Novel dual-threshold voltage FinFETs for circuit design and optimization

A great research effort has been invested on finding alternatives to CMOS that have better process variation and subthreshold leakage. From possible candidates, FinFET is the most compatible with respect to CMOS and it has shown promising leakage and speed performance. This thesis introduces basic characteristics of FinFETs and the effects of FinFET physical parameters on their performance are explained quantitatively. I show how dual- V th independent-gate FinFETs can be fabricated by optimizing their physical parameters. Optimum values for these physical parameters are derived using the physics-based University of Florida SPICE model for double-gate devices, and the optimized FinFETs are simulated and validated using Sentaurus TCAD simulations. Dual-14, FinFETs with independent gates enable series and parallel merge transformations in logic gates, realizing compact low power alternative gates with competitive performance and reduced input capacitance in comparison to conventional FinFET gates. Furthermore, they also enable the design of a new class of compact logic gates with higher expressive power and flexibility than CMOS gates. Synthesis results for 16 benchmark circuits from the ISCAS and OpenSPARC suites indicate that on average at 2GHz and 75°C, the library that contains the novel gates reduces total power and the number of fins by 36% and 37% respectively, over a conventional library that does not have novel gates in the 32nm technology

Dual-Vth Independent-Gate FinFETs for Low Power Logic Circuits

This paper describes the electrode work-function, oxide thickness, gate-source/drain underlap, and silicon thickness optimization required to realize dual-Vth independent-gate FinFETs. Optimum values for these FinFET design parameters are derived using the physics-based University of Florida SPICE model for double-gate devices, and the optimized FinFETs are simulated and validated using Sentaurus TCAD simulations. Dual-Vth FinFETs with independent gates enable series and parallel merge transformations in logic gates, realizing compact low power alternative gates with competitive performance and reduced input capacitance in comparison to conventional FinFET gates. Furthermore, they also enable the design of a new class of compact logic gates with higher expressive power and flexibility than conventional CMOS gates, e.g., implementing 12 unique Boolean functions using only four transistors. Circuit designs that balance and improve the performance of the novel gates are described. The gates are designed and calibrated using the University of Florida double-gate model into conventional and enhanced technology libraries. Synthesis results for 16 benchmark circuits from the ISCAS and OpenSPARC suites indicate that on average at 2GHz, the enhanced library reduces total power and the number of fins by 36% and 37%, respectively, over a conventional library designed using shorted-gate FinFETs in 32 nm technology

Cross-Layer Resiliency Modeling and Optimization: A Device to Circuit Approach

The never ending demand for higher performance and lower power consumption pushes the VLSI industry to further scale the technology down. However, further downscaling of technology at nano-scale leads to major challenges. Reduced reliability is one of them, arising from multiple sources e.g. runtime variations, process variation, and transient errors. The objective of this thesis is to tackle unreliability with a cross layer approach from device up to circuit level

