Design and automation of voltage-scaled clock networks

In this dissertation, a vital step of VLSI physical design flow, synthesis of clock distribution networks, is investigated. Clock network synthesis (CNS) involves large and complex optimization problems to achieve high performance and low power demands of current integrated circuits (ICs). Ineffectiveness of existing methodologies to provide high performance at lower voltage nodes is the main driver for this dissertation research. A design and automation flow for voltage-scaled clock networks is proposed to satisfy tight timing constraints at high frequency (for high performance) and low voltage (for low power) operation. One implementation of voltage-scaled clock networks is low (voltage) swing clocking, which is a known technique, yet its applicability remains limited to designs with low performance demands. In this dissertation, novel methodologies are introduced to i) apply low swing clocking to legacy designs as a power saving methodology, ii) develop a complete CNS flow for low swing clocking of high performance ICs. These methodologies include slew-driven approaches that are better suited to future transistor and interconnect technologies. Second implementation of voltage-scaled clock networks is multi-voltage clocking, which is another known technique, yet its applicability remains limited to clock tree topology. In this dissertation, multi-voltage clocking with a clock mesh topology is investigated in order to address a missing aspect in the current IC design flows. Practical considerations of the current IC design flows are also investigated in this dissertation to expand the applicability of the proposed CNS flow. A novel methodology is introduced to facilitate clock gating within low swing clocking. The applicability of low swing clocking to FinFET technology, which is currently the industry norm, is shown to be effective.Ph.D., Electrical Engineering -- Drexel University, 201

High-Performance Fpaa Design For Hierarchical Implementation Of Analog And Mixed-Signal Systems

The design complexity of today's IC has increased dramatically due to the high integration allowed by advanced CMOS VLSI process. A key to manage the increased design complexity while meeting the shortening time-to-market is design automation. In digital world, the field-programmable gate arrays (FPGAs) have evolved to play a very important role by providing ASIC-compatible design methodologies that include design-for-testability, design optimization and rapid prototyping. On the analog side, the drive towards shorter design cycles has demanded the development of high performance analog circuits that are configurable and suitable for CAD methodologies. Field-programmable analog arrays (FPAAs) are intended to achieve the benefits for analog system design as FPGAs have in the digital field. Despite of the obvious advantages of hierarchical analog design, namely short time-to-market and low non-recurring engineering (NRE) costs, this approach has some apparent disadvantages. The redundant devices and routing resources for programmability requires extra chip area, while switch and interconnect parasitics cause considerable performance degradation. To deliver a high-performance FPAA, effective methodologies must be developed to minimize those adversary effects. In this dissertation, three important aspects in the FPAA design are studied to achieve that goal: the programming technology, the configurable analog block (CAB) design and the routing architecture design. Enabled by the Laser MakelinkTM technology, which provides nearly ideal programmable switches, channel segmentation algorithms are developed to improve channel routability and reduce interconnect parasitics. Segmented routing are studied and performance metrics accounting for interconnect parasitics are proposed for performance-driven analog routing. For large scale arrays, buffer insertions are considered to further reduce interconnection delay and cross-coupling noise. A high-performance, highly flexible CAB is developed to realized both continuous-mode and switched-capacitor circuits. In the end, the implementation of an 8-bit, 50MSPS pipelined A/D converter using the proposed FPAA is presented as an example of the hierarchical analog design approach, with its key performance specifications discussed

