Effect of clock gating in conditional pulse enhancement flip-flop for low power applications

Flip-Flops (FFs) play a fundamental role in digital designs. A clock system consumes above 25% of total system power. The use of pulse-triggered flip-flops (P-FFs) in digital design provides better performance than conventional flip-flop designs. This paper presents the design of a new power-efficient implicit pulse-triggered flip-flop suitable for low power applications. This flip-flop architecture is embedded with two key features. Firstly, the enhancement in width and height of triggering pulses during specific conditions gives a solution for the longest discharging path problem in existing P-FFs. Secondly, the clock gating concept reduces unwanted switching activities at sleep/idle mode of operation and thereby reducing dynamic power consumption. The post-layout simulation results in cadence software based on CMOS 90-nm technology shows that the proposed design features less power dissipation and better power delay performance (PDP) when compared with conventional P-FFs. Its maximum power saving against conventional designs is up to 30.65%

Power Reductions with Energy Recovery Using Resonant Topologies

The problem of power densities in system-on-chips (SoCs) and processors has become more exacerbated recently, resulting in high cooling costs and reliability issues. One of the largest components of power consumption is the low skew clock distribution network (CDN), driving large load capacitance. This can consume as much as 70% of the total dynamic power that is lost as heat, needing elaborate sensing and cooling mechanisms. To mitigate this, resonant clocking has been utilized in several applications over the past decade. An improved energy recovering reconfigurable generalized series resonance (GSR) solution with all the critical support circuitry is developed in this work. This LC resonant clock driver is shown to save about 50% driver power (\u3e40% overall), on a 22nm process node and has 50% less skew than a non-resonant driver at 2GHz. It can operate down to 0.2GHz to support other energy savings techniques like dynamic voltage and frequency scaling (DVFS). As an example, GSR can be configured for the simpler pulse series resonance (PSR) operation to enable further power saving for double data rate (DDR) applications, by using de-skewing latches instead of flip-flop banks. A PSR based subsystem for 40% savings in clocking power with 40% driver active area reduction xii is demonstrated. This new resonant driver generates tracking pulses at each transition of clock for dual edge operation across DVFS. PSR clocking is designed to drive explicit-pulsed latches with negative setup time. Simulations using 45nm IBM/PTM device and interconnect technology models, clocking 1024 flip-flops show the reductions, compared to non-resonant clocking. DVFS range from 2GHz/1.3V to 200MHz/0.5V is obtained. The PSR frequency is set \u3e3× the clock rate, needing only 1/10th the inductance of prior-art LC resonance schemes. The skew reductions are achieved without needing to increase the interconnect widths owing to negative set-up times. Applications in data circuits are shown as well with a 90nm example. Parallel resonant and split-driver non-resonant configurations as well are derived from GSR. Tradeoffs in timing performance versus power, based on theoretical analysis, are compared for the first time and verified. This enables synthesis of an optimal topology for a given application from the GSR

Area Efficient Design of Shift Register through Comparative Analysis of Latches and Flip-Flops

This work presents a energy and area-efficient shift register using pulsed latches. Energy consumption plays an important role in digital systems, because of the requirement to dissipate this energy in high-density circuits and the battery life need to be extended in portable systems such as devices with wireless communication capabilities. Flip-flops consume more energy in digital circuits. In flip flops timing problem occurs due to the redundancy, when the input and the output are in the same state. Several low-power techniques are available but all of them incur transistor-count penalties, leading to an increase in size. In this work the power and energy efficiency of several CMOS master–slave flip-flops and latches are designed and investigated. Among the flip-flops and latches compared, the proposed SSASPL (Static Sense Amplifier with Shared Pulse Generator) circuit is found to be the best energy and area efficient and this circuit is used to design a shift register. This method solves the timing problem through the use of multiple non-overlap delayed pulsed clock signals instead of single pulsed clock signal. The shift register designed by grouping the latches to several sub shift registers and using additional temporary storage latches but uses a small number of the pulsed clock signals. A 16-bit shift register using pulsed latches was fabricated using a 0.18 µm CMOS process with VDD = 1.8v. The proposed shift register saves 52% area and 44% power compared to the conventional shift register with flip-flops

