60 research outputs found

    Benchmarking of standard-cell based memories in the sub-VT domain in 65-nm CMOS technology

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    In this paper, standard-cell based memories (SCMs) are proposed as an alternative to full-custom sub-VT SRAM macros for ultra-low-power systems requiring small memory blocks. The energy per memory access as well as the maximum achievable throughput in the sub-VT domain of various SCM architectures are evaluated by means of a gate-level sub-VT characterization model, building on data extracted from fully placed, routed, and back-annotated netlists. The reliable operation at the energy-minimum voltage of the various SCM architectures in a 65-nm CMOS technology considering within-die process parameter variations is demonstrated by means of Monte Carlo circuit simulation. Finally, the energy per memory access, the achievable throughput, and the area of the best SCM architecture are compared to recent sub-VT SRAM designs

    Low Power CMOS Design : Exploring Radiation Tolerance in a 90 nm Low Power Commercial Process

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    This thesis aims to examine radiation tolerance of low power digital CMOS circuits in a commercial 90 nm low power triple-well process from TSMC. By combining supply voltage scaling and Radiation-Hardened By Design (RHBD) design techniques, the goal is to achieve low supply voltage, radiation tolerant, circuit behavior. The target circuit architecture for comparison between different radiation hardening techniques is a Successive Approximation Register (SAR) architecture comprising both combinational and sequential logic. The purpose of the SAR architecture is to emulate a larger system, since larger systems are usually composed of combinational and sequential building blocks. The method used for achieving low power operation is primarily voltage scaling, with the ultimate goal of reaching subthreshold operation, while maintaining radiation tolerant circuit behavior. Radiation hardening is performed on circuit-level by applying RHBD circuit topologies, as well as architectural-level mitigation techniques. This thesis includes three papers within the field of robust low power CMOS design. Two of the papers cover low power level shifter designs in 90 nm and 65 nm process from STMicroelectronics. The third paper examines memory element design using minority-3 gates and inverters for robust low voltage operation. Prototyping has been conducted on low power CMOS building blocks including level shifter and memory design, for potential use in future radiation tolerant designs. Prototyping has been conducted on two chips from two different 90 nm processes from STMicroelectronics and TSMC. A test setup for radiation induced errors has been developed. Experimental radiation tests of the SAR architectures were conducted at SAFE, revealing no radiation induced errors

    The Integration of nearthreshold and subthreshold CMOS logic for energy minimization

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    With the rapid growth in the use of portable electronic devices, more emphasis has recently been placed on low-energy circuit design. Digital subthreshold complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) circuit design is one area of study that offers significant energy reduction by operating at a supply voltage substantially lower than the threshold voltage of the transistor. However, these energy savings come at a critical cost to performance, restricting its use to severely energy-constrained applications such as microsensor nodes. In an effort to mitigate this performance degradation in low-energy designs, nearthreshold circuit design has been proposed and implemented in digital circuits such as Intel\u27s energy-efficient hardware accelerator. The application spectrum of nearthreshold and subthreshold design could be broadened by integrating these cells into high-performance designs. This research focuses on the integration of characterized nearthreshold and subthreshold standard cells into high-performance functional modules. Within these functional modules, energy minimization is achieved while satisfying performance constraints by replacing non-critical path logic with nearthreshold and subthreshold logic cells. Specifically, the critical path method is used to bind the timing and energy constraints of the design. The design methodology was verified and tested with several benchmark circuits, including a cryptographic hash function, Skein. An average energy savings of 41.15% was observed at a circuit performance degradation factor of 10. The energy overhead of the level shifters accounted for at least 8.5% of the energy consumption of the optimized circuit, with an average energy overhead of 26.76%. A heuristic approach is developed for estimating the energy savings of the optimized design

