Statistical library characterization using belief propagation across multiple technology nodes

In this paper, we propose a novel flow to enable computationally efficient statistical characterization of delay and slew in standard cell libraries. The distinguishing feature of the proposed method is the usage of a limited combination of output capacitance, input slew rate and supply voltage for the extraction of statistical timing metrics of an individual logic gate. The efficiency of the proposed flow stems from the introduction of a novel, ultra-compact, nonlinear, analytical timing model, having only four universal regression parameters. This novel model facilitates the use of maximum-a-posteriori belief propagation to learn the prior parameter distribution for the parameters of the target technology from past characterizations of library cells belonging to various other technologies, including older ones. The framework then utilises Bayesian inference to extract the new timing model parameters using an ultra-small set of additional timing measurements from the target technology. The proposed method is validated and benchmarked on several production-level cell libraries including a state-of-the-art 14-nm technology node and a variation-aware, compact transistor model. For the same accuracy as the conventional lookup-table approach, this new method achieves at least 15x reduction in simulation runs.Masdar Institute of Science and Technology (Massachusetts Institute of Technology Cooperative Agreement

Ultra Low Power Digital Circuit Design for Wireless Sensor Network Applications

Ny forskning innenfor feltet trådløse sensornettverk åpner for nye og innovative produkter og løsninger. Biomedisinske anvendelser er blant områdene med størst potensial og det investeres i dag betydelige beløp for å bruke denne teknologien for å gjøre medisinsk diagnostikk mer effektiv samtidig som man åpner for fjerndiagnostikk basert på trådløse sensornoder integrert i et ”helsenett”. Målet er å forbedre tjenestekvalitet og redusere kostnader samtidig som brukerne skal oppleve forbedret livskvalitet som følge av økt trygghet og mulighet for å tilbringe mest mulig tid i eget hjem og unngå unødvendige sykehusbesøk og innleggelser. For å gjøre dette til en realitet er man avhengige av sensorelektronikk som bruker minst mulig energi slik at man oppnår tilstrekkelig batterilevetid selv med veldig små batterier. I sin avhandling ” Ultra Low power Digital Circuit Design for Wireless Sensor Network Applications” har PhD-kandidat Farshad Moradi fokusert på nye løsninger innenfor konstruksjon av energigjerrig digital kretselektronikk. Avhandlingen presenterer nye løsninger både innenfor aritmetiske og kombinatoriske kretser, samtidig som den studerer nye statiske minneelementer (SRAM) og alternative minnearkitekturer. Den ser også på utfordringene som oppstår når silisiumteknologien nedskaleres i takt med mikroprosessorutviklingen og foreslår løsninger som bidrar til å gjøre kretsløsninger mer robuste og skalerbare i forhold til denne utviklingen. De viktigste konklusjonene av arbeidet er at man ved å introdusere nye konstruksjonsteknikker både er i stand til å redusere energiforbruket samtidig som robusthet og teknologiskalerbarhet øker. Forskningen har vært utført i samarbeid med Purdue University og vært finansiert av Norges Forskningsråd gjennom FRINATprosjektet ”Micropower Sensor Interface in Nanometer CMOS Technology”

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

Designing energy-efficient computing systems using equalization and machine learning

