Leakage Minimization Technique for Nanoscale CMOS VLSI

Because of the continued scaling of technology and supply-threshold voltage, leakage power has become more significant in power dissipation of nanoscale CMOS circuits. Therefore, estimating the total leakage power is critical to designing low-power digital circuits. In nanometer CMOS circuits, the main leakage components are the subthreshold, gate-tunneling, and reverse-biased junction band-to-band-tunneling (BTBT) leakage currents

Standby Leakage Power Reduction Technique for Nanoscale CMOS VLSI Systems

In this paper, a novel low-power design technique is proposed to minimize the standby leakage power in nanoscale CMOS very large scale integration (VLSI) systems by generating the adaptive optimal reverse body-bias voltage. The adaptive optimal body-bias voltage is generated from the proposed leakage monitoring circuit, which compares the subthreshold current (ISUB) and the band-to-band tunneling (BTBT) current (IBTBT). The proposed circuit was simulated in HSPICE using 32-nm bulk CMOS technology and evaluated using ISCAS85 benchmark circuits at different operating temperatures (ranging from 25°C to 100°C). Analysis of the results shows a maximum of 551 and 1491 times leakage power reduction at 25°C and 100°C, respectively, on a circuit with 546 gates. The proposed approach demonstrates that the optimal body bias reduces a considerable amount of standby leakage power dissipation in nanoscale CMOS integrated circuits. In this approach, the temperature and supply voltage variations are compensated by the proposed feedback loop

Yield-driven power-delay-optimal CMOS full-adder design complying with automotive product specifications of PVT variations and NBTI degradations

We present the detailed results of the application of mathematical optimization algorithms to transistor sizing in a full-adder cell design, to obtain the maximum expected fabrication yield. The approach takes into account all the fabrication process parameter variations specified in an industrial PDK, in addition to operating condition range and NBTI aging. The final design solutions present transistor sizing, which depart from intuitive transistor sizing criteria and show dramatic yield improvements, which have been verified by Monte Carlo SPICE analysis

Enhancing Power Efficient Design Techniques in Deep Submicron Era

Excessive power dissipation has been one of the major bottlenecks for design and manufacture in the past couple of decades. Power efficient design has become more and more challenging when technology scales down to the deep submicron era that features the dominance of leakage, the manufacture variation, the on-chip temperature variation and higher reliability requirements, among others. Most of the computer aided design (CAD) tools and algorithms currently used in industry were developed in the pre deep submicron era and did not consider the new features explicitly and adequately. Recent research advances in deep submicron design, such as the mechanisms of leakage, the source and characterization of manufacture variation, the cause and models of on-chip temperature variation, provide us the opportunity to incorporate these important issues in power efficient design. We explore this opportunity in this dissertation by demonstrating that significant power reduction can be achieved with only minor modification to the existing CAD tools and algorithms. First, we consider peak current, which has become critical for circuit's reliability in deep submicron design. Traditional low power design techniques focus on the reduction of average power. We propose to reduce peak current while keeping the overhead on average power as small as possible. Second, dual Vt technique and gate sizing have been used simultaneously for leakage savings. However, this approach becomes less effective in deep submicron design. We propose to use the newly developed process-induced mechanical stress to enhance its performance. Finally, in deep submicron design, the impact of on-chip temperature variation on leakage and performance becomes more and more significant. We propose a temperature-aware dual Vt approach to alleviate hot spots and achieve further leakage reduction. We also consider this leakage-temperature dependency in the dynamic voltage scaling approach and discover that a commonly accepted result is incorrect for the current technology. We conduct extensive experiments with popular design benchmarks, using the latest industry CAD tools and design libraries. The results show that our proposed enhancements are promising in power saving and are practical to solve the low power design challenges in deep submicron era

Accurate Macro-Modeling for Leakage Current for I\u3csub\u3eDDQ\u3c/sub\u3e Test

This paper proposes a new precise macro-modeling for leakage current in BSIM4 65nm technology considering subthreshold leakage, gate tunneling leakage, stack effect, and fanout effect. Using the accurate macro-model, a heuristic algorithm is developed to estimate the leakage power and generate input test pattern for minimum leakage. The algorithm applies to ISCAS85 benchmark circuits, and the results are compared with the results of Hspice. The experimental result shows that the leakage power estimation using our macro-model is within 5% difference when comparing to Hspice results