    Design and Characterization of Standard Cell Library using FinFETs

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    The processors and digital circuits designed today contain billions of transistors on a small piece of silicon. As devices are becoming smaller, slimmer, faster, and more efficient, the transistors also have to keep up with the demands and needs of the daily user. Unfortunately, the CMOS technology has reached its limit and cannot be used to scale down due to the transistor\u27s breakdown caused by short channel effects. An alternative solution to this is the FinFET transistor technology, where the gate of the transistor is a three dimensional fin that surrounds the transistor and prevents the breakdown caused by scaling and short channel effects. FinFET devices are reported to have excellent control over short channel effects, high On/Off Ratio, extremely low gate leakage current and relative immunization over gate edge line roughness. Sub 20 nm node size is perceived to be the limit of scaling the CMOS transistors, but FinFETs can be scaled down further because of its unique design. Due to these advantages, the VLSI industry has now shifted to FinFET in implementation of their designs. However, these transistors have not been completely opened to academia. Analyzing and observing the effects of these devices can be pivotal in gaining an in-depth understanding of them. This thesis explores the implementation of FinFETs using a standard cell library designed using these transistors. The FinFET package file used to design these cells is a 15nm FinFET technology file developed by NCSU in collaboration with Cadence and Mentor Graphics. Post design, the cells were characterized, the results were analyzed and compared with cells designed using CMOS transistors at different node sizes to understand and extrapolate conclusions on FinFET devices

