Digital and Analog Computing Paradigms in Printed Electronics

Da das Ende von Moore\u27s Gesetz schon absehbar ist, müssen neue Wege gefunden werden um den innovationsgetriebenen IT-Markt mit neuartiger Elektronik zu sättigen. Durch den Einsatz von kostengünstiger Hardware mit flexiblem Formfaktor, welche auf neuartigen Materialien und Technologien beruhen, können neue Anwendungsbereiche erschlossen werden, welche über konventionelle siliziumbasierte Elektronik hinausgehen. Im Fokus sind hier insbesondere elektronische Systeme, welche es ermöglichen Konsumgüter für den täglichen Bedarf zu überwachen - z.B. im Zusammenhang einer Qualitätskontrolle - indem sie in das Produkt integriert werden als Teil einer intelligenten Verpackung und dadurch nur begrenzte Produktlebenszeit erfordern. Weitere vorhersehbare Anwendungsbereiche sind tragbare Elektronik oder Produkte für das "Internet der Dinge". Hier entstehen Systemanforderungen wie flexible, dehnbare Hardware unter Einsatz von ungiftigen Materialien. Aus diesem Grund werden additive Technologien herangezogen, wie zum Beispiel gedruckte Elektronik, welche als komplementär zu siliziumbasierten Technologien betrachtet wird, da sie durch den simplen Herstellungsprozess sehr geringe Produktionskosten ermöglicht, und darüber hinaus auf ungiftigen und funktionalen Materialien basiert, welche auf flexible Plastik- oder Papiersubstrate aufgetragen werden können. Unter den verschiedenen Druckprozessen ist insbesondere der Tintenstrahldruck für zukünftige gedruckte Elektronikanwendungen interessant, da er eine Herstellung vor Ort und nach Bedarf ermöglicht auf Grund seines maskenlosen Druckprozesses. Da sich jedoch die Technologie der Tintenstrahl-druckbaren Elektronik in der Frühphasenentwicklung befindet, ist es fraglich ob Schaltungen für zukünftige Anwendungsfelder überhaupt entworfen werden können, beziehungsweise ob sie überhaupt herstellbar sind. Da die laterale Auflösung von Druckprozessen sich um mehrere Größenordnungen über siliziumbasierten Herstellungstechnologien befindet und des Weiteren entweder nur p- oder n-dotierte Transistoren verfügbar sind, können existierende Schaltungsentwürfe nicht direkt in die gedruckte Elektronik überführt werden. Dies führt zu der wissenschaftlichen Fragestellung, welche Rechenparadigmen überhaupt sinnvoll anwendbar sind im Bereich der gedruckten Elektronik. Die Beantwortung dieser Frage wird Schaltungsdesignern in der Zukunft helfen, erfolgreich gedruckte Schaltungen für den sich rasch entwickelnden Konsumgütermarkt zu entwerfen und zu produzieren. Aus diesem Anlass exploriert diese Arbeit verschiedene Rechenparadigmen und Schaltungsentwürfe, welche als essenziell für zukünftige, gedruckte Systeme betrachtet werden. Die erfolgte Analyse beruht auf der recht jungen "Electrolyte-gated Transistor" (EGT) Technologie, welche auf einem kostengünstigen Tintenstrahldruckverfahren basiert und sehr geringe Betriebsspannungen ermöglicht. Da bisher nur einfache Logik-Gatter in der EGT-Technologie realisiert wurden, wird in dieser Arbeit der Entwurfsraum weiter exploriert, durch die Entwicklung von gedruckten Speicherbausteinen, Lookup Tabellen, künstliche Neuronen und Entscheidungsbäume. Besonders bei dem künstlichen Neuron und den Entscheidungsbäumen wird Bezug auf Hardware-Implementierungen von Algorithmen des maschinellen Lernens gemacht und die Skalierung der Schaltungen auf die Anwendungsebene aufgezeigt. Die Rechenparadigmen, welche in dieser Arbeit evaluiert wurden, reichen von digitalen, analogen, neuromorphen Berechnungen bis zu stochastischen Verfahren. Zusätzlich wurden individuell anpassbare Schaltungsentwürfe untersucht, welche durch das Tintenstrahldruckverfahren ermöglicht werden und zu substanziellen Verbesserungen bezüglich des Flächenbedarfs, Leistungsverbrauch und Schaltungslatenzen führen, indem variable Entwurfsparameter in die Schaltung fest verdrahtet werden. Da die explorierten Schaltungen die Komplexität von bisher hergestellter, gedruckter Hardware weit übertreffen, ist es prinzipiell nicht automatisch garantiert, dass sie herstellbar sind, was insbesondere die nicht-digitalen Schaltungen betrifft. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit EGT-basierte Hardware-Prototypen hergestellt und bezüglich Flächenbedarf, Leistungsverbrauch und Latenz charakterisiert. Die Messergebnisse können verwendet werden, um eine Extrapolation auf komplexere anwendungsbezogenere Schaltungsentwürfe durchzuführen. In diesem Zusammenhang wurden Validierungen von den entwickelten Hardware-Implementierungen von Algorithmen des maschinellen Lernens durchgeführt, um einen Wirksamkeitsnachweis zu erhalten. Die Ergebnisse dieser Thesis führen zu mehreren Schlussfolgerungen. Zum ersten kann gefolgert werden, dass die sequentielle Verarbeitung von Algorithmen in gedruckter EGT-basierter Hardware prinzipiell möglich ist, da, wie in dieser Arbeit dargestellt wird, neben kombinatorischen Schaltungen auch Speicherbausteine implementiert werden können. Letzteres wurde experimentell validiert. Des Weiteren können analoge und neuromorphe Rechenparadigmen sinnvoll eingesetzt werden, um gedruckte Hardware für maschinelles Lernen zu realisieren, um gegenüber konventionellen Methoden die Komplexität von Schaltungsentwürfen erheblich zu minimieren, welches schlussendlich zu einer höheren Produktionsausbeute im Herstellungsprozess führt. Ebenso können neuronale Netzwerkarchitekturen, welche auf Stochastic Computing basieren, zur Reduzierung des Hardwareumfangs gegenüber konventionellen Implementierungen verwendet werden. Letztlich kann geschlussfolgert werden, dass durch den Tintenstrahldruckprozess Schaltungsentwürfe bezüglich Kundenwünschen während der Herstellung individuell angepasst werden können, um die Anwendbarkeit von gedruckter Hardware generell zu erhöhen, da auch hier geringerer Hardwareaufwand im Vergleich zu konventionellen Schaltungsentwürfen erreicht wird. Es wird antizipiert, dass die in dieser Thesis vorgestellten Forschungsergebnisse relevant sind für Informatiker, Elektrotechniker und Materialwissenschaftler, welche aktiv im Bereich der druckbaren Elektronik arbeiten. Die untersuchten Rechenparadigmen und ihr Einfluss auf Verhalten und wichtige Charakteristiken gedruckter Hardware geben Einblicke darüber, wie gedruckte Schaltungen in der Zukunft effizient umgesetzt werden können, um neuartige auf Druckverfahren-basierte Produkte im Elektronikbereich zu ermöglichen

