Fast and Robust Design of CMOS VCO for Optimal Performance

The exponentially growing design complexity with technological advancement calls for a large scope in the analog and mixed signal integrated circuit design automation. In the automation process, performance optimization under different environmental constraints is of prime importance. The analog integrated circuits design strongly requires addressing multiple competing performance objectives for optimization with ability to find global solutions in a constrained environment. The integrated circuit (IC) performances are significantly affected by the device, interconnect and package parasitics. Inclusion of circuit parasitics in the design phase along with performance optimization has become a bare necessity for faster prototyping. Besides this, the fabrication process variations have a predominant effect on the circuit performance, which is directly linked to the acceptability of manufactured integrated circuit chips. This necessitates a manufacturing process tolerant design. The development of analog IC design methods exploiting the computational intelligence of evolutionary techniques for optimization, integrating the circuit parasitic in the design optimization process in a more meaningful way and developing process fluctuation tolerant optimal design is the central theme of this thesis. Evolutionary computing multi-objective optimization techniques such as Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II and Infeasibility Driven Evolutionary Algorithm are used in this thesis for the development of parasitic aware design techniques for analog ICs. The realistic physical and process constraints are integrated in the proposed design technique. A fast design methodology based on one of the efficient optimization technique is developed and an extensive worst case process variation analysis is performed. This work also presents a novel process corner variation aware analog IC design methodology, which would effectively increase the yield of chips in the acceptable performance window. The performance of all the presented techniques is demonstrated through the application to CMOS ring oscillators, current starved and xi differential voltage controlled oscillators, designed in Cadence Virtuoso Analog Design Environment

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

Technology Independent Synthesis of CMOS Operational Amplifiers

Analog circuit design does not enjoy as much automation as its digital counterpart. Analog sizing is inherently knowledge intensive and requires accurate modeling of the different parametric effects of the devices. Besides, the set of constraints in a typical analog design problem is large, involving complex tradeoffs. For these reasons, the task of modeling an analog design problem in a form viable for automation is much more tedious than the digital design. Consequently, analog blocks are still handcrafted intuitively and often become a bottleneck in the integrated circuit design, thereby increasing the time to market. In this work, we address the problem of automatically solving an analog circuit design problem. Specifically, we propose methods to automate the transistor-level sizing of OpAmps. Given the specifications and the netlist of the OpAmp, our methodology produces a design that has the accuracy of the BSIM models used for simulation and the advantage of a quick design time. The approach is based on generating an initial first-order design and then refining it. In principle, the refining approach is a simulated-annealing scheme that uses (i) localized simulations and (ii) convex optimization scheme (COS). The optimal set of input variables for localized simulations has been selected by using techniques from Design of Experiments (DOE). To formulate the design problem as a COS problem, we have used monomial circuit models that are fitted from simulation data. These models accurately predict the performance of the circuit in the proximity of the initial guess. The models can also be used to gain valuable insight into the behavior of the circuit and understand the interrelations between the different performance constraints. A software framework that implements this methodology has been coded in SKILL language of Cadence. The methodology can be applied to design different OpAmp topologies across different technologies. In other words, the framework is both technology independent and topology independent. In addition, we develop a scheme to empirically model the small signal parameters like \u27gm\u27 and \u27gds\u27 of CMOS transistors. The monomial device models are reusable for a given technology and can be used to formulate the OpAmp design problem as a COS problem. The efficacy of the framework has been demonstrated by automatically designing different OpAmp topologies across different technologies. We designed a two-stage OpAmp and a telescopic OpAmp in TSMC025 and AMI016 technologies. Our results show significant (10–15%) improvement in the performance of both the OpAmps in both the technologies. While the methodology has shown encouraging results in the sub-micrometer regime, the effectiveness of the tool has to be investigated in the deep-sub-micron technologies

