고속 DRAM 인터페이스를 위한 전압 및 온도에 둔감한 클록 패스와 위상 오류 교정기 설계

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2021. 2. 정덕균.To cope with problems caused by the high-speed operation of the dynamic random access memory (DRAM) interface, several approaches are proposed that are focused on the clock path of the DRAM. Two delay-locked loop (DLL) based schemes, a forwarded-clock (FC) receiver (RX) with self-tracking loop and a quadrature error corrector, are proposed. Moreover, an open-loop based scheme is presented for drift compensation in the clock distribution. The open-loop scheme consumes less power consumption and reduces design complexity. The FC RX uses DLLs to compensate for voltage and temperature (VT) drift in unmatched memory interfaces. The self-tracking loop consists of two-stage cascaded DLLs to operate in a DRAM environment. With the write training and the proposed DLL, the timing relationship between the data and the sampling clock is always optimal. The proposed scheme compensates for delay drift without relying on data transitions or re-training. The proposed FC RX is fabricated in 65-nm CMOS process and has an active area containing 4 data lanes of 0.0329 mm2. After the write training is completed at the supply voltage of 1 V, the measured timing margin remains larger than 0.31-unit interval (UI) when the supply voltage drifts in the range of 0.94 V and 1.06 V from the training voltage, 1 V. At the data rate of 6.4 Gb/s, the proposed FC RX achieves an energy efficiency of 0.45 pJ/bit. Contrary to the aforementioned scheme, an open-loop-based voltage drift compensation method is proposed to minimize power consumption and occupied area. The overall clock distribution is composed of a current mode logic (CML) path and a CMOS path. In the proposed scheme, the architecture of the CML-to-CMOS converter (C2C) and the inverter is changed to compensate for supply voltage drift. The bias generator provides bias voltages to the C2C and inverters according to supply voltage for delay adjustment. The proposed clock tree is fabricated in 40 nm CMOS process and the active area is 0.004 mm2. When the supply voltage is modulated by a sinusoidal wave with 1 MHz, 100 mV peak-to-peak swing from the center of 1.1 V, applying the proposed scheme reduces the measured root-mean-square (RMS) jitter from 3.77 psRMS to 1.61 psRMS. At 6 GHz output clock, the power consumption of the proposed scheme is 11.02 mW. A DLL-based quadrature error corrector (QEC) with a wide correction range is proposed for the DRAM whose clocks are distributed over several millimeters. The quadrature error is corrected by adjusting delay lines using information from the phase error detector. The proposed error correction method minimizes increased jitter due to phase error correction by setting at least one of the delay lines in the quadrature clock path to the minimum delay. In addition, the asynchronous calibration on-off scheme reduces power consumption after calibration is complete. The proposed QEC is fabricated in 40 nm CMOS process and has an active area of 0.048 mm2. The proposed QEC exhibits a wide correctable error range of 101.6 ps and the remaining phase errors are less than 2.18° from 0.8 GHz to 2.3 GHz clock. At 2.3 GHz, the QEC contributes 0.53 psRMS jitter. Also, at 2.3 GHz, the power consumption is reduced from 8.89 mW to 3.39 mW when the calibration is off.