Study and development of low power consumption SRAMs on 28 nm FD-SOI CMOS process

Since analog circuit designs in CMOS nanometer (< 90 nm) nodes can be substantially affected by manufacturing process variations, circuit performance becomes more challenging to achieve efficient solutions by using analytical models. Extensive simulations are thus commonly required to provide a high yield. On the other hand, due to the fact that the classical bulk MOS structure is reaching scaling limits (< 32 nm), alternative approaches are being developed as successors, such as fully depleted silicon-oninsulator (FD-SOI), Multigate MOSFET, FinFETs, among others, and new design techniques emerge by taking advantage of the improved features of these devices. This thesis focused on the development of analytical expressions for the major performance parameters of the SRAM cache implemented in 28 nm FD-SOI CMOS, mainly to explore the transistor dimensions at low computational cost, thereby producing efficient designs in terms of energy consumption, speed and yield. By taking advantage of both low computational cost and close agreement results of the developed models, in this thesis we were able to propose a non-traditional sizing procedure for the simple 6T-SRAM cell, that unlike the traditional thin-cell design, transistor lengths are used as a design variable in order to reduce the static leakage. The single-P-well (SPW) structure in combination with reverse-body-biasing (RBB) technique were used to achieve a better balance between P-type and N-type transistors. As a result, we developed a 128 kB SRAM cache, whose post-layout simulations show that the circuit consumes an average energy per operation of 0.604 pJ/word-access (64 I/O bits) at supply voltage of 0.45 V and operation frequency of 40 MHz. The total chip area of the 128 kB SRAM cache is 0.060 mm2 .O projeto de circuitos analogicos em processos nanométricos CMOS ( < 90 nm) per substancialmente afetado pelas variacões do processo de fabricacão, sendo cada vez mais desafiador para os projetistas alcançar soluções eficientes no desempenho dos circuitos mediante o uso de modelos analíticos. Simulacões extensas com alto custo com- putacional sao normalmente requeridas para providenciar um correto funcionamento do circuito. Por outro lado, devido ao fato que a estrutura bulk-CMOS esta alcançando seus limites de escala (< 32 nm), outros transistores foram desenvolvidos como sucessores, tais como o fully depleted silicon-on-insulator (FD-SOI), Multigate MOSFET, entre outros, surgindo novas tecnicas de projeto que utilizam as características aprimoradas destes dispositivos. Dessa forma, esta tese de doutorado se foca no desenvolvimento de modelos analíticos dos parametros mais importantes do cache SRAM implementado em processo CMOS FD-SOI de 28 nm, principalmente para explorar as dimensõoes dos transistores com baixo custo computacional, e assim produzir solucões eficientes em termos de consumo de energia, velocidade e rendimento. Aproveitando o baixo custo computacional e a alta concordância dos modelos analíticos, nesta tese fomos capazes de propor um dimensionamento nao tradicional para a célula de memória 6T-SRAM, em que diferentemente é do classico dimensionamento "thin-cell”, os comprimentos dos transistores são utilizados como variável de projeto com o fim de reduzir o consumo estático de corrente. A estrutura single-P-well (SPW), combinada com a técnica reverse-body-biasing (RBB) foram utilizadas para alcançar um melhor balanço entre as correntes específicas dos transistores do tipo P e N

Ultra Low-power Wireless Sensor Node Design for ECG Sensing Applications

Ubiquitous computing, such as smart homes, smart cars, and smart grid, connects our world closely so that we can easily access to the world through such virtual infrastructural systems. The ultimate vision of this is Internet of Things (IoT) through which intelligent monitoring and management is feasible via networked sensors and actuators. In this system, devices transmit sensed information, and execute instructions distributed via sensor networks. A wireless sensor network (WSN) is such a network where many sensor nodes are interconnected such that a sensor node can transmit information via its adjacent sensor nodes when physical phenomenon is detected. Accordingly, the information can be delivered to the destination through this process. The concept of WSN is also applicable to biomedical applications, especially ECG sensing applications, in a form of a sensor network, so-called body sensor network (BSN), where affixed or implanted biosignal sensors gather bio-signals and transmit them to medical providers. The main challenge of BSN is energy constraint since implanted sensor nodes cannot be replaced easily, so they should prolong with a limited amount of battery energy or by energy harvesting. Thus, we will discuss several power saving techniques in this thesis.PHDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/137081/1/hesed_1.pd

