NASA Tech Briefs, February 1993

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

Variability-aware low-power techniques for nanoscale mixed-signal circuits.

New circuit design techniques that accommodate lower supply voltages necessary for portable systems need to be integrated into the semiconductor intellectual property (IP) core. Systems that once worked at 3.3 V or 2.5 V now need to work at 1.8 V or lower, without causing any performance degradation. Also, the fluctuation of device characteristics caused by process variation in nanometer technologies is seen as design yield loss. The numerous parasitic effects induced by layouts, especially for high-performance and high-speed circuits, pose a problem for IC design. Lack of exact layout information during circuit sizing leads to long design iterations involving time-consuming runs of complex tools. There is a strong need for low-power, high-performance, parasitic-aware and process-variation-tolerant circuit design. This dissertation proposes methodologies and techniques to achieve variability, power, performance, and parasitic-aware circuit designs. Three approaches are proposed: the single iteration automatic approach, the hybrid Monte Carlo and design of experiments (DOE) approach, and the corner-based approach. Widely used mixed-signal circuits such as analog-to-digital converter (ADC), voltage controlled oscillator (VCO), voltage level converter and active pixel sensor (APS) have been designed at nanoscale complementary metal oxide semiconductor (CMOS) and subjected to the proposed methodologies. The effectiveness of the proposed methodologies has been demonstrated through exhaustive simulations. Apart from these methodologies, the application of dual-oxide and dual-threshold techniques at circuit level in order to minimize power and leakage is also explored

Una aproximación multinivel para el diseño sistemático de circuitos integrados de radiofrecuencia.