본 논문에서는 동적 랜덤 액세스 메모리 (DRAM)의 속도가 증가함에 따라 클록 패스에서 발생할 수 있는 문제에 대처하기 위한 세 가지 회로들을 제안하였다. 제안한 회로들 중 두 방식들은 지연동기루프 (delay-locked loop) 방식을 사용하였고 나머지 한 방식은 면적과 전력 소모를 줄이기 위해 오픈 루프 방식을 사용하였다. DRAM의 비정합 수신기 구조에서 데이터 패스와 클록 패스 간의 지연 불일치로 인해 전압 및 온도 변화에 따라 셋업 타임 및 홀드 타임이 줄어드는 문제를 해결하기 위해 지연동기루프를 사용하였다. 제안한 지연동기루프 회로는 DRAM 환경에서 동작하도록 두 개의 지연동기루프로 나누었다. 또한 초기 쓰기 훈련을 통해 데이터와 클록을 타이밍 마진 관점에서 최적의 위치에 둘 수 있다. 따라서 제안하는 방식은 데이터 천이 정보가 필요하지 않다. 65-nm CMOS 공정을 이용하여 만들어진 칩은 6.4 Gb/s에서 0.45 pJ/bit의 에너지 효율을 가진다. 또한 1 V에서 쓰기 훈련 및 지연동기루프를 고정시키고 0.94 V에서 1.06 V까지 공급 전압이 바뀌었을 때 타이밍 마진은 0.31 UI보다 큰 값을 유지하였다. 다음으로 제안하는 회로는 클록 분포 트리에서 전압 변화로 인해 클록 패스의 지연이 달라지는 것을 앞서 제시한 방식과 달리 오픈 루프 방식으로 보상하였다. 기존 클록 패스의 인버터와 CML-to-CMOS 변환기의 구조를 변경하여 바이어스 생성 회로에서 생성한 공급 전압에 따라 바뀌는 바이어스 전압을 가지고 지연을 조절할 수 있게 하였다. 40-nm CMOS 공정을 이용하여 만들어진 칩의 6 GHz 클록에서의 전력 소모는 11.02 mW로 측정되었다. 1.1 V 중심으로 1 MHz, 100 mV 피크 투 피크를 가지는 사인파 성분으로 공급 전압을 변조하였을 때 제안한 방식에서의 지터는 기존 방식의 3.77 psRMS에서 1.61 psRMS로 줄어들었다. DRAM의 송신기 구조에서 다중 위상 클록 간의 위상 오차는 송신된 데이터의 데이터 유효 창을 감소시킨다. 이를 해결하기 위해 지연동기루프를 도입하게 되면 증가된 지연으로 인해 위상이 교정된 클록에서 지터가 증가한다. 본 논문에서는 증가된 지터를 최소화하기 위해 위상 교정으로 인해 증가된 지연을 최소화하는 위상 교정 회로를 제시하였다. 또한 유휴 상태에서 전력 소모를 줄이기 위해 위상 오차를 교정하는 회로를 입력 클록과 비동기식으로 끌 수 있는 방법 또한 제안하였다. 40-nm CMOS 공정을 이용하여 만들어진 칩의 위상 교정 범위는 101.6 ps이고 0.8 GHz 부터 2.3 GHz까지의 동작 주파수 범위에서 위상 교정기의 출력 클록의 위상 오차는 2.18°보다 작다. 제안하는 위상 교정 회로로 인해 추가된 지터는 2.3 GHz에서 0.53 psRMS이고 교정 회로를 껐을 때 전력 소모는 교정 회로가 켜졌을 때인 8.89 mW에서 3.39 mW로 줄어들었다.Chapter 1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Thesis Organization 4 Chapter 2 Background on DRAM Interface 5 2.1 Overview 5 2.2 Memory Interface 7 Chapter 3 Background on DLL 11 3.1 Overview 11 3.2 Building Blocks 15 3.2.1 Delay Line 15 3.2.2 Phase Detector 17 3.2.3 Charge Pump 19 3.2.4 Loop filter 20 Chapter 4 Forwarded-Clock Receiver with DLL-based Self-tracking Loop for Unmatched Memory Interfaces 21 4.1 Overview 21 4.2 Proposed Separated DLL 25 4.2.1 Operation of the Proposed Separated DLL 27 4.2.2 Operation of the Digital Loop Filter in DLL 31 4.3 Circuit Implementation 33 4.4 Measurement Results 37 4.4.1 Measurement Setup and Sequence 38 4.4.2 VT Drift Measurement and Simulation 40 Chapter 5 Open-loop-based Voltage Drift Compensation in Clock Distribution 46 5.1 Overview 46 5.2 Prior Works 50 5.3 Voltage Drift Compensation Method 52 5.4 Circuit Implementation 57 5.5 Measurement Results 61 Chapter 6 Quadrature Error Corrector with Minimum Total Delay Tracking 68 6.1 Overview 68 6.2 Prior Works 70 6.3 Quadrature Error Correction Method 73 6.4 Circuit Implementation 82 6.5 Measurement Results 88 Chapter 7 Conclusion 96 Bibliography 98 초록 102Docto