As technology scaling slows down in the nanometer CMOS regime and mobile computing becomes more ubiquitous, designing energy-efficient hardware for mobile systems is becoming increasingly critical and challenging. Although various approaches like near-threshold computing (NTC), aggressive voltage scaling with shadow latches, etc. have been proposed to get the most out of limited battery life, there is still no “silver bullet” to increasing power-performance demands of the mobile systems. Moreover, given that a mobile system could operate in a variety of environmental conditions, like different temperatures, have varying performance requirements, etc., there is a growing need for designing tunable/reconfigurable systems in order to achieve energy-efficient operation. In this work we propose to address the energy- efficiency problem of mobile systems using two different approaches: circuit tunability and distributed adaptive algorithms. Inspired by the communication systems, we developed feedback equalization based digital logic that changes the threshold of its gates based on the input pattern. We showed that feedback equalization in static complementary CMOS logic enabled up to 20% reduction in energy dissipation while maintaining the performance metrics. We also achieved 30% reduction in energy dissipation for pass-transistor digital logic (PTL) with equalization while maintaining performance. In addition, we proposed a mechanism that leverages feedback equalization techniques to achieve near optimal operation of static complementary CMOS logic blocks over the entire voltage range from near threshold supply voltage to nominal supply voltage. Using energy-delay product (EDP) as a metric we analyzed the use of the feedback equalizer as part of various sequential computational blocks. Our analysis shows that for near-threshold voltage operation, when equalization was used, we can improve the operating frequency by up to 30%, while the energy increase was less than 15%, with an overall EDP reduction of ≈10%. We also observe an EDP reduction of close to 5% across entire above-threshold voltage range. On the distributed adaptive algorithm front, we explored energy-efficient hardware implementation of machine learning algorithms. We proposed an adaptive classifier that leverages the wide variability in data complexity to enable energy-efficient data classification operations for mobile systems. Our approach takes advantage of varying classification hardness across data to dynamically allocate resources and improve energy efficiency. On average, our adaptive classifier is ≈100× more energy efficient but has ≈1% higher error rate than a complex radial basis function classifier and is ≈10× less energy efficient but has ≈40% lower error rate than a simple linear classifier across a wide range of classification data sets. We also developed a field of groves (FoG) implementation of random forests (RF) that achieves an accuracy comparable to Convolutional Neural Networks (CNN) and Support Vector Machines (SVM) under tight energy budgets. The FoG architecture takes advantage of the fact that in random forests a small portion of the weak classifiers (decision trees) might be sufficient to achieve high statistical performance. By dividing the random forest into smaller forests (Groves), and conditionally executing the rest of the forest, FoG is able to achieve much higher energy efficiency levels for comparable error rates. We also take advantage of the distributed nature of the FoG to achieve high level of parallelism. Our evaluation shows that at maximum achievable accuracies FoG consumes ≈1.48×, ≈24×, ≈2.5×, and ≈34.7× lower energy per classification compared to conventional RF, SVM-RBF , Multi-Layer Perceptron Network (MLP), and CNN, respectively. FoG is 6.5× less energy efficient than SVM-LR, but achieves 18% higher accuracy on average across all considered datasets

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

Multiple-Independent-Gate Field-Effect Transistors for High Computational Density and Low Power Consumption

Transistors are the fundamental elements in Integrated Circuits (IC). The development of transistors significantly improves the circuit performance. Numerous technology innovations have been adopted to maintain the continuous scaling down of transistors. With all these innovations and efforts, the transistor size is approaching the natural limitations of materials in the near future. The circuits are expected to compute in a more efficient way. From this perspective, new device concepts are desirable to exploit additional functionality. On the other hand, with the continuously increased device density on the chips, reducing the power consumption has become a key concern in IC design. To overcome the limitations of Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technology in computing efficiency and power reduction, this thesis introduces the multiple- independent-gate Field-Effect Transistors (FETs) with silicon nanowires and FinFET structures. The device not only has the capability of polarity control, but also provides dual-threshold- voltage and steep-subthreshold-slope operations for power reduction in circuit design. By independently modulating the Schottky junctions between metallic source/drain and semiconductor channel, the dual-threshold-voltage characteristics with controllable polarity are achieved in a single device. This property is demonstrated in both experiments and simulations. Thanks to the compact implementation of logic functions, circuit-level benchmarking shows promising performance with a configurable dual-threshold-voltage physical design, which is suitable for low-power applications. This thesis also experimentally demonstrates the steep-subthreshold-slope operation in the multiple-independent-gate FETs. Based on a positive feedback induced by weak impact ionization, the measured characteristics of the device achieve a steep subthreshold slope of 6 mV/dec over 5 decades of current. High Ion/Ioff ratio and low leakage current are also simultaneously obtained with a good reliability. Based on a physical analysis of the device operation, feasible improvements are suggested to further enhance the performance. A physics-based surface potential and drain current model is also derived for the polarity-controllable Silicon Nanowire FETs (SiNWFETs). By solving the carrier transport at Schottky junctions and in the channel, the core model captures the operation with independent gate control. It can serve as the core framework for developing a complete compact model by integrating advanced physical effects. To summarize, multiple-independent-gate SiNWFETs and FinFETs are extensively studied in terms of fabrication, modeling, and simulation. The proposed device concept expands the family of polarity-controllable FETs. In addition to the enhanced logic functionality, the polarity-controllable SiNWFETs and FinFETs with the dual-threshold-voltage and steep-subthreshold-slope operation can be promising candidates for future IC design towards low-power applications

