Effects of buffer insertion on the average/peak power ratio in CMOS VLSI digital circuits

The buffer insertion has been a mechanism widely used to increase the performances of advanced VLSI digital circuits and systems. The driver or repeater used to this purpose has effect on the timing characteristics on the signal on the wire, as propagation delay, signal integrity, transition time, among others. The power concerns related to buffering have also received much attention, because of the low power requirements of modern integrated systems. In the same way, the buffer insertion has strong impact on the reliability of synchronous systems, since the suited distribution of clock requires reduced or controlled clock-skew, being the buffer and wire sizing, a crucial aspect. In a different way, buffer insertion has been also used to reduce noise generation, especially in heavily loaded nets, since the inclusion of buffers help to desynchronize signal transitions. However, the inclusion of buffers of inverters to improve one or more of these characteristics have often negative effect on another parameters, as it happens in the average and peak of supply current. Mainly, the inclusion of a buffer to reduce noise (peak power), via desynchronizing transitions, could introduce more dynamic consumption, but reducing the short-circuit current because of the increment of signal slope. Thus, the average/peak current optimization can be considered a design trade-off. In this paper, the mechanism to obtain an average/peak power optimization procedure are presented. Selected examples show the feasibility of minimizing switching noise with negligible impact on average power consumption.MEC TEC2004-01509 DOCJunta de Andalucía TIC2006-635 Project

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

Design methodologies for variation-aware integrated circuits

The scaling of VLSI technology has spurred a rapid growth in the semiconductor industry. With the CMOS device dimension scaling to and beyond 90nm technology, it is possible to achieve higher performance and to pack more complex functionalities on a single chip. However, the scaling trend has introduced drastic variation of process and design parameters, leading to severe variability of chip performance in nanometer regime. Also, the manufacturing community projects CMOS will scale for three to four more generations. Since the uncertainties due to variations are expected to increase in each generation, it will significantly impact the performance of design and consequently the yield. Another challenging issue in the nanometer IC design is the high power consumption due to the greater packing density, higher frequency of operation and excessive leakage power. Moreover, the circuits are usually over-designed to compensate for uncertainties due to variations. The over-designed circuits not only make timing closure difficult but also cause excessive power consumption. For portable electronics, excessive power consumption may reduce battery life; for non-portable systems it may impose great difficulties in cooling and packaging. The objective of my research has been to develop design methodologies to address variations and power dissipation for reliable circuit operation. The proposed work has been divided into three parts: the first part addresses the issues related with power/ground noise induced by clock distribution network and proposes techniques to reduce power/ground noise considering the effects of process variations. The second part proposes an elastic pipeline scheme for random circuits with feedback loops. The proposed scheme provides a low-power solution that has the same variation tolerance as the conventional approaches. The third section deals with discrete buffer and wire sizing for link-based non-tree clock network, which is an energy efficient structure for skew tolerance to variations. For the power/ground noise problem, our approach could reduce the peak current and the delay variations by 50% and 51% respectively. Compared to conventional approach, the elastic timing scheme reduces power dissipation by 20% − 27%. The sizing method achieves clock skew reduction of 45% with a small increase in power dissipation