Tesis reducida por acuerdo de confidencialidad.En un mercado bien establecido como el de las telecomunicaciones, donde se está evolucionando hacia el 5G, se estima que hoy en día haya más de 2 Mil Millones de usuarios de Smartphones. Solo de por sí, este número es asombroso. Pero nada se compara a lo que va a pasar en un futuro muy próximo. El próximo boom tecnológico está directamente conectado con el mercado emergente del internet of things (IoT). Se estima que, en 2020, habrá 20 Mil Millones de dispositivos físicos conectados y comunicando entre sí, lo que equivale a 4 dispositivos físicos por cada persona del planeta. Debido a este boom tecnológico, van a surgir nuevas e interesantes oportunidades de inversión e investigación. De hecho, se estima que en 2020 se van a invertir cerca de 3 Mil Millones de dólares solo en este mercado, un 50% más que en 2017. Todos estos dispositivos IoT tienen que comunicarse inalámbricamente entre sí, algo en lo que los circuitos de radiofrecuencia (RF) son imprescindibles. El problema es que el diseño de circuitos RF en tecnologías nanométricas se está haciendo extraordinariamente difícil debido a su creciente complejidad. Este hecho, combinado con los críticos compromisos entre las prestaciones de estos circuitos, tales como el consumo de energía, el área de chip, la fiabilidad de los chips, etc., provocan una reducción en la productividad en su diseño, algo que supone un problema debido a las estrictas restricciones time-to-market de las empresas. Es posible concluir, por tanto, que uno de los ámbitos en los que es tremendamente importante centrarse hoy en día, es el desarrollo de nuevas metodologías de diseño de circuitos RF que permitan al diseñador obtener circuitos que cumplan con especificaciones muy exigentes en un tiempo razonable. Debido a las complejas relaciones entre prestaciones de los circuitos RF (por ejemplo, ruido de fase frente a consumo de potencia en un oscilador controlado por tensión), es fácil comprender que el diseño de circuitos RF es una tarea extremadamente complicada y debe ser soportada por herramientas de diseño asistido por ordenador (EDA). En un escenario ideal, los diseñadores tendrían una herramienta EDA que podría generar automáticamente un circuito integrado (IC), algo definido en la literatura como un compilador de silicio. Con esta herramienta ideal, el usuario sólo estipularía las especificaciones deseadas para su sistema y la herramienta generaría automáticamente el diseño del IC listo para fabricar (lo que se denomina diseño físico o layout). Sin embargo, para sistemas complejos tales como circuitos RF, dicha herramienta no existe. La tesis que se presenta, se centra exactamente en el desarrollo de nuevas metodologías de diseño capaces de mejorar el estado del arte y acortar la brecha de productividad existente en el diseño de circuitos RF. Por lo tanto, con el fin de establecer una nueva metodología de diseño para sistemas RF, se han de abordar distintos cuellos de botella del diseño RF con el fin de diseñar con éxito dichos circuitos. El diseño de circuitos RF ha seguido tradicionalmente una estrategia basada en ecuaciones analíticas derivadas específicamente para cada circuito y que exige una gran experiencia del diseñador. Esto significa que el diseñador plantea una estrategia para diseñar el circuito manualmente y, tras varias iteraciones, normalmente logra que el circuito cumpla con las especificaciones deseadas. No obstante, conseguir diseños con prestaciones óptimas puede ser muy difícil utilizando esta metodología, ya que el espacio de diseño (o búsqueda) es enorme (decenas de variables de diseño con cientos de combinaciones diferentes). Aunque el diseñador llegue a una solución que cumpla todas las especificaciones, nunca estará seguro de que el diseño al que ha llegado es el mejor (por ejemplo, el que consuma menos energía). Hoy en día, las técnicas basadas en optimización se están utilizando con el objetivo de ayudar al diseñador a encontrar automáticamente zonas óptimas de diseño. El uso de metodologías basadas en optimización intenta superar las limitaciones de metodologías previas mediante el uso de algoritmos que son capaces de realizar una amplia exploración del espacio de diseño para encontrar diseños de prestaciones óptimas. La filosofía de estas metodologías es que el diseñador elige las especificaciones del circuito, selecciona la topología y ejecuta una optimización que devuelve el valor de cada componente del circuito óptimo (por ejemplo, anchos y longitudes de los transistores) de forma automática. Además, mediante el uso de estos algoritmos, la exploración del espacio de diseño permite estudiar los distintos y complejos compromisos entre prestaciones de los circuitos de RF. Sin embargo, la problemática del diseño de RF es mucho más amplia que la selección del tamaño de cada componente. Con el objetivo de conseguir algo similar a un compilador de silicio para circuitos RF, la metodología desarrollada en la tesis, tiene que ser capaz de asegurar un diseño robusto que permita al diseñador tener éxito frente a medidas experimentales, y, además, las optimizaciones tienen que ser elaboradas en tiempos razonables para que se puedan cumplir las estrictas restricciones time-to-market de las empresas. Para conseguir esto, en esta tesis, hay cuatro aspectos clave que son abordados en la metodología: 1. Los inductores integrados todavía son un cuello de botella en circuitos RF. Los parásitos que aparecen a altas frecuencias hacen que las prestaciones de los inductores sean muy difíciles de modelar. Existe, por tanto, la necesidad de desarrollar nuevos modelos más precisos, pero también muy eficientes computacionalmente que puedan ser incluidos en metodologías que usen algoritmos de optimización. 2. Las variaciones de proceso son fenómenos que afectan mucho las tecnologías nanométricas, así que para obtener un diseño robusto es necesario tener en cuenta estas variaciones durante la optimización. 3. En las metodologías de diseño manual, los parásitos de layout normalmente no se tienen en cuenta en una primera fase de diseño. En ese sentido, cuando el diseñador pasa del diseño topológico al diseño físico, puede que su circuito deje de cumplir con las especificaciones. Estas consideraciones físicas del circuito deben ser tenidas en cuenta en las primeras etapas de diseño. Por lo tanto, con el fin de abordar este problema, la metodología desarrollada tiene que tener en cuenta los parásitos de la realización física desde una primera fase de optimización. 4. Una vez se ha desarrollado la capacidad de generar distintos circuitos RF de forma automática utilizando esta metodología (amplificadores de bajo ruido, osciladores controlados por tensión y mezcladores), en la tesis se aborda también la composición de un sistema RF con una aproximación multinivel, donde el proceso empieza por el diseño de los componentes pasivos y termina componiendo distintos circuitos, construyendo un sistema (por ejemplo, un receptor de radiofrecuencia). La tesis aborda los cuatro problemas descritos anteriormente con éxito, y ha avanzado considerablemente en el estado del arte de metodologías de diseño automáticas/sistemáticas para circuitos RF.Premio Extraordinario de Doctorado U