Degradation Models and Optimizations for CMOS Circuits

Die Gewährleistung der Zuverlässigkeit von CMOS-Schaltungen ist derzeit eines der größten Herausforderungen beim Chip- und Schaltungsentwurf. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung erhöht jede neue Generation der Halbleitertechnologie die elektrischen Felder innerhalb der Transistoren. Dieses stärkere elektrische Feld stimuliert die Degradationsphänomene (Alterung der Transistoren, Selbsterhitzung, Rauschen, usw.), was zu einer immer stärkeren Degradation (Verschlechterung) der Transistoren führt. Daher erleiden die Transistoren in jeder neuen Technologiegeneration immer stärkere Verschlechterungen ihrer elektrischen Parameter. Um die Funktionalität und Zuverlässigkeit der Schaltung zu wahren, wird es daher unerlässlich, die Auswirkungen der geschwächten Transistoren auf die Schaltung präzise zu bestimmen. Die beiden wichtigsten Auswirkungen der Verschlechterungen sind ein verlangsamtes Schalten, sowie eine erhöhte Leistungsaufnahme der Schaltung. Bleiben diese Auswirkungen unberücksichtigt, kann die verlangsamte Schaltgeschwindigkeit zu Timing-Verletzungen führen (d.h. die Schaltung kann die Berechnung nicht rechtzeitig vor Beginn der nächsten Operation abschließen) und die Funktionalität der Schaltung beeinträchtigen (fehlerhafte Ausgabe, verfälschte Daten, usw.). Um diesen Verschlechterungen der Transistorparameter im Laufe der Zeit Rechnung zu tragen, werden Sicherheitstoleranzen eingeführt. So wird beispielsweise die Taktperiode der Schaltung künstlich verlängert, um ein langsameres Schaltverhalten zu tolerieren und somit Fehler zu vermeiden. Dies geht jedoch auf Kosten der Performanz, da eine längere Taktperiode eine niedrigere Taktfrequenz bedeutet. Die Ermittlung der richtigen Sicherheitstoleranz ist entscheidend. Wird die Sicherheitstoleranz zu klein bestimmt, führt dies in der Schaltung zu Fehlern, eine zu große Toleranz führt zu unnötigen Performanzseinbußen. Derzeit verlässt sich die Industrie bei der Zuverlässigkeitsbestimmung auf den schlimmstmöglichen Fall (maximal gealterter Schaltkreis, maximale Betriebstemperatur bei minimaler Spannung, ungünstigste Fertigung, etc.). Diese Annahme des schlimmsten Falls garantiert, dass der Chip (oder integrierte Schaltung) unter allen auftretenden Betriebsbedingungen funktionsfähig bleibt. Darüber hinaus ermöglicht die Betrachtung des schlimmsten Falles viele Vereinfachungen. Zum Beispiel muss die eigentliche Betriebstemperatur nicht bestimmt werden, sondern es kann einfach die schlimmstmögliche (sehr hohe) Betriebstemperatur angenommen werden. Leider lässt sich diese etablierte Praxis der Berücksichtigung des schlimmsten Falls (experimentell oder simulationsbasiert) nicht mehr aufrechterhalten. Diese Berücksichtigung bedingt solch harsche Betriebsbedingungen (maximale Temperatur, etc.) und Anforderungen (z.B. 25 Jahre Betrieb), dass die Transistoren unter den immer stärkeren elektrischen Felder enorme Verschlechterungen erleiden. Denn durch die Kombination an hoher Temperatur, Spannung und den steigenden elektrischen Feldern bei jeder Generation, nehmen die Degradationphänomene stetig zu. Das bedeutet, dass die unter dem schlimmsten Fall bestimmte Sicherheitstoleranz enorm pessimistisch ist und somit deutlich zu hoch ausfällt. Dieses Maß an Pessimismus führt zu erheblichen Performanzseinbußen, die unnötig und demnach vermeidbar sind. Während beispielsweise militärische Schaltungen 25 Jahre lang unter harschen Bedingungen arbeiten müssen, wird Unterhaltungselektronik bei niedrigeren Temperaturen betrieben und muss ihre Funktionalität nur für die Dauer der zweijährigen Garantie aufrechterhalten. Für letzteres können die Sicherheitstoleranzen also deutlich kleiner ausfallen, um die Performanz deutlich zu erhöhen, die zuvor im Namen der Zuverlässigkeit aufgegeben wurde. Diese Arbeit zielt darauf ab, maßgeschneiderte Sicherheitstoleranzen für die einzelnen Anwendungsszenarien einer Schaltung bereitzustellen. Für fordernde Umgebungen wie Weltraumanwendungen (wo eine Reparatur unmöglich ist) ist weiterhin der schlimmstmögliche Fall relevant. In den meisten Anwendungen, herrschen weniger harsche Betriebssbedingungen (z.B. sorgen Kühlsysteme für niedrigere Temperaturen). Hier können Sicherheitstoleranzen maßgeschneidert und anwendungsspezifisch bestimmt werden, sodass Verschlechterungen exakt toleriert werden können und somit die Zuverlässigkeit zu minimalen Kosten (Performanz, etc.) gewahrt wird. Leider sind die derzeitigen Standardentwurfswerkzeuge für diese anwendungsspezifische Bestimmung der Sicherheitstoleranz nicht gut gerüstet. Diese Arbeit zielt darauf ab, Standardentwurfswerkzeuge in die Lage zu versetzen, diesen Bedarf an Zuverlässigkeitsbestimmungen für beliebige Schaltungen unter beliebigen Betriebsbedingungen zu erfüllen. Zu diesem Zweck stellen wir unsere Forschungsbeiträge als vier Schritte auf dem Weg zu anwendungsspezifischen Sicherheitstoleranzen vor: Schritt 1 verbessert die Modellierung der Degradationsphänomene (Transistor-Alterung, -Selbsterhitzung, -Rauschen, etc.). Das Ziel von Schritt 1 ist es, ein umfassendes, einheitliches Modell für die Degradationsphänomene zu erstellen. Durch die Verwendung von materialwissenschaftlichen Defektmodellierungen werden die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse der Degradationsphänomena modelliert, um ihre Wechselwirkungen zu berücksichtigen (z.B. Phänomen A kann Phänomen B beschleunigen) und ein einheitliches Modell für die simultane Modellierung verschiedener Phänomene zu erzeugen. Weiterhin werden die jüngst entdeckten Phänomene ebenfalls modelliert und berücksichtigt. In Summe, erlaubt dies eine genaue Degradationsmodellierung von Transistoren unter gleichzeitiger Berücksichtigung aller essenziellen Phänomene. Schritt 2 beschleunigt diese Degradationsmodelle von mehreren Minuten pro Transistor (Modelle der Physiker zielen auf Genauigkeit statt Performanz) auf wenige Millisekunden pro Transistor. Die Forschungsbeiträge dieser Dissertation beschleunigen die Modelle um ein Vielfaches, indem sie zuerst die Berechnungen so weit wie möglich vereinfachen (z.B. sind nur die Spitzenwerte der Degradation erforderlich und nicht alle Werte über einem zeitlichen Verlauf) und anschließend die Parallelität heutiger Computerhardware nutzen. Beide Ansätze erhöhen die Auswertungsgeschwindigkeit, ohne die Genauigkeit der Berechnung zu beeinflussen. In Schritt 3 werden diese beschleunigte Degradationsmodelle in die Standardwerkzeuge integriert. Die Standardwerkzeuge berücksichtigen derzeit nur die bestmöglichen, typischen und schlechtestmöglichen Standardzellen (digital) oder Transistoren (analog). Diese drei Typen von Zellen/Transistoren werden von der Foundry (Halbleiterhersteller) aufwendig experimentell bestimmt. Da nur diese drei Typen bestimmt werden, nehmen die Werkzeuge keine Zuverlässigkeitsbestimmung für eine spezifische Anwendung (Temperatur, Spannung, Aktivität) vor. Simulationen mit Degradationsmodellen ermöglichen eine Bestimmung für spezifische Anwendungen, jedoch muss diese Fähigkeit erst integriert werden. Diese Integration ist eines der Beiträge dieser Dissertation. Schritt 4 beschleunigt die Standardwerkzeuge. Digitale Schaltungsentwürfe, die nicht auf Standardzellen basieren, sowie komplexe analoge Schaltungen können derzeit nicht mit analogen Schaltungssimulatoren ausgewertet werden. Ihre Performanz reicht für solch umfangreiche Simulationen nicht aus. Diese Dissertation stellt Techniken vor, um diese Werkzeuge zu beschleunigen und somit diese umfangreichen Schaltungen simulieren zu können. Diese Forschungsbeiträge, die sich jeweils über mehrere Veröffentlichungen erstrecken, ermöglichen es Standardwerkzeugen, die Sicherheitstoleranz für kundenspezifische Anwendungsszenarien zu bestimmen. Für eine gegebene Schaltungslebensdauer, Temperatur, Spannung und Aktivität (Schaltverhalten durch Software-Applikationen) können die Auswirkungen der Transistordegradation ausgewertet werden und somit die erforderliche (weder unter- noch überschätzte) Sicherheitstoleranz bestimmt werden. Diese anwendungsspezifische Sicherheitstoleranz, garantiert die Zuverlässigkeit und Funktionalität der Schaltung für genau diese Anwendung bei minimalen Performanzeinbußen