Design and Optimization for Resilient Energy Efficient Computing

Heutzutage sind moderne elektronische Systeme ein integraler Bestandteil unseres Alltags. Dies wurde unter anderem durch das exponentielle Wachstum der Integrationsdichte von integrierten Schaltkreisen ermöglicht zusammen mit einer Verbesserung der Energieeffizienz, welche in den letzten 50 Jahren stattfand, auch bekannt als Moore‘s Gesetz. In diesem Zusammenhang ist die Nachfrage von energieeffizienten digitalen Schaltkreisen enorm angestiegen, besonders in Anwendungsfeldern wie dem Internet of Things (IoT). Da der Leistungsverbrauch von Schaltkreisen stark mit der Versorgungsspannung verknüpft ist, wurden effiziente Verfahren entwickelt, welche die Versorgungsspannung in den nahen Schwellenspannung-Bereich skalieren, zusammengefasst unter dem Begriff Near-Threshold-Computing (NTC). Mithilfe dieser Verfahren kann eine Erhöhung der Energieeffizienz von Schaltungen um eine ganze Größenordnung ermöglicht werden. Neben der verbesserten Energiebilanz ergeben sich jedoch zahlreiche Herausforderungen was den Schaltungsentwurf angeht. Zum Beispiel führt das Reduzieren der Versorgungsspannung in den nahen Schwellenspannungsbereich zu einer verzehnfachten Erhöhung der Sensibilität der Schaltkreise gegenüber Prozessvariation, Spannungsfluktuationen und Temperaturveränderungen. Die Einflüsse dieser Variationen reduzieren die Zuverlässigkeit von NTC Schaltkreisen und sind ihr größtes Hindernis bezüglich einer umfassenden Nutzung. Traditionelle Ansätze und Methoden aus dem nominalen Spannungsbereich zur Kompensation von Variabilität können nicht effizient angewandt werden, da die starken Performance-Variationen und Sensitivitäten im nahen Schwellenspannungsbereich dessen Kapazitäten übersteigen. Aus diesem Grund sind neue Entwurfsparadigmen und Entwurfsautomatisierungskonzepte für die Anwendung von NTC erforderlich. Das Ziel dieser Arbeit ist die zuvor erwähnten Probleme durch die Bereitstellung von ganzheitlichen Methoden zum Design von NTC Schaltkreisen sowie dessen Entwurfsautomatisierung anzugehen, welche insbesondere auf der Schaltungs- sowie Logik-Ebene angewandt werden. Dabei werden tiefgehende Analysen der Zuverlässigkeit von NTC Systemen miteinbezogen und Optimierungsmethoden werden vorgeschlagen welche die Zuverlässigkeit, Performance und Energieeffizienz verbessern. Die Beiträge dieser Arbeit sind wie folgt: Schaltungssynthese und Timing Closure unter Einbezug von Variationen: Das Einhalten von Anforderungen an das zeitliche Verhalten und Zuverlässigkeit von NTC ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Die Auswirkungen von Variabilität kommen bei starken Performance-Schwankungen, welche zu teuren zeitlichen Sicherheitsmargen führen, oder sich in Hold-Time Verstößen ausdrücken, verursacht durch funktionale Störungen, zum Vorschein. Die konventionellen Ansätze beschränken sich dabei alleine auf die Erhöhung von zeitlichen Sicherheitsmargen. Dies ist jedoch sehr ineffizient für NTC, wegen dem starken Ausmaß an Variationen und den erhöhten Leckströmen. In dieser Arbeit wird ein Konzept zur Synthese und Timing Closure von Schaltkreisen unter Variationen vorgestellt, welches sowohl die Sensitivität gegenüber Variationen reduziert als auch die Energieeffizienz, Performance und Zuverlässigkeit verbessert und zugleich den Mehraufwand von Timing Closures [1, 2] verringert. Simulationsergebnisse belegen, dass unser vorgeschlagener Ansatz die Verzögerungszeit um 87% reduziert und die Performance und Energieeffizienz um 25% beziehungsweise 7.4% verbessert, zu Kosten eines erhöhten Flächenbedarfs von 4.8%. Schichtübergreifende Zuverlässigkeits-, Energieeffizienz- und Performance-Optimierung von Datenpfaden: Schichtübergreifende Analyse von Prozessor-Datenpfaden, welche den ganzen Weg spannen vom Kompilierer zum Schaltungsentwurf, kann potenzielle Optimierungsansätze aufzeigen. Ein Datenpfad ist eine Kombination von mehreren funktionalen Einheiten, welche diverse Instruktionen verarbeiten können. Unsere Analyse zeigt, dass die Ausführungszeiten von Instruktionen bei niedrigen Versorgungsspannungen stark variieren, weshalb eine Klassifikation in schnelle und langsame Instruktionen vorgenommen werden kann. Des Weiteren können funktionale Instruktionen als häufig und selten genutzte Instruktionen kategorisiert werden. Diese Arbeit stellt eine Multi-Zyklen-Instruktionen-Methode