HBM3에서 DQS 신호를 위한 4-위상 에러 교정기의 설계

학위논문(석사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2022.2. 김재하.As the speed of high bandwidth memory (HBM) increased, the skew of the quad-rature data strobe (DQS) signals started to affect the internal operation of HBM. On-ly the skew of the quadrature clock signals sent from memory needed to be correct-ed before. Previously suggested quadrature error correctors are applicable only to periodic clock signals and not to aperiodic DQS signals. Therefore, a new circuit for correcting phase skew of DQS signals is needed. This thesis presents a design methodology of a quadrature error corrector for HBM3 that can correct the phase skew of DQS signals. The proposed quadrature error corrector can correct aperiodic signals using a clock signal of the same fre-quency, which detects 1/4 point of the clock period in a capacitor charging method. The quadrature error corrector uses a 4:1 ratio capacitor to detect whether the phase difference of DQS signals is 1/4 of clock period. The quadrature error is corrected by adjusting delay lines using information from the phase error detector. After the calibration, the feedback loop is off to save power. Implemented in 40-nm CMOS, the post-layout simulation results demonstrate the operation range from 1.0 to 2-GHz and a corrected phase error of less than 8.69-ps for the DQS signal while con-suming maximum power of 2.42-mW from a 1.6-GHz frequency and a 1.1-V supply.고대역폭 메모리(High Bandwidth Memory)의 속도가 빨라지면서 쿼드러쳐 데이터 스트로브(DQS) 신호의 스큐가 내부 동작에 영향을 미치기 시작한다. 이전에는 메모리에서 내보내는 쿼드러쳐 클락 신호의 스큐만 수정하면 되었다. 이전에 제안된 쿼드러쳐 에러 교정기는 주기적인 클락 신호에만 적용 가능하며 비주기적인 데이터 스트로브 신호에는 적용할 수 없다. 따라서 데이터 스트로브 신호의 위상 에러를 교정하기 위한 새로운 회로가 필요하다. 본 논문에서는 HBM3에서 데이터 스트로브 신호의 위상 에러를 수정할 수 있는 쿼드러쳐 에러 교정기의 설계 방법을 제안한다. 제안하는 쿼드러쳐 에러 교정기는 동일한 주파수의 클락 신호를 사용하여 커패시터 충전 방식으로 비주기적인 신호를 교정할 수 있다. 쿼드러쳐 에러 교정기는 4:1 비율의 커패시터를 사용하여 데이터 스트로브 신호의 위상 차이가 클락 주기의 1/4인지 여부를 감지한다. 쿼드러쳐 에러는 위상 에러를 감지한 정보를 이용하여 디지털 제어 딜레이 라인(digitally con-trolled delay line)을 통해 보정된다. 보정 후에는 전력 소모를 줄이기 위해 디지털 제어 딜레이 라인만 동작시키는 것이 가능하다. 40 나노미터 공정으로 구현되었으며, 시뮬레이션 결과 1 – 2 GHz에서 동작 가능하며 1.6 GHz와 1.1 V 공급 전원으로 동작하였을 때 최대 2.42 mW의 전력을 소비하며 보정 결과 8.69 ps 이하의 오류를 나타낸다.I. Abstract 3 II. Contents 4 III. List of figures 6 V. List of tables 8 Chapter 1. Introduction 9 1.1 Motivation 9 1.2 Thesis organization 12 Chapter 2. Operation and architecture of the quadrature error corrector 13 2.1 Principles of operation 13 2.2 Overall structure 16 Chapter 3. Circuit implementation 18 3.1 Pulse-width detector 18 3.1.1 Three modes of pulse-width detector 18 3.1.2 Design consideration 21 3.1.3 Current digital to analog converter 24 3.1.4 Switch logics 27 3.1.5 Simulation of pulse-width detector 28 3.2 Pulse generator 31 3.3 Digitally controlled delay lines 34 3.4 DIV8 & 3-bit counter 37 3.5 Digital loop filter 39 Chapter 4. Simulation results 41 4.1 Test circuits 41 4.1.1 DQS generator 41 4.1.2 Sampler 43 4.1.3 Test MUX 44 4.2 Chip layout 45 4.3 Simulation results 47 4.4 Performance summary 53 Chapter 5. Conclusion 54 Bibliography 55 Abstract in korean 57석

