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

Fiabilisation de Convertisseurs Analogique-Num´erique a Modulation Sigma-Delta

Due to the continuously scaling down of CMOS technology, system-on-chips (SoCs) reliability becomes important in sub-90 nm CMOS node. Integrated circuits and systems applied to aerospace, avionic, vehicle transport and biomedicine are highly sensitive to reliability problems such as ageing mechanisms and parametric process variations. Novel SoCs with new materials and architectures of high complexity further aggravate reliability as a critical aspect of process integration. For instance, random and systematic defects as well as parametric process variations have a large influence on quality and yield of the manufactured ICs, right after production. During ICs usage time, time-dependent ageing mechanisms such as negative bias temperature instability (NBTI) and hot carrier injection (HCI) can significantly degrade ICs performance.La fiabilit´e des ICs est d´efinie ainsi : la capacit´e d’un circuit ou un syst`eme int´egr´e `amaintenir ses param`etres durant une p´eriode donn´ee sous des conditions d´efinies. Les rapportsITRS 2011 consid`ere la fiabilit´e comme un aspect critique du processus d’int´egration.Par cons´equent, il faut faire appel des m´ethodologies innovatrices prenant en comptela fiabilit´e afin d’assurer la fonctionnalit´e du SoCs et la fiabilit´e dans les technologiesCMOS `a l’´echelle nanom´etrique. Cela nous permettra de d´evelopper des m´ethodologiesind´ependantes du design et de la technologie CMOS, en revanche, sp´ecialis´ees en fiabilit´e

Fiabilisation de convertisseurs analogique-numérique à modulation Sigma-Delta

This thesis concentrates on reliability-aware methodology development, reliability analysis based on simulation as well as failure prediction of CMOS 65nm analog and mixed signal (AMS) ICs. Sigma-Delta modulators are concerned as the object of reliability study at system level. A hierarchical statistical approach for reliability is proposed to analysis the performance of Sigma-Delta modulators under ageing effects and process variations. Statistical methods are combined into this analysis flow.Ce travail de thèse a porté sur des problèmes de fiabilité de circuits intégrés en technologie CMOS 65 nm, en particulier sur la conception en vue de la fiabilité, la simulation et l'amélioration de la fiabilité. Les mécanismes dominants de vieillissement HCI et NBTI ainsi que la variation du processus ont été étudiés et évalués quantitativement au niveau du circuit et au niveau du système. Ces méthodes ont été appliquées aux modulateurs Sigma-Delta afin de déterminer la fiabilité de ce type de composant qui est très utilisé

Comparison of QMC-based yield-aware pareto front techniques for multi-objective robust analog synthesis

This paper focuses on the implementation of different techniques for the integration of yield estimation in the synthesis loop of analog integrated circuits (ICs). MOEA/D (Multi-Objective Evolutionary Algorithm with Decomposition) is considered to be a very powerful multi-objective optimization algorithm. For the consideration of yield, several techniques are discussed and three different yield-aware Pareto front (PF) generation techniques have been implemented on the MOEA/D optimizer. The implemented yield-aware PF techniques are compared by designing a fully-differential folded-cascode amplifier with different number of objectives. In order to embed the variation effects into the optimization loop, the statistical analysis of the circuit has been carried out by using a Quasi Monte Carlo (QMC) technique. The results suggest that especially two of these techniques look promising for high dimensional robust optimization of analog circuits.Peer reviewe

Rethinking the risk matrix

So far risk has been mostly defined as the expected value of a loss, mathematically PL (being P the probability of an adverse event and L the loss incurred as a consequence of the adverse event). The so called risk matrix follows from such definition. This definition of risk is justified in a long term “managerial” perspective, in which it is conceivable to distribute the effects of an adverse event on a large number of subjects or a large number of recurrences. In other words, this definition is mostly justified on frequentist terms. Moreover, according to this definition, in two extreme situations (high-probability/low-consequence and low-probability/high-consequence), the estimated risk is low. This logic is against the principles of sustainability and continuous improvement, which should impose instead both a continuous search for lower probabilities of adverse events (higher and higher reliability) and a continuous search for lower impact of adverse events (in accordance with the fail-safe principle). In this work a different definition of risk is proposed, which stems from the idea of safeguard: (1Risk)=(1P)(1L). According to this definition, the risk levels can be considered low only when both the probability of the adverse event and the loss are small. Such perspective, in which the calculation of safeguard is privileged to the calculation of risk, would possibly avoid exposing the Society to catastrophic consequences, sometimes due to wrong or oversimplified use of probabilistic models. Therefore, it can be seen as the citizen’s perspective to the definition of risk

African Handbook of Climate Change Adaptation

This open access book discusses current thinking and presents the main issues and challenges associated with climate change in Africa. It introduces evidences from studies and projects which show how climate change adaptation is being - and may continue to be successfully implemented in African countries. Thanks to its scope and wide range of themes surrounding climate change, the ambition is that this book will be a lead publication on the topic, which may be regularly updated and hence capture further works. Climate change is a major global challenge. However, some geographical regions are more severly affected than others. One of these regions is the African continent. Due to a combination of unfavourable socio-economic and meteorological conditions, African countries are particularly vulnerable to climate change and its impacts. The recently released IPCC special report "Global Warming of 1.5º C" outlines the fact that keeping global warming by the level of 1.5º C is possible, but also suggested that an increase by 2º C could lead to crises with crops (agriculture fed by rain could drop by 50% in some African countries by 2020) and livestock production, could damage water supplies and pose an additonal threat to coastal areas. The 5th Assessment Report produced by IPCC predicts that wheat may disappear from Africa by 2080, and that maize— a staple—will fall significantly in southern Africa. Also, arid and semi-arid lands are likely to increase by up to 8%, with severe ramifications for livelihoods, poverty eradication and meeting the SDGs. Pursuing appropriate adaptation strategies is thus vital, in order to address the current and future challenges posed by a changing climate. It is against this background that the "African Handbook of Climate Change Adaptation" is being published. It contains papers prepared by scholars, representatives from social movements, practitioners and members of governmental agencies, undertaking research and/or executing climate change projects in Africa, and working with communities across the African continent. Encompassing over 100 contribtions from across Africa, it is the most comprehensive publication on climate change adaptation in Africa ever produced