Design for Reliability and Low Power in Emerging Technologies

Die fortlaufende Verkleinerung von Transistor-Strukturgrößen ist einer der wichtigsten Antreiber für das Wachstum in der Halbleitertechnologiebranche. Seit Jahrzehnten erhöhen sich sowohl Integrationsdichte als auch Komplexität von Schaltkreisen und zeigen damit einen fortlaufenden Trend, der sich über alle modernen Fertigungsgrößen erstreckt. Bislang ging das Verkleinern von Transistoren mit einer Verringerung der Versorgungsspannung einher, was zu einer Reduktion der Leistungsaufnahme führte und damit eine gleichbleibenden Leistungsdichte sicherstellte. Doch mit dem Beginn von Strukturgrößen im Nanometerbreich verlangsamte sich die fortlaufende Skalierung. Viele Schwierigkeiten, sowie das Erreichen von physikalischen Grenzen in der Fertigung und Nicht-Idealitäten beim Skalieren der Versorgungsspannung, führten zu einer Zunahme der Leistungsdichte und, damit einhergehend, zu erschwerten Problemen bei der Sicherstellung der Zuverlässigkeit. Dazu zählen, unter anderem, Alterungseffekte in Transistoren sowie übermäßige Hitzeentwicklung, nicht zuletzt durch stärkeres Auftreten von Selbsterhitzungseffekten innerhalb der Transistoren. Damit solche Probleme die Zuverlässigkeit eines Schaltkreises nicht gefährden, werden die internen Signallaufzeiten üblicherweise sehr pessimistisch kalkuliert. Durch den so entstandenen zeitlichen Sicherheitsabstand wird die korrekte Funktionalität des Schaltkreises sichergestellt, allerdings auf Kosten der Performance. Alternativ kann die Zuverlässigkeit des Schaltkreises auch durch andere Techniken erhöht werden, wie zum Beispiel durch Null-Temperatur-Koeffizienten oder Approximate Computing. Wenngleich diese Techniken einen Großteil des üblichen zeitlichen Sicherheitsabstandes einsparen können, bergen sie dennoch weitere Konsequenzen und Kompromisse. Bleibende Herausforderungen bei der Skalierung von CMOS Technologien führen außerdem zu einem verstärkten Fokus auf vielversprechende Zukunftstechnologien. Ein Beispiel dafür ist der Negative Capacitance Field-Effect Transistor (NCFET), der eine beachtenswerte Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen FinFET Transistoren aufweist und diese in Zukunft ersetzen könnte. Des Weiteren setzen Entwickler von Schaltkreisen vermehrt auf komplexe, parallele Strukturen statt auf höhere Taktfrequenzen. Diese komplexen Modelle benötigen moderne Power-Management Techniken in allen Aspekten des Designs. Mit dem Auftreten von neuartigen Transistortechnologien (wie zum Beispiel NCFET) müssen diese Power-Management Techniken neu bewertet werden, da sich Abhängigkeiten und Verhältnismäßigkeiten ändern. Diese Arbeit präsentiert neue Herangehensweisen, sowohl zur Analyse als auch zur Modellierung der Zuverlässigkeit von Schaltkreisen, um zuvor genannte Herausforderungen auf mehreren Designebenen anzugehen. Diese Herangehensweisen unterteilen sich in konventionelle Techniken ((a), (b), (c) und (d)) und unkonventionelle Techniken ((e) und (f)), wie folgt: $\textbf{(a)}$ Analyse von Leistungszunahmen in Zusammenhang mit der Maximierung von Leistungseffizienz beim Betrieb nahe der Transistor Schwellspannung, insbesondere am optimalen Leistungspunkt. Das genaue Ermitteln eines solchen optimalen Leistungspunkts ist eine besondere Herausforderung bei Multicore Designs, da dieser sich mit den jeweiligen Optimierungszielsetzungen und der Arbeitsbelastung verschiebt. $\textbf{(b)}$ Aufzeigen versteckter Interdependenzen zwischen Alterungseffekten bei Transistoren und Schwankungen in der Versorgungsspannung durch „IR-drops“. Eine neuartige Technik wird vorgestellt, die sowohl Über- als auch Unterschätzungen bei der Ermittlung des zeitlichen Sicherheitsabstands vermeidet und folglich den kleinsten, dennoch ausreichenden Sicherheitsabstand ermittelt. $\textbf{(c)}$ Eindämmung von Alterungseffekten bei Transistoren durch „Graceful Approximation“, eine Technik zur Erhöhung der Taktfrequenz bei Bedarf. Der durch Alterungseffekte bedingte zeitlich Sicherheitsabstand wird durch Approximate Computing Techniken ersetzt. Des Weiteren wird Quantisierung verwendet um ausreichend Genauigkeit bei den Berechnungen zu gewährleisten. $\textbf{(d)}$ Eindämmung von temperaturabhängigen Verschlechterungen der Signallaufzeit durch den Betrieb nahe des Null-Temperatur Koeffizienten (N-ZTC). Der Betrieb bei N-ZTC minimiert temperaturbedingte Abweichungen der Performance und der Leistungsaufnahme. Qualitative und quantitative Vergleiche gegenüber dem traditionellen zeitlichen Sicherheitsabstand werden präsentiert. $\textbf{(e)}$ Modellierung von Power-Management Techniken für NCFET-basierte Prozessoren. Die NCFET Technologie hat einzigartige Eigenschaften, durch die herkömmliche Verfahren zur Spannungs- und Frequenzskalierungen zur Laufzeit (DVS/DVFS) suboptimale Ergebnisse erzielen. Dies erfordert NCFET-spezifische Power-Management Techniken, die in dieser Arbeit vorgestellt werden. $\textbf{(f)}$ Vorstellung eines neuartigen heterogenen Multicore Designs in NCFET Technologie. Das Design beinhaltet identische Kerne; Heterogenität entsteht durch die Anwendung der individuellen, optimalen Konfiguration der Kerne. Amdahls Gesetz wird erweitert, um neue system- und anwendungsspezifische Parameter abzudecken und die Vorzüge des neuen Designs aufzuzeigen. Die Auswertungen der vorgestellten Techniken werden mithilfe von Implementierungen und Simulationen auf Schaltkreisebene (gate-level) durchgeführt. Des Weiteren werden Simulatoren auf Systemebene (system-level) verwendet, um Multicore Designs zu implementieren und zu simulieren. Zur Validierung und Bewertung der Effektivität gegenüber dem Stand der Technik werden analytische, gate-level und system-level Simulationen herangezogen, die sowohl synthetische als auch reale Anwendungen betrachten

