22 research outputs found

    dRail: a novel physical layout methodology for power gated circuits

    No full text
    In this paper we present a physical layout methodology, called dRail, to allow power gated and non-power gated cells to be placed next to each other. This is unlike traditional voltage area layout which separates cells to prevent shorting of power supplies leading to impact on area, routing and power. To implement dRail, a modified standard cell architecture and physical layout is proposed. The methodology is validated by implementing power gating on the data engine in an ARM Cortex-A5 processor using a 65nm library, and shows up to 38% reduction in area cost when compared to traditional voltage area layou

    NBTI and leakage aware sleep transistor design for reliable and energy efficient power gating

    No full text
    In this paper we show that power gating techniques become more effective during their lifetime, since the aging of sleep transistors (STs) due to negative bias temperature instability (NBTI) drastically reduces leakage power. Based on this property, we propose an NBTI and leakage aware ST design method for reliable and energy efficient power gating. Through SPICE simulations, we show lifetime extension up to 19.9x and average leakage power reduction up to 14.4% compared to standard STs design approach without additional area overhead.Finally, when a maximum 10-year lifetime target is considered, we show that the proposed method allows multiple beneficial options compared to a standard STs design method: either to improve circuit operating frequency up to 9.53% or to reduce ST area overhead up to 18.4

    NBTI and leakage aware sleep transistor design for reliable and energy efficient power gating

    Get PDF
    In this paper we show that power gating techniques become more effective during their lifetime, since the aging of sleep transistors (STs) due to negative bias temperature instability (NBTI) drastically reduces leakage power. Based on this property, we propose an NBTI and leakage aware ST design method for reliable and energy efficient power gating. Through SPICE simulations, we show lifetime extension up to 19.9x and average leakage power reduction up to 14.4% compared to standard STs design approach without additional area overhead. Finally, when a maximum 10-year lifetime target is considered, we show that the proposed method allows multiple beneficial options compared to a standard STs design method: either to improve circuit operating frequency up to 9.53% or to reduce ST area overhead up to 18.4%

    Designs and Implementations of Low-Leakage Digital Standard Cells Based on Gate- Length Biasing

    Get PDF
    Abstract: In this study, a minimum set of low-power digital standard cells for low-leakage applications are developed and introduced into SMIC (Semiconductor Manufacturing International Corporation) 130 nm CMOS libraries, which include basic logic gates such as inverter, NAND, NOR, XOR, XNOR and flip-flop. The inverter, NAND, NOR and flip-flop standard cells based on the gate-length biasing technique are proposed to achieve low Energy Delay Product (EDP). The XOR and XNOR standard cells are optimized based on transistor-level. All circuits are simulated with HSPICE at a SMIC 130nm CMOS technology by a 1.2V supply voltage. The proposed several standard cells attain large leakage reductions. A mode-10 counter is verified with the proposed standard cells by using commercial EDA tools. The leakage and total dynamic power dissipations of the mode-10 counter using the proposed standard cells provide a reduction of 21.27 and 3.06%, respectively. The results indicate the proposed standard cells are a good choose in low leakage applications

    Reliable Power Gating with NBTI Aging Benefits

    Get PDF
    In this paper, we show that Negative Bias Temperature Instability (NBTI) aging of sleep transistors (STs), together with its detrimental effect for circuit performance and lifetime, presents considerable benefits for power gated circuits. Indeed, it reduces static power due to leakage current, and increases ST switch efficiency, making power gating more efficient and effective over time. The magnitude of these aging benefits depends on operating and environmental conditions. By means of HSPICE simulations, considering a 32nm CMOS technology, we demonstrate that static power may reduce by more than 80% in 10 years of operation. Static power decrease over time due to NBTI aging is also proven experimentally, using a test-chip manufactured with a TSMC 65nm technology. We propose an ST design strategy for reliable power gating, in order to harvest the benefits offered by NBTI aging. It relies on the design of STs with a proper lower Vth compared to the standard power switching fabric. This can be achieved by either re-designing the STs with the identified Vth value, or applying a proper forward body bias to the available power switching fabrics. Through HSPICE simulations, we show lifetime extension up to 21.4X and average static power reduction up to 16.3% compared to standard ST design approach, without additional area overhead. Finally, we show lifetime extension and several performance-cost trade-offs when a target maximum lifetime is considered

    Dependability-driven Strategies to Improve the Design and Verification of Safety-Critical HDL-based Embedded Systems

