Ultra-Low Power Mixed-Signal Design Platform Using Subthreshold Source-Coupled Circuits

This article discusses system-level techniques to optimize the power-performance trade-off in subthreshold circuits and presents a uniform platform for implementing ultra-low power power-scalable analog and digital integrated circuits. The proposed technique is based on using subthreshold source-coupled or current-mode approach for both analog and digital circuits. In addition to possibility of operating with ultra-low power dissipation, because of similar basis for constructing analog and digital parts, a common power management unit could be used for optimizing the power-performance of the entire mixed-signal system. Some circuit examples have been provided to show the performance of the proposed circuits in practice

Area- and Energy- Efficient Modular Circuit Architecture for 1,024-Channel Parallel Neural Recording Microsystem.

This research focuses to develop system architectures and associated electronic circuits for a next generation neuroscience research tool, a massive-parallel neural recording system capable of recording 1,024 channels simultaneously. Three interdependent prototypes have been developed to address major challenges in realization of the massive-parallel neural recording microsystems: minimization of energy and area consumption while preserving high quality in recordings. First, a modular 128-channel Δ-ΔΣ AFE using the spectrum shaping has been designed and fabricated to propose an area-and energy efficient solution for neural recording AFEs. The AFE achieved 4.84 fJ/C−s·mm2 figure of merit that is the smallest the area-energy product among the state-of-the-art multichannel neural recording systems. It also features power and area consumption of 3.05 µW and 0.05 mm2 per channel, respectively while exhibiting 63.3 dB signal-to-noise ratio with 3.02 µVrms input referred noise. Second, an on-chip mixed signal neural signal compressor was built to reduce the energy consumption in handling and transmission of the recorded data since this occupies a large portion of the total energy consumption as the number of parallel recording increases. The compressor reduces the data rates of two distinct groups of neural signals that are essential for neuroscience research: LFP and AP without loss of informative signals. As a result, the power consumptions for the data handling and transmissions of the LFP and AP were reduced to about 1/5.35 and 1/10.54 of the uncompressed cases, respectively. In the total data handling and transmission, the measured power consumption per channel is 11.98 µW that is about 1/9 of 107.5 µW without the compression. Third, a compact on-chip dc-to-dc converter with constant 1 MHz switching frequency has been developed to provide reliable power supplies and enhance energy delivery efficiency to the massive-parallel neural recording systems. The dc-to-dc converter has only predictable tones at the output and it exhibits > 80% power conversion efficiency at ultra-light loads, < 100 µW that is relevant power most of the multi-channel neural recording systems consume. The dc-to-dc converter occupies 0.375 mm2 of area which is less than 1/20 of the area the first prototype consumes (8.64 mm2).PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/133244/1/sungyun_1.pd

Power Management Circuits for Energy Harvesting Applications

Energy harvesting is the process of converting ambient available energy into usable electrical energy. Multiple types of sources are can be used to harness environmental energy: solar cells, kinetic transducers, thermal energy, and electromagnetic waves. This dissertation proposal focuses on the design of high efficiency, ultra-low power, power management units for DC energy harvesting sources. New architectures and design techniques are introduced to achieve high efficiency and performance while achieving maximum power extraction from the sources. The first part of the dissertation focuses on the application of inductive switching regulators and their use in energy harvesting applications. The second implements capacitive switching regulators to minimize the use of external components and present a minimal footprint solution for energy harvesting power management. Analysis and theoretical background for all switching regulators and linear regulators are described in detail. Both solutions demonstrate how low power, high efficiency design allows for a self-sustaining, operational device which can tackle the two main concerns for energy harvesting: maximum power extraction and voltage regulation. Furthermore, a practical demonstration with an Internet of Things type node is tested and positive results shown by a fully powered device from harvested energy. All systems were designed, implemented and tested to demonstrate proof-of-concept prototypes

CMOS indoor light energy harvesting system for wireless sensing applications

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresThis research thesis presents a micro-power light energy harvesting system for indoor environments. Light energy is collected by amorphous silicon photovoltaic (a-Si:H PV) cells, processed by a switched-capacitor (SC) voltage doubler circuit with maximum power point tracking (MPPT), and finally stored in a large capacitor. The MPPT Fractional Open Circuit Voltage (VOC) technique is implemented by an asynchronous state machine (ASM) that creates and, dynamically, adjusts the clock frequency of the step-up SC circuit, matching the input impedance of the SC circuit to the maximum power point (MPP) condition of the PV cells. The ASM has a separate local power supply to make it robust against load variations. In order to reduce the area occupied by the SC circuit, while maintaining an acceptable efficiency value, the SC circuit uses MOSFET capacitors with a charge reusing scheme for the bottom plate parasitic capacitors. The circuit occupies an area of 0.31 mm2 in a 130 nm CMOS technology. The system was designed in order to work under realistic indoor light intensities. Experimental results show that the proposed system, using PV cells with an area of 14 cm2, is capable of starting-up from a 0 V condition, with an irradiance of only 0.32 W/m2. After starting-up, the system requires an irradiance of only 0.18 W/m2 (18 mW/cm2) to remain in operation. The ASM circuit can operate correctly using a local power supply voltage of 453 mV, dissipating only 0.085 mW. These values are, to the best of the authors’ knowledge, the lowest reported in the literature. The maximum efficiency of the SC converter is 70.3% for an input power of 48 mW, which is comparable with reported values from circuits operating at similar power levels.Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT/MCTES), under project PEst-OE/EEI/UI0066/2011, and to the CTS multiannual funding, through the PIDDAC Program funds. I am also very grateful for the grant SFRH/PROTEC/67683/2010, financially supported by the IPL – Instituto Politécnico de Lisboa

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