Advanced analog layout design automation in compliance with density uniformity

To fabricate a reliable integrated circuit chip, foundries follow specific design rules and layout processing techniques. One of the parameters, which affect circuit performance and final electronic product quality, is the variation of thickness for each semiconductor layer within the fabricated chips. The thickness is closely dependent on the density of geometric features on that layer. Therefore, to ensure consistent thickness, foundries normally have to seriously control distribution of the feature density on each layer by using post-processing operations. In this research, the methods of controlling feature density distribution on different layers of an analog layout during the process of layout migration from an old technology to a new one or updated design specifications in the same technology have been investigated. We aim to achieve density-uniformity-aware layout retargeting for facilitating manufacturing process in the advanced technologies. This can offer an advantage right to the design stage for the designers to evaluate the effects of applying density uniformity to their drafted layouts, which are otherwise usually done by the foundries at the final manufacturing stage without considering circuit performance. Layout modification for density uniformity includes component position change and size modification, which may induce crosstalk noise caused by extra parasitic capacitance. To effectively control this effect, we have also investigated and proposed a simple yet accurate analytic method to model the parasitic capacitance on multi-layer VLSI chips. Supported by this capacitance modeling research, a unique methodology to deal with density-uniformity-aware analog layout retargeting with the capability of parasitic capacitance control has been presented. The proposed operations include layout geometry position rearrangement, interconnect size modification, and extra dummy fill insertion for enhancing layout density uniformity. All of these operations are holistically coordinated by a linear programming optimization scheme. The experimental results demonstrate the efficacy of the proposed methodology compared to the popular digital solutions in terms of minimum density variation and acute parasitic capacitance control

VLSI Design

This book provides some recent advances in design nanometer VLSI chips. The selected topics try to present some open problems and challenges with important topics ranging from design tools, new post-silicon devices, GPU-based parallel computing, emerging 3D integration, and antenna design. The book consists of two parts, with chapters such as: VLSI design for multi-sensor smart systems on a chip, Three-dimensional integrated circuits design for thousand-core processors, Parallel symbolic analysis of large analog circuits on GPU platforms, Algorithms for CAD tools VLSI design, A multilevel memetic algorithm for large SAT-encoded problems, etc

Design Automation of Low Power Circuits in Nano-Scale CMOS and Beyond-CMOS Technologies.

Today’s integrated system on chips (SoCs) usually consist of billions of transistors accounting for both digital and analog blocks. Integrating such massive blocks on a single chip involves several challenges, especially when transferring analog blocks from an older technology to newer ones. Furthermore, the exponential growth for IoT devices necessitates small and low power circuits. Hence, new devices and architectures must be investigated to meet the power and area constraints for wireless sensor networks (WSNs). In such cases, design automation becomes an essential tool to reduce the time to market of the circuits. This dissertation focuses on automating the design process of analog designs in advanced CMOS technology nodes, as well as reciprocal quantum logic (RQL) superconducting circuits. For CMOS analog circuits, our design automation technique employs digital automatic placement and routing tools to synthesize and lay out analog blocks along with digital blocks in a cell-based design approach. This technique was demonstrated in the design of a digital-to-analog converter. In the domain of RQL circuits, the automated design of several functional units of a commercial Processor is presented. These automation techniques enable the design of VLSI-scale circuits in this technology. In addition to the investigation of new technologies, several new baseband signal processor architectures are presented in this dissertation. These architectures are suitable for low-power mm3-scale WSNs and enable high frequency transceivers to operate within the power constraints of standalone IoT nodes.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/133177/1/elnaz_1.pd

Layout-accurate Ultra-fast System-level Design Exploration Through Verilog-ams

This research addresses problems in designing analog and mixed-signal (AMS) systems by bridging the gap between system-level and circuit-level simulation by making simulations fast like system-level and accurate like circuit-level. The tools proposed include metamodel integrated Verilog-AMS based design exploration flows. The research involves design centering, metamodel generation flows for creating efficient behavioral models, and Verilog-AMS integration techniques for model realization. The core of the proposed solution is transistor-level and layout-level metamodeling and their incorporation in Verilog-AMS. Metamodeling is used to construct efficient and layout-accurate surrogate models for AMS system building blocks. Verilog-AMS, an AMS hardware description language, is employed to build surrogate model implementations that can be simulated with industrial standard simulators. The case-study circuits and systems include an operational amplifier (OP-AMP), a voltage-controlled oscillator (VCO), a charge-pump phase-locked loop (PLL), and a continuous-time delta-sigma modulator (DSM). The minimum and maximum error rates of the proposed OP-AMP model are 0.11 % and 2.86 %, respectively. The error rates for the PLL lock time and power estimation are 0.7 % and 3.0 %, respectively. The OP-AMP optimization using the proposed approach is ~17000× faster than the transistor-level model based approach. The optimization achieves a ~4× power reduction for the OP-AMP design. The PLL parasitic-aware optimization achieves a 10× speedup and a 147 µW power reduction. Thus the experimental results validate the effectiveness of the proposed solution

Measurements, Models, Systems and Design

531 s.