메모리 인터페이스를 위한 4 레벨 펄스 진폭 변조 쿼터 레이트 수신기 설계

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2022. 8. 김수환.본 연구에서는 메모리 인터페이스를 위한 4 레벨 펄스 진폭 변조 (PAM-4) 수신기와 직교 클록을 생성하는 직교 신호 보정기를 제안된다. 데이터 센터에서 증가하는 IP 트래픽은 고속 및 저전력 메모리 인터페이스에 대한 수요를 증가시켜왔다. 이러한 요구를 만족시키기 위해 클럭 및 나이퀴스트 주파수를 높이지 않고도 데이터 전송률을 높일 수 있는 PAM-4 신호가 주목을 받고 있다. PAM-4 신호는 제로 비 복귀 신호 (NRZ) 보다 3배 낮은 수직 마진을 가지며, 이는 결정 피드백 이퀄라이저 내 슬라이스의 클럭-큐 딜레이를 증가시키며, 이로 인해 PAM-4 결정 피드백 이퀄라이저의 성능을 제한하는 요인이다. 본 연구에서는 인버터 기반의 합산기를 이용, 선택적으로 신호를 증폭시키는 결정 피드백 이퀄라이저를 사용함으로써 슬라이서의 전력 소모를 증가시키지 않으면서 슬라이서의 클럭-큐 딜레이를 줄일 수 있다. 또한, 적응형 지연 이득 컨트롤러를 포함하는 직교 신호 보정기는 높은 정확도와 빠른 스큐 보정으로 쿼드러처 클럭 간의 스큐를 교정할 수 있다. 선택적 눈 증폭 결정 피드백 이퀄라이저와 적응형 지연 이득 컨트롤러를 포함하는 직교 신호 보정기의 성능을 검증하기 위해 프로토타입 칩을 제작하였다. 제작된 칩은 65 nm CMOS 공정으로 제작되었다. 프로토타입 칩은 24 Gb/s/pin 에서 10-12 의 비트 에러율을 100 mUI 의 신호 너비로 달성하였다. 프로토타입 칩 내 PAM-4 수신기는 0.73 pJ/b 의 에너지 효율을 갖는다. 또한 적응형 지연 이득 컨트롤러를 포함하는 직교 신호 보정기는 3 GHz 쿼드러처 클럭 간 최대 21.2 ps 의 스큐를 0.8 ps 까지 줄일 수 있으며, 이 때 76.9 ns 의 교정 시간을 갖는다. 제안하는 직교 신호 보정기는 3 GHz 에서 2.15 mW/GHz 의 전력 효율을 갖는다.A four-level pulse amplitude modulation (PAM-4) receiver, and a quadrature signal corrector (QSC) that generates quadrature clocks for memory interfaces is presented. Increasing IP traffic in data centers has increased the demand for high-speed and low-power memory interfaces. To satisfy this demand, PAM-4 signaling, which can increase data-rate without increasing clock and Nyquist frequency, is received considerable attention. PAM- signaling has vertical which three times lower than non-return-to-zero (NRZ) signaling, which makes the clock-to-Q delay of the slicer in the decision feedback equalizer (DFE) increases. This makes the DFE difficult to satisfy the timing constraint. In this paper, by using a DFE with inverter-based summers, the clock-to-Q delay of the slicer can be reduced without increasing the power consumption of the slicers. Also, the QSC using an adaptive delay gain controller can correct the skew between the quadrature clock with low skew and short correction time. The prototype receiver including the DFE with the inverter-based summer and the QSC using the adaptive delay gain controller was fabricated in 65 nm CMOS process. The prototype chip can achieve a bit error rate (BER) of 10-12 at 24 Gb/s/pin, and at this time, an eye width of 100 mUI is secured. The efficiency of the receiver is 0.73 pJ/b. In addition, the QSC cna reduce the maximum 21.2 ps of skew between 3 GHz quadrature clocks to 0.8 ps and has a correction time of 76.9 ns. The efficiency of the QSC is 2.15 mW/GHz.ABSTRACT 1 CONTENTS 3 LIST OF FIGURES 5 LIST OF TABLE 9 CHAPTER 1 1 INTRODUCTION 1 1.1 MOTIVATION 1 1.2 PAM-4 SIGNALING 7 1.2.1 DESIGN CONSIDERATIONS ON PAM-4 RECEIVER 10 1.2.2 PRIOR WORKS 14 1.3 QUARTER-RATE ARCHITECTURE 18 1.3.1 DESIGN CONSIDERATION ON QUARTER-RATE ARCHITECTURE 20 1.3.2 PRIOR WORKS 25 1.4 SUMMARY 28 1.5 THESIS ORGANIZATION 30 CHAPTER 2 31 CONCEPTS OF DFE WITH INVERTER-BASED SUMMER 31 2.1 CONCEPTUAL ARCHITECTURE OF DFE WITH INVERTER-BASED SUMMER 32 2.2 DESIGN CONSIDERATION OF INVERTER-BASED SUMMER 37 CHAPTER 3 41 CONCEPTS OF QUADRATURE SIGNAL CORRECTOR USING ADAPTIVE DELAY GAIN CONTROLLER 41 3.1 OPERATION OF PROPOSED QUADRATURE SIGNAL CORRECTOR 42 3.2 LOOP FILTER INCLUDING ADAPTIVE DELAY GAIN CONTROLLER 45 CHAPTER 4 48 ARCHITECTURE AND IMPLEMENTATION 48 4.1 OVERALL ARCHITECTURE 49 4.2 ANALOG FRONT END 52 4.3 DECISION FEEDBACK EQUALIZER WITH INVERTER-BASED SUMMER 54 4.4 CLOCK PATH 62 4.5 QUADRATURE SIGNAL CORRECTOR WITH ADAPTIVE DELAY GAIN CONTROLLER 63 CHAPTER 5 70 EXPERIMENTAL RESULTS 70 5.1 EXPERIMENTAL SETUP 70 5.2 EXPERIMENTAL RESULTS 74 5.2.1 MEASUREMENT RESULTS OF PAM-4 RECEIVER WITH DECISION FEEDBACK EQUALIZER USING INVERTER-BASED SUMMER 74 5.2.2 MEASUREMENT RESULTS OF QUADRATURE SIGNAL CORRECTOR USING ADAPTIVE DELAY GAIN CONTROLLER 77 CHAPTER 6 83 CONCLUSION 83 BIBLIOGRAPHY 86박