Fault-tolerant design of RF front-end circuits

The continuing trends of scaling in the CMOS industry have, inevitably, been accompanied by an ever-increasing array of process faults and fabrication complexities. The relentless march towards miniaturization and massive integration, in addition to increasing operating frequencies has resulted in increasing concerns about the reliability of integrated RF front-ends. Coupled with rising cost per chip, the fault-tolerant paradigm has become pertinent in the RFIC domain. Two main reasons have contributed to the fact that fault-tolerant solutions for circuits that operate in the GHz domain have not been realized so far. First, GHz signals are extremely sensitive to higher-order effects such as stray pick-ups, interference, package & on-chip parasitics, etc. Secondly, the use of passives, especially inductors, in the feedback path poses huge area overheads, in addition to a slew of instability problems due to wide variations and soft faults. Hence traditional fault-tolerance methods used in digital and low frequency analog circuits cannot be applied in the RF domain. This work presents a unique methodology to achieve fault-tolerance in RF circuits through dynamic sensing and on-chip self-correction, along with the development of robust algorithms. This technique is minimally intrusive and is transparent during \u27normal\u27 use of the circuit. It is characterized by low area and power overheads, does not need any off-chip computing or DSP cores, and is characterized by self-correction times in the range of a few hundreds of microseconds. It compares very well with existing commercial RF test solutions that use DSP cores and require hundreds of milliseconds. The methodology is demonstrated on a LNA, since it is critical for the performance of the entire front-end. It is validated with simulation and fabrication results of the system designed in IBM 0.25 µm CMOS 6RF process

Evolution of Transistor Circuits

Der Entwurf von analogen Schaltungen ist ein Bereich der Elektronikentwicklung, der dem Entwickler ein hohes Maß an Wissen und Kreativität beim Lösen von Problemen abverlangt. Bis heute gibt es nur rudimentäre analytische Lösungen um die Bauteile von Schaltungen zu dimensionieren. Motiviert durch diese Herausforderungen, konzentriert sich diese Arbeit auf die automatische Synthese analoger Schaltungen mit Hilfe von Evolutionären Algorithmen. Als analoges Substrat wird ein FPTA benutzt, das ein Feld von konfigurierbaren Transistoren zur Verfügung stellt. Der Einsatz von echter Hardware bietet zwei Vorteile: erstens können entstehende Schaltungen schneller getestet werden als mit einem Simulator und zweitens funktionieren die gefundenen Schaltungen garantiert auf einem echten Chip. Softwareseitig eignen sich Evolutionäre Algorithmen besonders gut für die Synthese analoger Schaltungen, da sie keinerlei Vorwissen über das Optimierungsproblem benötigen. In dieser Arbeit werden neue genetische Operatoren entwickelt, die das Verständnis von auf dem FPTA evolutionierten Schaltungen erleichtern und außerdem Lösungen finden sollen, die auch außerhalb des Substrates funktionieren. Dies ist mit der Hoffnung verbunden, möglicherweise neue und ungewöhnliche Schaltungsprinzipien zu entdecken. Weiterhin wird ein mehrzieliger Optimierungsalgorithmus implementiert und verfeinert, um die Vielzahl von Variablen berücksichtigen zu können, die für die gleichzeitige Optimierung von Topologie und Bauteiledimensionierung notwendig sind. Die vorgeschlagenen genetischen Operatoren, sowie die mehrzielige Optimierung werden für die Evolution von logischen Gattern, Komparatoren, Oszillatoren und Operationsverstärkern eingesetzt. Der Ressourcenverbrauch der durch Evolution gefundenen Schaltungen wird damit vermindert und es ist möglich in einigen Fällen einen übersichtlichen Schaltplan zu erstellen. Ein modulares System für die Evolution von Schaltungen auf konfigurierbaren Substraten wurde entwickelt. Es wird gezeigt, dass mit diesem System FPTA-Architekturen modelliert und direkt für Evolutionsexperimente verwendet werden können

Analysis and design of power delivery networks exploiting simulation tools and numerical optimization techniques

A higher performance of computing systems is being demanded year after year, driving the digital industry to fiercely compete for offering the fastest computer system at the lowest cost. In addition, as computing system performance is growing, power delivery networks (PDN) and power integrity (PI) designs are getting increasingly more relevance due to the faster speeds and more parallelism required to obtain the required performance growth. The largest data throughput at the lowest power consumption is a common goal for most of the commercial computing systems. As a consequence of this performance growth and power delivery tradeoffs, the complexity involved in analyzing and designing PDN in digital systems is being increased. This complexity drives longer design cycle times when using traditional design tools. For this reason, the need of using more efficient design methods is getting more relevance in order to keep designing and launching products in a faster manner to the market. This trend pushes PDN designers to look for methodologies to simplify analysis and reduce design cycle times. The main objective for this Master’s thesis is to propose alternative methods by exploiting reliable simulation approaches and efficient numerical optimization techniques to analyze and design PDN to ensure power integrity. This thesis explores the use of circuital models and electromagnetic (EM) field solvers in combination with numerical optimization methods, including parameter extraction (PE) formulations. It also establishes a sound basis for using space mapping (SM) methodologies in future developments, in a way that we exploit the advantages of the most accurate and powerful models, such as 3D full-wave EM simulators, but conserving the simplicity and low computational resourcing of the analytical, circuital, and empirical models