Designing sound : procedural audio research based on the book by Andy Farnell

In procedural media, data normally acquired by measuring something, commonly described as sampling, is replaced by a set of computational rules (procedure) that defines the typical structure and/or behaviour of that thing. Here, a general approach to sound as a definable process, rather than a recording, is developed. By analysis of their physical and perceptual qualities, natural objects or processes that produce sound are modelled by digital Sounding Objects for use in arts and entertainments. This Thesis discusses different aspects of Procedural Audio introducing several new approaches and solutions to this emerging field of Sound Design.Em Media Procedimental, os dados os dados normalmente adquiridos através da medição de algo habitualmente designado como amostragem, são substituídos por um conjunto de regras computacionais (procedimento) que definem a estrutura típica, ou comportamento, desse elemento. Neste caso é desenvolvida uma abordagem ao som definível como um procedimento em vez de uma gravação. Através da análise das suas características físicas e perceptuais , objetos naturais ou processos que produzem som, são modelados como objetos sonoros digitais para utilização nas Artes e Entretenimento. Nesta Tese são discutidos diferentes aspectos de Áudio Procedimental, sendo introduzidas várias novas abordagens e soluções para o campo emergente do Design Sonoro

Kodizajn arhitekture i algoritama za lokalizacijumobilnih robota i detekciju prepreka baziranih namodelu

This thesis proposes SoPC (System on a Programmable Chip) architectures for efficient embedding of vison-based localization and obstacle detection tasks in a navigational pipeline on autonomous mobile robots. The obtained results are equivalent or better in comparison to state-ofthe- art. For localization, an efficient hardware architecture that supports EKF-SLAM's local map management with seven-dimensional landmarks in real time is developed. For obstacle detection a novel method of object recognition is proposed - detection by identification framework based on single detection window scale. This framework allows adequate algorithmic precision and execution speeds on embedded hardware platforms.Ova teza bavi se dizajnom SoPC (engl. System on a Programmable Chip) arhitektura i algoritama za efikasnu implementaciju zadataka lokalizacije i detekcije prepreka baziranih na viziji u kontekstu autonomne robotske navigacije. Za lokalizaciju, razvijena je efikasna računarska arhitektura za EKF-SLAM algoritam, koja podržava skladištenje i obradu sedmodimenzionalnih orijentira lokalne mape u realnom vremenu. Za detekciju prepreka je predložena nova metoda prepoznavanja objekata u slici putem prozora detekcije fiksne dimenzije, koja omogućava veću brzinu izvršavanja algoritma detekcije na namenskim računarskim platformama

Student Research Colloquium Proceedings 2011

2011 Student Research Colloquium proceedings include the following: explanation of the Student Research Colloquium passport , a schedule of the day\u27s events, acknowledgement of research sponsors, the day\u27s program, formal paper competition participants; poster presentation participants; conference presentation abstracts, student presenter index, research sponsor index, planning committee, poster and paper presentation judges, registration desk, sponsors, and donors, map of Atwood Memorial Center. Keynote Address: Brianda Cediel, Executive Director, Hands Across the World: Research with an International Flair : In this talk, Cediel takes the lessons she has learned during her remarkable 28 year teaching career with people of different countries and diverse ethnicities. She came back to SCSU in 2000 to finish her studies in ESL (English as a Second Language). Journey with her through those years and learn how she became the founder of Hands Across the World , a very successful program for immigrants here in St. Cloud, MN. The program is recognized at a national level as one of the best for refugees and immigrants. She serves her students with compassion, love, empathy, and humility. Her commitment to the program\u27s vision is to empower and enable those around her while pulling them to thrive in the global community. We are proud to welcome Brianda Cediel to her alma mater

Max Operation in Statistical Static Timing Analysis on the Non-Gaussian Variation Sources for VLSI Circuits