vor, welche die Energieeffizienz und Belastbarkeit von funktionalen Einheiten erhöhen kann [3]. Zusätzlich stellen wir einen Partitionsalgorithmus vor, welcher ein fein-granulares Power-gating von selten genutzten Einheiten ermöglicht [4] durch Partition von einzelnen funktionalen Einheiten in mehrere kleinere Einheiten. Die vorgeschlagenen Methoden verbessern das zeitliche Schaltungsverhalten signifikant, und begrenzen zugleich die Leckströme beträchtlich, durch Einsatz einer Kombination von Schaltungs-Redesign- und Code-Replacement-Techniken. Simulationsresultate zeigen, dass die entwickelten Methoden die Performance und Energieeffizienz von arithmetisch-logischen Einheiten (ALU) um 19% beziehungsweise 43% verbessern. Des Weiteren kann der Zuwachs in Performance der optimierten Schaltungen in eine Verbesserung der Zuverlässigkeit umgewandelt werden [5, 6]. Post-Fabrication und Laufzeit-Tuning: Prozess- und Laufzeitvariationen haben einen starken Einfluss auf den Minimum Energy Point (MEP) von NTC-Schaltungen, welcher mit der energieeffizientesten Versorgungsspannung assoziiert ist. Es ist ein besonderes Anliegen, die NTC-Schaltung nach der Herstellung (post-fabrication) so zu kalibrieren, dass sich die Schaltung im MEP-Zustand befindet, um die beste Energieeffizient zu erreichen. In dieser Arbeit, werden Post-Fabrication und Laufzeit-Tuning vorgeschlagen, welche die Schaltung basierend auf Geschwindigkeits- und Leistungsverbrauch-Messungen nach der Herstellung auf den MEP kalibrieren. Die vorgestellten Techniken ermitteln den MEP per Chip-Basis um den Einfluss von Prozessvariationen mit einzubeziehen und dynamisch die Versorgungsspannung und Frequenz zu adaptieren um zeitabhängige Variationen wie Workload und Temperatur zu adressieren. Zu diesem Zweck wird in die Firmware eines Chips ein Regression-Modell integriert, welches den MEP basierend auf Workload- und Temperatur-Messungen zur Laufzeit extrahiert. Das Regressions-Modell ist für jeden Chip einzigartig und basiert lediglich auf Post-Fabrication-Messungen. Simulationsergebnisse zeigen das der entwickelte Ansatz eine sehr hohe prognostische Treffsicherheit und Energieeffizienz hat, ähnlich zu hardware-implementierten Methoden, jedoch ohne hardware-seitigen Mehraufwand [7, 8]. Selektierte Flip-Flop Optimierung: Ultra-Low-Voltage Schaltungen müssen im nominalen Versorgungsspannungs-Mode arbeiten um zeitliche Anforderungen von laufenden Anwendungen zu erfüllen. In diesem Fall ist die Schaltung von starken Alterungsprozessen betroffen, welche die Transistoren durch Erhöhung der Schwellenspannungen degradieren. Unsere tiefgehenden Analysen haben gezeigt das gewisse Flip-Flop-Architekturen von diesen Alterungserscheinungen beeinflusst werden indem fälschlicherweise konstante Werte ( \u270\u27 oder \u271\u27) für eine lange Zeit gespeichert sind. Im Vergleich zu anderen Komponenten sind Flip-Flops sensitiver zu Alterungsprozessen und versagen unter anderem dabei einen neuen Wert innerhalb des vorgegebenen zeitlichen Rahmens zu übernehmen. Außerdem kann auch ein geringfügiger Spannungsabfall zu diesen zeitlichen Verstößen führen, falls die betreffenden gealterten Flip-Flops zum kritischen Pfad zuzuordnen sind. In dieser Arbeit wird eine selektiver Flip-Flop-Optimierungsmethode vorgestellt, welche die Schaltungen bezüglich Robustheit gegen statische Alterung und Spannungsabfall optimieren. Dabei werden zuerst optimierte robuste Flip-Flops generiert und diese dann anschließend in die Standard-Zellen-Bibliotheken integriert. Flip-Flops, die in der Schaltung zum kritischen Pfad gehören und Alterung sowie Spannungsabfall erfahren, werden durch die optimierten robusten Versionen ersetzt, um das Zeitverhalten und die Zuverlässigkeit der Schaltung zu verbessern [9, 10]. Simulationsergebnisse zeigen, dass die erwartete Lebenszeit eines Prozessors um 37% verbessert werden kann, während Leckströme um nur 0.1% erhöht werden. Während NTC das Potenzial hat große Energieeffizienz zu ermöglichen, ist der Einsatz in neue Anwendungsfeldern wie IoT wegen den zuvor erwähnten Problemen bezüglich der hohen Sensitivität gegenüber Variationen und deshalb mangelnder Zuverlässigkeit, noch nicht durchsetzbar. In dieser Dissertation und in noch nicht publizierten Werken [11–17], stellen wir Lösungen zu diesen Problemen vor, die eine Integration von NTC in heutige Systeme ermöglichen