Advances in ultra-low contact force nanometric surface metrology

This dissertation describes the theoretical design, practical construction and experimental use of a novel profiler intended to bridge the gap between atomic force microscopes (AFMs) and conventional stylus instruments. More specifically, it may be regarded as a hybrid instrument, combining the long-range of stylus instruments with the low contact force, high-speed operation of the AFM. The heart of the new instrument is a miniature capacitance-based force probe, constructed of glass and ceramic materials chosen primarily for thermal stability. This force probe can sense forces encompassing the range from atomic force levels (10¯7 N) to stylus instrument levels (10-⁴ N). Probes used in subsequent studies range from ISO standard spherical diamond styli (radii 2, 5 and 10 ᶙm) to 20 nm radius Berkovich diamond tips. A custom designed low excitation voltage, high frequency capacitance gage, used to monitor the sub-nanometer displacements of the force probe is presented. To measure surface profiles, the force probe is mounted on a PZT actuator and, much like an AFM, follows a contour of constant force under servo control. The specimen traverses underneath the force probe on an ultra-precision kinematic slideway using a flat glass datum surface and polymeric dry bearings. A novel, inexpensive laser interferometer used to monitor specimen position and control data acquisition of the profiler is described. In this manner, profiler repeatability is enhanced to the nanometer level in two axes. Profiler performance is tested for repeatability, noise force servo bandwidth and temperature stability. A force servo response bandwidth of 300 Hz was ascertained. This compares favorably with the sub- ten Hz responses of stylus instruments. A series of experiments designed to validate the high-speed performance of the profiler are presented. This high speed operation is some 10 to 100 times faster than conventional stylus instruments. Dynamic, non-linear interactions between the stylus tip and specimen are first derived and then examined experimentally. These dynamic interactions may eventually make it possible to measure specimen internal damping and interface stiffness or mechanical properties at the point contact level

Mu2e Technical Design Report

The Mu2e experiment at Fermilab will search for charged lepton flavor violation via the coherent conversion process mu- N --> e- N with a sensitivity approximately four orders of magnitude better than the current world's best limits for this process. The experiment's sensitivity offers discovery potential over a wide array of new physics models and probes mass scales well beyond the reach of the LHC. We describe herein the preliminary design of the proposed Mu2e experiment. This document was created in partial fulfillment of the requirements necessary to obtain DOE CD-2 approval.Comment: compressed file, 888 pages, 621 figures, 126 tables; full resolution available at http://mu2e.fnal.gov; corrected typo in background summary, Table 3.

Cumulative index to NASA Tech Briefs, 1986-1990, volumes 10-14

Tech Briefs are short announcements of new technology derived from the R&D activities of the National Aeronautics and Space Administration. These briefs emphasize information considered likely to be transferrable across industrial, regional, or disciplinary lines and are issued to encourage commercial application. This cumulative index of Tech Briefs contains abstracts and four indexes (subject, personal author, originating center, and Tech Brief number) and covers the period 1986 to 1990. The abstract section is organized by the following subject categories: electronic components and circuits, electronic systems, physical sciences, materials, computer programs, life sciences, mechanics, machinery, fabrication technology, and mathematics and information sciences

NASA Tech Briefs, March 1992

Topics include: New Product Ideas; Electronic Components and Circuits; Electronic Systems; Physical Sciences; Materials; Computer Programs; Mechanics; Machinery; Fabrication Technology; Mathematics and Information Sciences; Life Sciences

Technology 2001: The Second National Technology Transfer Conference and Exposition, volume 1

Papers from the technical sessions of the Technology 2001 Conference and Exposition are presented. The technical sessions featured discussions of advanced manufacturing, artificial intelligence, biotechnology, computer graphics and simulation, communications, data and information management, electronics, electro-optics, environmental technology, life sciences, materials science, medical advances, robotics, software engineering, and test and measurement