As CMOS technology continues to scale down, process variation introduces significant uncertainty in power and performance to VLSI circuits and significantly affects their reliability. If this uncertainty is not properly handled, it may become the bottleneck of CMOS technology improvement. As a result, deterministic analysis is no longer conservative and may result in either overestimation or underestimation of the circuit delay. As we know that Static-Timing Analysis (STA) is a deterministic way of computing the delay imposed by the circuits design and layout. It is based on a predetermined set of possible events of process variations, also called corners of the circuit. Although it is an excellent tool, current trends in process scaling have imposed significant difficulties to STA. Therefore, there is a need for another tool, which can resolve the aforementioned problems, and Statistical Static Timing Analysis (SSTA) has become the frontier research topic in recent years in combating such variation effects. There are two types of SSTA methods, path-based SSTA and block-based SSTA. The goal of SSTA is to parameterize timing characteristics of the timing graph as a function of the underlying sources of process parameters that are modeled as random variables. By performing SSTA, designers can obtain the timing distribution (yield) and its sensitivity to various process parameters. Such information is of tremendous value for both timing sign-off and design optimization for robustness and high profit margins. The block-based SSTA is the most efficient SSTA method in recent years. In block-based SSTA, there are two major atomic operations max and add. The add operation is simple; however, the max operation is much more complex. There are two main challenges in SSTA. The Topological Correlation that emerges from reconvergent paths, these are the ones that originate from a common node and then converge again at another node (reconvergent node). Such correlation complicates the maximum operation. The second challenge is the Spatial Correlation. It arises due to device proximity on the die and gives rise to the problems of modeling delay and arrival time. This dissertation presents statistical Nonlinear and Nonnormals canonical form of timing delay model considering process variation. This dissertation is focusing on four aspects: (1) Statistical timing modeling and analysis; (2) High level circuit synthesis with system level statistical static timing analysis; (3) Architectural implementations of the atomic operations (max and add); and (4) Design methodology. To perform statistical timing modeling and analysis, we first present an efficient and accurate statistical static timing analysis (SSTA) flow for non-linear cell delay model with non-Gaussian variation sources. To achieve system level SSTA we apply statistical timing analysis to high-level synthesis flow, and develop yield driven synthesis framework so that the impact of process variations is taken into account during high-level synthesis. To accomplish architectural implementation, we present the vector thread architecture for max operator to minimize delay and variation. Finally, we present comparison analysis with ISCAS benchmark circuits suites. In the last part of this dissertation, a SSTA design methodology is presented

Recent Advances in Social Data and Artificial Intelligence 2019

The importance and usefulness of subjects and topics involving social data and artificial intelligence are becoming widely recognized. This book contains invited review, expository, and original research articles dealing with, and presenting state-of-the-art accounts pf, the recent advances in the subjects of social data and artificial intelligence, and potentially their links to Cyberspace