Intelligent Circuits and Systems

ICICS-2020 is the third conference initiated by the School of Electronics and Electrical Engineering at Lovely Professional University that explored recent innovations of researchers working for the development of smart and green technologies in the fields of Energy, Electronics, Communications, Computers, and Control. ICICS provides innovators to identify new opportunities for the social and economic benefits of society.　 This conference bridges the gap between academics and R&D institutions, social visionaries, and experts from all strata of society to present their ongoing research activities and foster research relations between them. It provides opportunities for the exchange of new ideas, applications, and experiences in the field of smart technologies and finding global partners for future collaboration. The ICICS-2020 was conducted in two broad categories, Intelligent Circuits & Intelligent Systems and Emerging Technologies in Electrical Engineering

Characterization and mitigation of process variation in digital circuits and systems

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2009.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 155-166).Process variation threatens to negate a whole generation of scaling in advanced process technologies due to performance and power spreads of greater than 30-50%. Mitigating this impact requires a thorough understanding of the variation sources, magnitudes and spatial components at the device, circuit and architectural levels. This thesis explores the impacts of variation at each of these levels and evaluates techniques to alleviate them in the context of digital circuits and systems. At the device level, we propose isolation and measurement of variation in the intrinsic threshold voltage of a MOSFET using sub-threshold leakage currents. Analysis of the measured data, from a test-chip implemented on a 0. 18[mu]m CMOS process, indicates that variation in MOSFET threshold voltage is a truly random process dependent only on device dimensions. Further decomposition of the observed variation reveals no systematic within-die variation components nor any spatial correlation. A second test-chip capable of characterizing spatial variation in digital circuits is developed and implemented in a 90nm triple-well CMOS process. Measured variation results show that the within-die component of variation is small at high voltages but is an increasing fraction of the total variation as power-supply voltage decreases. Once again, the data shows no evidence of within-die spatial correlation and only weak systematic components. Evaluation of adaptive body-biasing and voltage scaling as variation mitigation techniques proves voltage scaling is more effective in performance modification with reduced impact to idle power compared to body-biasing.(cont.) Finally, the addition of power-supply voltages in a massively parallel multicore processor is explored to reduce the energy required to cope with process variation. An analytic optimization framework is developed and analyzed; using a custom simulation methodology, total energy of a hypothetical 1K-core processor based on the RAW core is reduced by 6-16% with the addition of only a single voltage. Analysis of yield versus required energy demonstrates that a combination of disabling poor-performing cores and additional power-supply voltages results in an optimal trade-off between performance and energy.by Nigel Anthony Drego.Ph.D

Integrated Circuits/Microchips

With the world marching inexorably towards the fourth industrial revolution (IR 4.0), one is now embracing lives with artificial intelligence (AI), the Internet of Things (IoTs), virtual reality (VR) and 5G technology. Wherever we are, whatever we are doing, there are electronic devices that we rely indispensably on. While some of these technologies, such as those fueled with smart, autonomous systems, are seemingly precocious; others have existed for quite a while. These devices range from simple home appliances, entertainment media to complex aeronautical instruments. Clearly, the daily lives of mankind today are interwoven seamlessly with electronics. Surprising as it may seem, the cornerstone that empowers these electronic devices is nothing more than a mere diminutive semiconductor cube block. More colloquially referred to as the Very-Large-Scale-Integration (VLSI) chip or an integrated circuit (IC) chip or simply a microchip, this semiconductor cube block, approximately the size of a grain of rice, is composed of millions to billions of transistors. The transistors are interconnected in such a way that allows electrical circuitries for certain applications to be realized. Some of these chips serve specific permanent applications and are known as Application Specific Integrated Circuits (ASICS); while, others are computing processors which could be programmed for diverse applications. The computer processor, together with its supporting hardware and user interfaces, is known as an embedded system.In this book, a variety of topics related to microchips are extensively illustrated. The topics encompass the physics of the microchip device, as well as its design methods and applications