    Design and Optimization for Resilient Energy Efficient Computing

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    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 verknĂŒpft 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 GrĂ¶ĂŸenordnung ermöglicht werden. Neben der verbesserten Energiebilanz ergeben sich jedoch zahlreiche Herausforderungen was den Schaltungsentwurf angeht. Zum Beispiel fĂŒhrt das Reduzieren der Versorgungsspannung in den nahen Schwellenspannungsbereich zu einer verzehnfachten Erhöhung der SensibilitĂ€t der Schaltkreise gegenĂŒber Prozessvariation, Spannungsfluktuationen und TemperaturverĂ€nderungen. Die EinflĂŒsse dieser Variationen reduzieren die ZuverlĂ€ssigkeit von NTC Schaltkreisen und sind ihr grĂ¶ĂŸtes Hindernis bezĂŒglich einer umfassenden Nutzung. Traditionelle AnsĂ€tze und Methoden aus dem nominalen Spannungsbereich zur Kompensation von VariabilitĂ€t können nicht effizient angewandt werden, da die starken Performance-Variationen und SensitivitĂ€ten im nahen Schwellenspannungsbereich dessen KapazitĂ€ten ĂŒbersteigen. Aus diesem Grund sind neue Entwurfsparadigmen und Entwurfsautomatisierungskonzepte fĂŒr die Anwendung von NTC erforderlich. Das Ziel dieser Arbeit ist die zuvor erwĂ€hnten 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 ZuverlĂ€ssigkeit von NTC Systemen miteinbezogen und Optimierungsmethoden werden vorgeschlagen welche die ZuverlĂ€ssigkeit, Performance und Energieeffizienz verbessern. Die BeitrĂ€ge dieser Arbeit sind wie folgt: Schaltungssynthese und Timing Closure unter Einbezug von Variationen: Das Einhalten von Anforderungen an das zeitliche Verhalten und ZuverlĂ€ssigkeit von NTC ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Die Auswirkungen von VariabilitĂ€t kommen bei starken Performance-Schwankungen, welche zu teuren zeitlichen Sicherheitsmargen fĂŒhren, oder sich in Hold-Time VerstĂ¶ĂŸen ausdrĂŒcken, verursacht durch funktionale Störungen, zum Vorschein. Die konventionellen AnsĂ€tze beschrĂ€nken sich dabei alleine auf die Erhöhung von zeitlichen Sicherheitsmargen. Dies ist jedoch sehr ineffizient fĂŒr 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 SensitivitĂ€t gegenĂŒber Variationen reduziert als auch die Energieeffizienz, Performance und ZuverlĂ€ssigkeit 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 FlĂ€chenbedarfs von 4.8%. SchichtĂŒbergreifende ZuverlĂ€ssigkeits-, Energieeffizienz- und Performance-Optimierung von Datenpfaden: SchichtĂŒbergreifende Analyse von Prozessor-Datenpfaden, welche den ganzen Weg spannen vom Kompilierer zum Schaltungsentwurf, kann potenzielle OptimierungsansĂ€tze aufzeigen. Ein Datenpfad ist eine Kombination von mehreren funktionalen Einheiten, welche diverse Instruktionen verarbeiten können. Unsere Analyse zeigt, dass die AusfĂŒhrungszeiten von Instruktionen bei niedrigen Versorgungsspannungen stark variieren, weshalb eine Klassifikation in schnelle und langsame Instruktionen vorgenommen werden kann. Des Weiteren können funktionale Instruktionen als hĂ€ufig 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]. ZusĂ€tzlich 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 betrĂ€chtlich, 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 ZuverlĂ€ssigkeit 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 zeitabhĂ€ngige 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 fĂŒr jeden Chip einzigartig und basiert lediglich auf Post-Fabrication-Messungen. Simulationsergebnisse zeigen das der entwickelte Ansatz eine sehr hohe prognostische Treffsicherheit und Energieeffizienz hat, Ă€hnlich zu hardware-implementierten Methoden, jedoch ohne hardware-seitigen Mehraufwand [7, 8]. Selektierte Flip-Flop Optimierung: Ultra-Low-Voltage Schaltungen mĂŒssen im nominalen Versorgungsspannungs-Mode arbeiten um zeitliche Anforderungen von laufenden Anwendungen zu erfĂŒllen. 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 fĂ€lschlicherweise konstante Werte ( \u270\u27 oder \u271\u27) fĂŒr 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 ĂŒbernehmen. Außerdem kann auch ein geringfĂŒgiger Spannungsabfall zu diesen zeitlichen VerstĂ¶ĂŸen fĂŒhren, falls die betreffenden gealterten Flip-Flops zum kritischen Pfad zuzuordnen sind. In dieser Arbeit wird eine selektiver Flip-Flop-Optimierungsmethode vorgestellt, welche die Schaltungen bezĂŒglich 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 ZuverlĂ€ssigkeit der Schaltung zu verbessern [9, 10]. Simulationsergebnisse zeigen, dass die erwartete Lebenszeit eines Prozessors um 37% verbessert werden kann, wĂ€hrend Leckströme um nur 0.1% erhöht werden. WĂ€hrend NTC das Potenzial hat große Energieeffizienz zu ermöglichen, ist der Einsatz in neue Anwendungsfeldern wie IoT wegen den zuvor erwĂ€hnten Problemen bezĂŒglich der hohen SensitivitĂ€t gegenĂŒber Variationen und deshalb mangelnder ZuverlĂ€ssigkeit, 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

    Circuits and Systems Advances in Near Threshold Computing

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    Modern society is witnessing a sea change in ubiquitous computing, in which people have embraced computing systems as an indispensable part of day-to-day existence. Computation, storage, and communication abilities of smartphones, for example, have undergone monumental changes over the past decade. However, global emphasis on creating and sustaining green environments is leading to a rapid and ongoing proliferation of edge computing systems and applications. As a broad spectrum of healthcare, home, and transport applications shift to the edge of the network, near-threshold computing (NTC) is emerging as one of the promising low-power computing platforms. An NTC device sets its supply voltage close to its threshold voltage, dramatically reducing the energy consumption. Despite showing substantial promise in terms of energy efficiency, NTC is yet to see widescale commercial adoption. This is because circuits and systems operating with NTC suffer from several problems, including increased sensitivity to process variation, reliability problems, performance degradation, and security vulnerabilities, to name a few. To realize its potential, we need designs, techniques, and solutions to overcome these challenges associated with NTC circuits and systems. The readers of this book will be able to familiarize themselves with recent advances in electronics systems, focusing on near-threshold computing
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