Degradation Models and Optimizations for CMOS Circuits

Die Gewährleistung der Zuverlässigkeit von CMOS-Schaltungen ist derzeit eines der größten Herausforderungen beim Chip- und Schaltungsentwurf. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung erhöht jede neue Generation der Halbleitertechnologie die elektrischen Felder innerhalb der Transistoren. Dieses stärkere elektrische Feld stimuliert die Degradationsphänomene (Alterung der Transistoren, Selbsterhitzung, Rauschen, usw.), was zu einer immer stärkeren Degradation (Verschlechterung) der Transistoren führt. Daher erleiden die Transistoren in jeder neuen Technologiegeneration immer stärkere Verschlechterungen ihrer elektrischen Parameter. Um die Funktionalität und Zuverlässigkeit der Schaltung zu wahren, wird es daher unerlässlich, die Auswirkungen der geschwächten Transistoren auf die Schaltung präzise zu bestimmen. Die beiden wichtigsten Auswirkungen der Verschlechterungen sind ein verlangsamtes Schalten, sowie eine erhöhte Leistungsaufnahme der Schaltung. Bleiben diese Auswirkungen unberücksichtigt, kann die verlangsamte Schaltgeschwindigkeit zu Timing-Verletzungen führen (d.h. die Schaltung kann die Berechnung nicht rechtzeitig vor Beginn der nächsten Operation abschließen) und die Funktionalität der Schaltung beeinträchtigen (fehlerhafte Ausgabe, verfälschte Daten, usw.). Um diesen Verschlechterungen der Transistorparameter im Laufe der Zeit Rechnung zu tragen, werden Sicherheitstoleranzen eingeführt. So wird beispielsweise die Taktperiode der Schaltung künstlich verlängert, um ein langsameres Schaltverhalten zu tolerieren und somit Fehler zu vermeiden. Dies geht jedoch auf Kosten der Performanz, da eine längere Taktperiode eine niedrigere Taktfrequenz bedeutet. Die Ermittlung der richtigen Sicherheitstoleranz ist entscheidend. Wird die Sicherheitstoleranz zu klein bestimmt, führt dies in der Schaltung zu Fehlern, eine zu große Toleranz führt zu unnötigen Performanzseinbußen. Derzeit verlässt sich die Industrie bei der Zuverlässigkeitsbestimmung auf den schlimmstmöglichen Fall (maximal gealterter Schaltkreis, maximale Betriebstemperatur bei minimaler Spannung, ungünstigste Fertigung, etc.). Diese Annahme des schlimmsten Falls garantiert, dass der Chip (oder integrierte Schaltung) unter allen auftretenden Betriebsbedingungen funktionsfähig bleibt. Darüber hinaus ermöglicht die Betrachtung des schlimmsten Falles viele Vereinfachungen. Zum Beispiel muss die eigentliche Betriebstemperatur nicht bestimmt werden, sondern es kann einfach die schlimmstmögliche (sehr hohe) Betriebstemperatur angenommen werden. Leider lässt sich diese etablierte Praxis der Berücksichtigung des schlimmsten Falls (experimentell oder simulationsbasiert) nicht mehr aufrechterhalten. Diese Berücksichtigung bedingt solch harsche Betriebsbedingungen (maximale Temperatur, etc.) und Anforderungen (z.B. 25 Jahre Betrieb), dass die Transistoren unter den immer stärkeren elektrischen Felder enorme Verschlechterungen erleiden. Denn durch die Kombination an hoher Temperatur, Spannung und den steigenden elektrischen Feldern bei jeder Generation, nehmen die Degradationphänomene stetig zu. Das bedeutet, dass die unter dem schlimmsten Fall bestimmte Sicherheitstoleranz enorm pessimistisch ist und somit deutlich zu hoch ausfällt. Dieses Maß an Pessimismus führt zu erheblichen Performanzseinbußen, die unnötig und demnach vermeidbar sind. Während beispielsweise militärische Schaltungen 25 Jahre lang unter harschen Bedingungen arbeiten müssen, wird Unterhaltungselektronik bei niedrigeren Temperaturen betrieben und muss ihre Funktionalität nur für die Dauer der zweijährigen Garantie aufrechterhalten. Für letzteres können die Sicherheitstoleranzen also deutlich kleiner ausfallen, um die Performanz deutlich zu erhöhen, die zuvor im Namen der Zuverlässigkeit aufgegeben wurde. Diese Arbeit zielt darauf ab, maßgeschneiderte Sicherheitstoleranzen für die einzelnen Anwendungsszenarien einer Schaltung bereitzustellen. Für fordernde Umgebungen wie Weltraumanwendungen (wo eine Reparatur unmöglich ist) ist weiterhin der schlimmstmögliche Fall relevant. In den meisten