A hierarchical optimization engine for nanoelectronic systems using emerging device and interconnect technologies

A fast and efficient hierarchical optimization engine was developed to benchmark and optimize various emerging device and interconnect technologies and system-level innovations at the early design stage. As the semiconductor industry approaches sub-20nm technology nodes, both devices and interconnects are facing severe physical challenges. Many novel device and interconnect concepts and system integration techniques are proposed in the past decade to reinforce or even replace the conventional Si CMOS technology and Cu interconnects. To efficiently benchmark and optimize these emerging technologies, a validated system-level design methodology is developed based on the compact models from all hierarchies, starting from the bottom material-level, to the device- and interconnect-level, and to the top system-level models. Multiple design parameters across all hierarchies are co-optimized simultaneously to maximize the overall chip throughput instead of just the intrinsic delay or energy dissipation of the device or interconnect itself. This optimization is performed under various constraints such as the power dissipation, maximum temperature, die size area, power delivery noise, and yield. For the device benchmarking, novel graphen PN junction devices and InAs nanowire FETs are investigated for both high-performance and low-power applications. For the interconnect benchmarking, a novel local interconnect structure and hybrid Al-Cu interconnect architecture are proposed, and emerging multi-layer graphene interconnects are also investigated, and compared with the conventional Cu interconnects. For the system-level analyses, the benefits of the systems implemented with 3D integration and heterogeneous integration are analyzed. In addition, the impact of the power delivery noise and process variation for both devices and interconnects are quantified on the overall chip throughput.Ph.D

