetidores com liga ções RC e assim otimizar o dimensionamento da rede de distribui ção de relógio, com baixo esfor ço computacional. O terceiro modelo permite estimar a acumula ção de incerteza em cascatas de repetidores. Uma vez que este modelo tem em considera ção a correla ção entre fontes de ruí do, e especialmente util para promover t ecnicas de distribui ção de rel ogio e de alimentação que possam minimizar a acumulação de incerteza. O quarto modelo permite estimar a incerteza temporal em sistemas com m ultiplos dom ínios de sincronismo. Este modelo pode ser facilmente incorporado numa ferramenta autom atica para determinar a melhor topologia para uma determinada aplicação ou para avaliar a tolerância do sistema ao ru ído de alimentação. Finalmente, usando os modelos propostos, são discutidas as tendências da precisão de rel ogio. Conclui-se que os limites da precisão do rel ogio são, em ultima an alise, impostos por fontes de varia ção dinâmica que se preveem crescentes na actual l ogica de escalonamento dos dispositivos. Assim sendo, esta tese defende a procura de solu ções em outros ní veis de abstração, que não apenas o ní vel f sico, que possam contribuir para o aumento de desempenho dos CIs e que tenham um menor impacto nos pressupostos do paradigma de desenho sí ncrono.Distributing a the clock simultaneously everywhere (low skew) and periodically everywhere (low jitter) in high-performance Integrated Circuits (ICs) has become an increasingly di cult and time-consuming task, due to technology scaling. As transistor dimensions shrink and more functionality is packed into an IC, clock precision becomes increasingly a ected by Process, Voltage and Temperature (PVT) variations. This thesis addresses the problem of clock uncertainty in high-performance ICs, in order to determine the limits of the synchronous design paradigm. In pursuit of this main goal, this thesis proposes four new uncertainty models, with di erent underlying principles and scopes. The rst model targets uncertainty in static CMOS inverters. The main advantage of this model is that it depends only on parameters that can easily be obtained. Thus, it can provide information on upcoming constraints very early in the design stage. The second model addresses uncertainty in repeaters with RC interconnects, allowing the designer to optimise the repeater's size and spacing, for a given uncertainty budget, with low computational e ort. The third model, can be used to predict jitter accumulation in cascaded repeaters, like clock trees or delay lines. Because it takes into consideration correlations among variability sources, it can also be useful to promote oorplan-based power and clock distribution design in order to minimise jitter accumulation. A fourth model is proposed to analyse uncertainty in systems with multiple synchronous domains. It can be easily incorporated in an automatic tool to determine the best topology for a given application or to evaluate the system's tolerance to power-supply noise. Finally, using the proposed models, this thesis discusses clock precision trends. Results show that limits in clock precision are ultimately imposed by dynamic uncertainty, which is expected to continue increasing with technology scaling. Therefore, it advocates the search for solutions at other abstraction levels, and not only at the physical level, that may increase system performance with a smaller impact on the assumptions behind the synchronous design paradigm