Techniques of Energy-Efficient VLSI Chip Design for High-Performance Computing

How to implement quality computing with the limited power budget is the key factor to move very large scale integration (VLSI) chip design forward. This work introduces various techniques of low power VLSI design used for state of art computing. From the viewpoint of power supply, conventional in-chip voltage regulators based on analog blocks bring the large overhead of both power and area to computational chips. Motivated by this, a digital based switchable pin method to dynamically regulate power at low circuit cost has been proposed to make computing to be executed with a stable voltage supply. For one of the widely used and time consuming arithmetic units, multiplier, its operation in logarithmic domain shows an advantageous performance compared to that in binary domain considering computation latency, power and area. However, the introduced conversion error reduces the reliability of the following computation (e.g. multiplication and division.). In this work, a fast calibration method suppressing the conversion error and its VLSI implementation are proposed. The proposed logarithmic converter can be supplied by dc power to achieve fast conversion and clocked power to reduce the power dissipated during conversion. Going out of traditional computation methods and widely used static logic, neuron-like cell is also studied in this work. Using multiple input floating gate (MIFG) metal-oxide semiconductor field-effect transistor (MOSFET) based logic, a 32-bit, 16-operation arithmetic logic unit (ALU) with zipped decoding and a feedback loop is designed. The proposed ALU can reduce the switching power and has a strong driven-in capability due to coupling capacitors compared to static logic based ALU. Besides, recent neural computations bring serious challenges to digital VLSI implementation due to overload matrix multiplications and non-linear functions. An analog VLSI design which is compatible to external digital environment is proposed for the network of long short-term memory (LSTM). The entire analog based network computes much faster and has higher energy efficiency than the digital one

State Preparation in the Heisenberg Model through Adiabatic Spiraling

An adiabatic state preparation technique, called the adiabatic spiral, is proposed for the Heisenberg model. This technique is suitable for implementation on a number of quantum simulation platforms such as Rydberg atoms, trapped ions, or superconducting qubits. Classical simulations of small systems suggest that it can be successfully implemented in the near future. A comparison to Trotterized time evolution is performed and it is shown that the adiabatic spiral is able to outperform Trotterized adiabatics.Comment: 22 pages, 8 figures, published versio

Application of digital control to a magnetic model suspension and balance model

The feasibility of using a digital computer for performing the automatic control functions for a magnetic suspension and balance system (MSBS) for use with wind tunnel models was investigated. Modeling was done using both a prototype MSBS and a one dimensional magnetic balance. A microcomputer using the Intel 8080 microprocessor is described and results are given using this microprocessor to control the one dimensional balance. Hybrid simulations for one degree of freedom of the MSBS were also performed and are reported. It is concluded that use of a digital computer to control the MSBS is eminently feasible and should extend both the accuracy and utility of the system

Integrated Application of Active Controls (IAAC) technology to an advanced subsonic transport project: Current and advanced act control system definition study. Volume 2: Appendices

The current status of the Active Controls Technology (ACT) for the advanced subsonic transport project is investigated through analysis of the systems technical data. Control systems technologies under examination include computerized reliability analysis, pitch axis fly by wire actuator, flaperon actuation system design trade study, control law synthesis and analysis, flutter mode control and gust load alleviation analysis, and implementation of alternative ACT systems. Extensive analysis of the computer techniques involved in each system is included