Gate-to-channel parasitic capacitance minimization and source-drain leakage evaluation in germanium PMOS

This work studies the behavior of both gate-to-channel capacitance (CGC) and source-channel-drain/well leakage in metal-gate/high-κ/Ge PMOS technology (W = 10 μm and L = 10; 5; 1 μm) under development at IMEC. The hole drift-mobility of germanium is ~4X that of silicon, leading researchers to evaluate germanium as a possible channel material replacement for PMOS expected at the 32 nm technology node. In particular this study focuses on—but is not restricted to—(1) the presence of a parasitic gate-to-channel capacitance (CGC), the large non-ideal trap assisted conductance which contributes to it, and its function versus Ge-PMOS architecture and gate length; (2) the existence of C-V tool compensation error due to CGC measurement technique resulting in conductance measurement error; (3) the presence of large source-channel-drain/well leakages characterized using a new MOS gated-diode measurement technique; (4) extrinsic capacitance (CEXT), flatband voltage (VFB), and effective oxide thickness (EOT) parameter extraction with discussion on inversion layer quantization. This study found that excessive current leakages from the Ge-PMOS source-anddrain into the channel led to a chuck-dependent parasitic capacitance during CGC measurement. This excessive leakage is identified as a trap-assisted leakage through both AC and DC analysis. The chuck-dependent parasitic capacitance was an unexpected side effect of the PMOS architecture: namely the lack of N-Well isolation. The parasitic capacitance—dependent on both applied bias and frequency—was separated into two main capacitive components: a frequency-dependent source/well and drain/well trapassisted leakage capacitance (CPara_SD) and a frequency-voltage-dependent gate-induced iv junction leakage capacitance (CPara_GIJL). A third parasitic capacitance due to interface trap (IT) contribution (CIT) during channel depletion was also identified. This study also found that the new MOS gated-diode measurement technique designed to separate and evaluate the source, channel, and drain leakage components is superior to typical VGS versus IDS methods when attempting to quantify the CGC measurement. The MOS gated-diode configuration allowed for temperature-dependent analysis and activation energy extraction (EA), thereby providing a means to confirm individual leakage components: diffusion; Shockley-Read-Hall (SRH); trap-assisted leakage (TAL). TAL components include: Poole-Frenkel (PF); phonon-assisted tunneling (PAT); trap-to-band tunneling (TBT). In conclusion, it was found that the source-channel-drain/well leakages and hence parasitic capacitances of PMOS built on relaxed germanium-on-silicon can be minimized by reducing the source/drain area, reducing the source/drain-to-gate contact distance, while increasing both the gate length and measurement frequency. The dominance of SRH and TAL during Ge-PMOS operation disagrees with diffusion dominance predicted by theory and as a result opens the door for future research. Future research includes Ge- PMOS fabrication on substrates free of dislocations—to minimize SRH and TAL current leakage contributions—so as to compare leakage performance