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

Power-efficient high-speed interface circuit techniques

Inter- and intra-chip connections have become the new challenge to enable the scaling of computing systems, ranging from mobile devices to high-end servers. Demand for aggregate I/O bandwidth has been driven by applications including high-speed ethernet, backplane micro-servers, memory, graphics, chip-to-chip and network onchip. I/O circuitry is becoming the major power consumer in SoC processors and memories as the increasing bandwidth demands larger per-pin data rate or larger I/O pin count per component. The aggregate I/O bandwidth has approximately doubled every three to four years across a diverse range of standards in different applications. However, in order to keep pace with these standards enabled in part by process-technology scaling, we will require more than just device scaling in the near future. New energy-efficient circuit techniques must be proposed to enable the next generations of handheld and high-performance computers, given the thermal and system-power limits they start facing. ^ In this work, we are proposing circuit architectures that improve energy efficiency without decreasing speed performance for the most power hungry circuits in high speed interfaces. By the introduction of a new kind of logic operators in CMOS, called implication operators, we implemented a new family of high-speed frequency dividers/prescalers with reduced footprint and power consumption. New techniques and circuits for clock distribution, for pre-emphasis and for driver at the transmitter side of the I/O circuitry have been proposed and implemented. At the receiver side, new DFE architecture and CDR have been proposed and have been proven experimentally

Revamping Timing Error Resilience to Tackle Choke Points at NTC

The growing market of portable devices and smart wearables has contributed to innovation and development of systems with longer battery-life. While Near Threshold Computing (NTC) systems address the need for longer battery-life, they have certain limitations. NTC systems are prone to be significantly affected by variations in the fabrication process, commonly called process variation (PV). This dissertation explores an intriguing effect of PV, called choke points. Choke points are especially important due to their multifarious influence on the functional correctness of an NTC system. This work shows why novel research is required in this direction and proposes two techniques to resolve the problems created by choke points, while maintaining the reduced power needs

A Low-Power BFSK/OOK Transmitter for Wireless Sensors

In recent years, significant improvements in semiconductor technology have allowed consistent development of wireless chipsets in terms of functionality and form factor. This has opened up a broad range of applications for implantable wireless sensors and telemetry devices in multiple categories, such as military, industrial, and medical uses. The nature of these applications often requires the wireless sensors to be low-weight and energy-efficient to achieve long battery life. Among the various functions of these sensors, the communication block, used to transmit the gathered data, is typically the most power-hungry block. In typical wireless sensor networks, transmission range is below 10 meters and required radiated power is below 1 milliwatt. In such cases, power consumption of the frequency-synthesis circuits prior to the power amplifier of the transmitter becomes significant. Reducing this power consumption is currently the focus of various research endeavors. A popular method of achieving this goal is using a direct-modulation transmitter where the generated carrier is directly modulated with baseband data using simple modulation schemes. Among the different variations of direct-modulation transmitters, transmitters using unlocked digitally-controlled oscillators and transmitters with injection or resonator-locked oscillators are widely investigated because of their simple structure. These transmitters can achieve low-power and stable operation either with the help of recalibration or by sacrificing tuning capability. In contrast, phase-locked-loop-based (PLL) transmitters are less researched. The PLL uses a feedback loop to lock the carrier to a reference frequency with a programmable ratio and thus achieves good frequency stability and convenient tunability. This work focuses on PLL-based transmitters. The initial goal of this work is to reduce the power consumption of the oscillator and frequency divider, the two most power-consuming blocks in a PLL. Novel topologies for these two blocks are proposed which achieve ultra-low-power operation. Along with measured performance, mathematical analysis to derive rule-of-thumb design approaches are presented. Finally, the full transmitter is implemented using these blocks in a 130 nanometer CMOS process and is successfully tested for low-power operation