Simulation of charge-trapping in nano-scale MOSFETs in the presence of random-dopants-induced variability

The growing variability of electrical characteristics is a major issue associated with continuous downscaling of contemporary bulk MOSFETs. In addition, the operating conditions brought about by these same scaling trends have pushed MOSFET degradation mechanisms such as Bias Temperature Instability (BTI) to the forefront as a critical reliability threat. This thesis investigates the impact of this ageing phenomena, in conjunction with device variability, on key MOSFET electrical parameters. A three-dimensional drift-diffusion approximation is adopted as the simulation approach in this work, with random dopant fluctuations—the dominant source of statistical variability—included in the simulations. The testbed device is a realistic 35 nm physical gate length n-channel conventional bulk MOSFET. 1000 microscopically different implementations of the transistor are simulated and subjected to charge-trapping at the oxide interface. The statistical simulations reveal relatively rare but very large threshold voltage shifts, with magnitudes over 3 times than that predicted by the conventional theoretical approach. The physical origin of this effect is investigated in terms of the electrostatic influences of the random dopants and trapped charges on the channel electron concentration. Simulations with progressively increased trapped charge densities—emulating the characteristic condition of BTI degradation—result in further variability of the threshold voltage distribution. Weak correlations of the order of 10-2 are found between the pre-degradation threshold voltage and post-degradation threshold voltage shift distributions. The importance of accounting for random dopant fluctuations in the simulations is emphasised in order to obtain qualitative agreement between simulation results and published experimental measurements. Finally, the information gained from these device-level physical simulations is integrated into statistical compact models, making the information available to circuit designers

Solid State Circuits Technologies

The evolution of solid-state circuit technology has a long history within a relatively short period of time. This technology has lead to the modern information society that connects us and tools, a large market, and many types of products and applications. The solid-state circuit technology continuously evolves via breakthroughs and improvements every year. This book is devoted to review and present novel approaches for some of the main issues involved in this exciting and vigorous technology. The book is composed of 22 chapters, written by authors coming from 30 different institutions located in 12 different countries throughout the Americas, Asia and Europe. Thus, reflecting the wide international contribution to the book. The broad range of subjects presented in the book offers a general overview of the main issues in modern solid-state circuit technology. Furthermore, the book offers an in depth analysis on specific subjects for specialists. We believe the book is of great scientific and educational value for many readers. I am profoundly indebted to the support provided by all of those involved in the work. First and foremost I would like to acknowledge and thank the authors who worked hard and generously agreed to share their results and knowledge. Second I would like to express my gratitude to the Intech team that invited me to edit the book and give me their full support and a fruitful experience while working together to combine this book

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

Aeronautical engineering: A continuing bibliography with indexes (supplement 284)

This bibliography lists 974 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in Oct. 1992. The coverage includes documents on design, construction, evaluation, testing, operation, and performance of aircraft (including aircraft engines) and associated components, equipment, and systems. It also includes research and development in aerodynamics, aeronautics, and ground support equipment for aeronautical vehicles

Large space structures and systems in the space station era: A bibliography with indexes (supplement 05)

Bibliographies and abstracts are listed for 1363 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system between January 1, 1991 and July 31, 1992. Topics covered include technology development and mission design according to system, interactive analysis and design, structural and thermal analysis and design, structural concepts and control systems, electronics, advanced materials, assembly concepts, propulsion and solar power satellite systems

Astronautics and aeronautics, 1967 - Chronology on science, technology, and policy

Chronology of astronautics and aeronautics in 196

1995 BRAC Commission

Community Input - Hill AFB, UT; Kirtland AFB, NM - April 1995. (Box 94