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

Algorithms and VLSI architectures for parametric additive synthesis

A parametric additive synthesis approach to sound synthesis is advantageous as it can model sounds in a large scale manner, unlike the classical sinusoidal additive based synthesis paradigms. It is known that a large body of naturally occurring sounds are resonant in character and thus fit the concept well. This thesis is concerned with the computational optimisation of a super class of form ant synthesis which extends the sinusoidal parameters with a spread parameter known as band width. Here a modified formant algorithm is introduced which can be traced back to work done at IRCAM, Paris. When impulse driven, a filter based approach to modelling a formant limits the computational work-load. It is assumed that the filter's coefficients are fixed at initialisation, thus avoiding interpolation which can cause the filter to become chaotic. A filter which is more complex than a second order section is required. Temporal resolution of an impulse generator is achieved by using a two stage polyphase decimator which drives many filterbanks. Each filterbank describes one formant and is composed of sub-elements which allow variation of the formant’s parameters. A resource manager is discussed to overcome the possibility of all sub- banks operating in unison. All filterbanks for one voice are connected in series to the impulse generator and their outputs are summed and scaled accordingly. An explorative study of number systems for DSP algorithms and their architectures is investigated. I invented a new theoretical mechanism for multi-level logic based DSP. Its aims are to reduce the number of transistors and to increase their functionality. A review of synthesis algorithms and VLSI architectures are discussed in a case study between a filter based bit-serial and a CORDIC based sinusoidal generator. They are both of similar size, but the latter is always guaranteed to be stable

The IPS fidelity scale as a guideline to implement Supported Employment

info:eu-repo/semantics/publishe

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

Energy-Efficient Digital Circuit Design using Threshold Logic Gates

abstract: Improving energy efficiency has always been the prime objective of the custom and automated digital circuit design techniques. As a result, a multitude of methods to reduce power without sacrificing performance have been proposed. However, as the field of design automation has matured over the last few decades, there have been no new automated design techniques, that can provide considerable improvements in circuit power, leakage and area. Although emerging nano-devices are expected to replace the existing MOSFET devices, they are far from being as mature as semiconductor devices and their full potential and promises are many years away from being practical. The research described in this dissertation consists of four main parts. First is a new circuit architecture of a differential threshold logic flipflop called PNAND. The PNAND gate is an edge-triggered multi-input sequential cell whose next state function is a threshold function of its inputs. Second a new approach, called hybridization, that replaces flipflops and parts of their logic cones with PNAND cells is described. The resulting \hybrid circuit, which consists of conventional logic cells and PNANDs, is shown to have significantly less power consumption, smaller area, less standby power and less power variation. Third, a new architecture of a field programmable array, called field programmable threshold logic array (FPTLA), in which the standard lookup table (LUT) is replaced by a PNAND is described. The FPTLA is shown to have as much as 50% lower energy-delay product compared to conventional FPGA using well known FPGA modeling tool called VPR. Fourth, a novel clock skewing technique that makes use of the completion detection feature of the differential mode flipflops is described. This clock skewing method improves the area and power of the ASIC circuits by increasing slack on timing paths. An additional advantage of this method is the elimination of hold time violation on given short paths. Several circuit design methodologies such as retiming and asynchronous circuit design can use the proposed threshold logic gate effectively. Therefore, the use of threshold logic flipflops in conventional design methodologies opens new avenues of research towards more energy-efficient circuits.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Computer Science 201

A Structured Design Methodology for High Performance VLSI Arrays

abstract: The geometric growth in the integrated circuit technology due to transistor scaling also with system-on-chip design strategy, the complexity of the integrated circuit has increased manifold. Short time to market with high reliability and performance is one of the most competitive challenges. Both custom and ASIC design methodologies have evolved over the time to cope with this but the high manual labor in custom and statistic design in ASIC are still causes of concern. This work proposes a new circuit design strategy that focuses mostly on arrayed structures like TLB, RF, Cache, IPCAM etc. that reduces the manual effort to a great extent and also makes the design regular, repetitive still achieving high performance. The method proposes making the complete design custom schematic but using the standard cells. This requires adding some custom cells to the already exhaustive library to optimize the design for performance. Once schematic is finalized, the designer places these standard cells in a spreadsheet, placing closely the cells in the critical paths. A Perl script then generates Cadence Encounter compatible placement file. The design is then routed in Encounter. Since designer is the best judge of the circuit architecture, placement by the designer will allow achieve most optimal design. Several designs like IPCAM, issue logic, TLB, RF and Cache designs were carried out and the performance were compared against the fully custom and ASIC flow. The TLB, RF and Cache were the part of the HEMES microprocessor.Dissertation/ThesisPh.D. Electrical Engineering 201

ポータビリティを意識したCMOSミックスドシグナルVLSI回路設計手法に関する研究

本研究は、半導体上に集積されたアナログ・ディジタル・メモリ回路から構成されるミクストシグナルシステムを別の製造プロセスへ移行することをポーティングとして定義し、効率的なポーティングを行うための設計方式と自動回路合成アルゴリズムを提案し、いくつかの典型的な回路に対する設計事例を示し、提案手法の妥当性を立証している。北九州市立大

Analysis and correction of the helium speech effect by autoregressive signal processing

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