Anwendungen, herrschen weniger harsche Betriebssbedingungen (z.B. sorgen Kühlsysteme für niedrigere Temperaturen). Hier können Sicherheitstoleranzen maßgeschneidert und anwendungsspezifisch bestimmt werden, sodass Verschlechterungen exakt toleriert werden können und somit die Zuverlässigkeit zu minimalen Kosten (Performanz, etc.) gewahrt wird. Leider sind die derzeitigen Standardentwurfswerkzeuge für diese anwendungsspezifische Bestimmung der Sicherheitstoleranz nicht gut gerüstet. Diese Arbeit zielt darauf ab, Standardentwurfswerkzeuge in die Lage zu versetzen, diesen Bedarf an Zuverlässigkeitsbestimmungen für beliebige Schaltungen unter beliebigen Betriebsbedingungen zu erfüllen. Zu diesem Zweck stellen wir unsere Forschungsbeiträge als vier Schritte auf dem Weg zu anwendungsspezifischen Sicherheitstoleranzen vor: Schritt 1 verbessert die Modellierung der Degradationsphänomene (Transistor-Alterung, -Selbsterhitzung, -Rauschen, etc.). Das Ziel von Schritt 1 ist es, ein umfassendes, einheitliches Modell für die Degradationsphänomene zu erstellen. Durch die Verwendung von materialwissenschaftlichen Defektmodellierungen werden die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse der Degradationsphänomena modelliert, um ihre Wechselwirkungen zu berücksichtigen (z.B. Phänomen A kann Phänomen B beschleunigen) und ein einheitliches Modell für die simultane Modellierung verschiedener Phänomene zu erzeugen. Weiterhin werden die jüngst entdeckten Phänomene ebenfalls modelliert und berücksichtigt. In Summe, erlaubt dies eine genaue Degradationsmodellierung von Transistoren unter gleichzeitiger Berücksichtigung aller essenziellen Phänomene. Schritt 2 beschleunigt diese Degradationsmodelle von mehreren Minuten pro Transistor (Modelle der Physiker zielen auf Genauigkeit statt Performanz) auf wenige Millisekunden pro Transistor. Die Forschungsbeiträge dieser Dissertation beschleunigen die Modelle um ein Vielfaches, indem sie zuerst die Berechnungen so weit wie möglich vereinfachen (z.B. sind nur die Spitzenwerte der Degradation erforderlich und nicht alle Werte über einem zeitlichen Verlauf) und anschließend die Parallelität heutiger Computerhardware nutzen. Beide Ansätze erhöhen die Auswertungsgeschwindigkeit, ohne die Genauigkeit der Berechnung zu beeinflussen. In Schritt 3 werden diese beschleunigte Degradationsmodelle in die Standardwerkzeuge integriert. Die Standardwerkzeuge berücksichtigen derzeit nur die bestmöglichen, typischen und schlechtestmöglichen Standardzellen (digital) oder Transistoren (analog). Diese drei Typen von Zellen/Transistoren werden von der Foundry (Halbleiterhersteller) aufwendig experimentell bestimmt. Da nur diese drei Typen bestimmt werden, nehmen die Werkzeuge keine Zuverlässigkeitsbestimmung für eine spezifische Anwendung (Temperatur, Spannung, Aktivität) vor. Simulationen mit Degradationsmodellen ermöglichen eine Bestimmung für spezifische Anwendungen, jedoch muss diese Fähigkeit erst integriert werden. Diese Integration ist eines der Beiträge dieser Dissertation. Schritt 4 beschleunigt die Standardwerkzeuge. Digitale Schaltungsentwürfe, die nicht auf Standardzellen basieren, sowie komplexe analoge Schaltungen können derzeit nicht mit analogen Schaltungssimulatoren ausgewertet werden. Ihre Performanz reicht für solch umfangreiche Simulationen nicht aus. Diese Dissertation stellt Techniken vor, um diese Werkzeuge zu beschleunigen und somit diese umfangreichen Schaltungen simulieren zu können. Diese Forschungsbeiträge, die sich jeweils über mehrere Veröffentlichungen erstrecken, ermöglichen es Standardwerkzeugen, die Sicherheitstoleranz für kundenspezifische Anwendungsszenarien zu bestimmen. Für eine gegebene Schaltungslebensdauer, Temperatur, Spannung und Aktivität (Schaltverhalten durch Software-Applikationen) können die Auswirkungen der Transistordegradation ausgewertet werden und somit die erforderliche (weder unter- noch überschätzte) Sicherheitstoleranz bestimmt werden. Diese anwendungsspezifische Sicherheitstoleranz, garantiert die Zuverlässigkeit und Funktionalität der Schaltung für genau diese Anwendung bei minimalen Performanzeinbußen