Phase Noise Analyses and Measurements in the Hybrid Memristor-CMOS Phase-Locked Loop Design and Devices Beyond Bulk CMOS

Phase-locked loop (PLLs) has been widely used in analog or mixed-signal integrated circuits. Since there is an increasing market for low noise and high speed devices, PLLs are being employed in communications. In this dissertation, we investigated phase noise, tuning range, jitter, and power performances in different architectures of PLL designs. More energy efficient devices such as memristor, graphene, transition metal di-chalcogenide (TMDC) materials and their respective transistors are introduced in the design phase-locked loop. Subsequently, we modeled phase noise of a CMOS phase-locked loop from the superposition of noises from its building blocks which comprises of a voltage-controlled oscillator, loop filter, frequency divider, phase-frequency detector, and the auxiliary input reference clock. Similarly, a linear time-invariant model that has additive noise sources in frequency domain is used to analyze the phase noise. The modeled phase noise results are further compared with the corresponding phase-locked loop designs in different n-well CMOS processes. With the scaling of CMOS technology and the increase of the electrical field, the problem of short channel effects (SCE) has become dominant, which causes decay in subthreshold slope (SS) and positive and negative shifts in the threshold voltages of nMOS and pMOS transistors, respectively. Various devices are proposed to continue extending Moore\u27s law and the roadmap in semiconductor industry. We employed tunnel field effect transistor owing to its better performance in terms of SS, leakage current, power consumption etc. Applying an appropriate bias voltage to the gate-source region of TFET causes the valence band to align with the conduction band and injecting the charge carriers. Similarly, under reverse bias, the two bands are misaligned and there is no injection of carriers. We implemented graphene TFET and MoS2 in PLL design and the results show improvements in phase noise, jitter, tuning range, and frequency of operation. In addition, the power consumption is greatly reduced due to the low supply voltage of tunnel field effect transistor

Multiple-valued logic: technology and circuit implementation

Title from PDF of title page, viewed March 1, 2023Dissertation advisors: Masud H. Chowdhury and Yugyung LeeVitaIncludes bibliographical references (pages 91-107)Dissertation (Ph.D.)--Department of Computer Science and Electrical Engineering. University of Missouri--Kansas City, 2021Computing technologies are currently based on the binary logic/number system, which is dependent on the simple on and off switching mechanism of the prevailing transistors. With the exponential increase of data processing and storage needs, there is a strong push to move to a higher radix logic/number system that can eradicate or lessen many limitations of the binary system. Anticipated saturation of Moore's law and the necessity to increase information density and processing speed in the future micro and nanoelectronic circuits and systems provide a strong background and motivation for the beyond-binary logic system. During this project, different technologies for Multiple-Valued-Logic (MVL) devices and the associated prospects and constraints are discussed. The feasibility of the MVL system in real-world applications rests on resolving two major challenges: (i) development of an efficient mathematical approach to implement the MVL logic using available technologies and (ii) availability of effective synthesis techniques. The main part of this project can be divided into two categories: (i) proposing different novel and efficient design for various logic and arithmetic circuits such as inverter, NAND, NOR, adder, multiplexer etc. (ii) proposing different fast and efficient design for various sequential and memory circuits. For the operation of the device, two of the very promising emerging technologies are used: Graphene Nanoribbon Field Effect Transistor (GNRFET) and Carbon Nano Tube Field Effect Transistor (CNTFET). A comparative analysis of the proposed designs and several state-of-the-art designs are also given in all the cases in terms of delay, total power, and power-delay-product (PDP). The simulation and analysis are performed using the H-SPICE tool with a GNRFET model available on the Nanohub website and CNTFET model available from Standford University website.Introduction -- Fundamentals and scope of multiple valued logic -- Technological aspect of multiple valued logic circuit -- Ternary logic gates using Graphene Nano Ribbon Field Effect Transistor (GNRFET) -- Ternary arithmetic circuits using Graphene Nano Ribbon Field Effect Transistor (GNRFET) -- Ternary sequential circuits using Graphene Nano Ribbon Field Effect Transistor (GNRFET) -- Ternary memory circuits using Carbon Nano Tube Field Effect Transistor (CNTFET) -- Conclusions & future wor

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”