    Full text link
    [ES] La utilización de sistemas empotrados en cada vez más ámbitos de aplicación está llevando a que su diseño deba enfrentarse a mayores requisitos de rendimiento, consumo de energía y área (PPA). Asimismo, su utilización en aplicaciones críticas provoca que deban cumplir con estrictos requisitos de confiabilidad para garantizar su correcto funcionamiento durante períodos prolongados de tiempo. En particular, el uso de dispositivos lógicos programables de tipo FPGA es un gran desafío desde la perspectiva de la confiabilidad, ya que estos dispositivos son muy sensibles a la radiación. Por todo ello, la confiabilidad debe considerarse como uno de los criterios principales para la toma de decisiones a lo largo del todo flujo de diseño, que debe complementarse con diversos procesos que permitan alcanzar estrictos requisitos de confiabilidad. Primero, la evaluación de la robustez del diseño permite identificar sus puntos débiles, guiando así la definición de mecanismos de tolerancia a fallos. Segundo, la eficacia de los mecanismos definidos debe validarse experimentalmente. Tercero, la evaluación comparativa de la confiabilidad permite a los diseñadores seleccionar los componentes prediseñados (IP), las tecnologías de implementación y las herramientas de diseño (EDA) más adecuadas desde la perspectiva de la confiabilidad. Por último, la exploración del espacio de diseño (DSE) permite configurar de manera óptima los componentes y las herramientas seleccionados, mejorando así la confiabilidad y las métricas PPA de la implementación resultante. Todos los procesos anteriormente mencionados se basan en técnicas de inyección de fallos para evaluar la robustez del sistema diseñado. A pesar de que existe una amplia variedad de técnicas de inyección de fallos, varias problemas aún deben abordarse para cubrir las necesidades planteadas en el flujo de diseño. Aquellas soluciones basadas en simulación (SBFI) deben adaptarse a los modelos de nivel de implementación, teniendo en cuenta la arquitectura de los diversos componentes de la tecnología utilizada. Las técnicas de inyección de fallos basadas en FPGAs (FFI) deben abordar problemas relacionados con la granularidad del análisis para poder localizar los puntos débiles del diseño. Otro desafío es la reducción del coste temporal de los experimentos de inyección de fallos. Debido a la alta complejidad de los diseños actuales, el tiempo experimental dedicado a la evaluación de la confiabilidad puede ser excesivo incluso en aquellos escenarios más simples, mientras que puede ser inviable en aquellos procesos relacionados con la evaluación de múltiples configuraciones alternativas del diseño. Por último, estos procesos orientados a la confiabilidad carecen de un soporte instrumental que permita cubrir el flujo de diseño con toda su variedad de lenguajes de descripción de hardware, tecnologías de implementación y herramientas de diseño. Esta tesis aborda los retos anteriormente mencionados con el fin de integrar, de manera eficaz, estos procesos orientados a la confiabilidad en el flujo de diseño. Primeramente, se proponen nuevos métodos de inyección de fallos que permiten una evaluación de la confiabilidad, precisa y detallada, en diferentes niveles del flujo de diseño. Segundo, se definen nuevas técnicas para la aceleración de los experimentos de inyección que mejoran su coste temporal. Tercero, se define dos estrategias DSE que permiten configurar de manera óptima (desde la perspectiva de la confiabilidad) los componentes IP y las herramientas EDA, con un coste experimental mínimo. Cuarto, se propone un kit de herramientas que automatiza e incorpora con eficacia los procesos orientados a la confiabilidad en el flujo de diseño semicustom. Finalmente, se demuestra la utilidad y eficacia de las propuestas mediante un caso de estudio en el que se implementan tres procesadores empotrados en un FPGA de Xilinx serie 7.[CA] La utilització de sistemes encastats en cada vegada més àmbits d'aplicació està portant al fet que el seu disseny haja d'enfrontar-se a majors requisits de rendiment, consum d'energia i àrea (PPA). Així mateix, la seua utilització en aplicacions crítiques provoca que hagen de complir amb estrictes requisits de confiabilitat per a garantir el seu correcte funcionament durant períodes prolongats de temps. En particular, l'ús de dispositius lògics programables de tipus FPGA és un gran desafiament des de la perspectiva de la confiabilitat, ja que aquests dispositius són molt sensibles a la radiació. Per tot això, la confiabilitat ha de considerar-se com un dels criteris principals per a la presa de decisions al llarg del tot flux de disseny, que ha de complementar-se amb diversos processos que permeten aconseguir estrictes requisits de confiabilitat. Primer, l'avaluació de la robustesa del disseny permet identificar els seus punts febles, guiant així la definició de mecanismes de tolerància a fallades. Segon, l'eficàcia dels mecanismes definits ha de validar-se experimentalment. Tercer, l'avaluació comparativa de la confiabilitat permet als dissenyadors seleccionar els components predissenyats (IP), les tecnologies d'implementació i les eines de disseny (EDA) més adequades des de la perspectiva de la confiabilitat. Finalment, l'exploració de l'espai de disseny (DSE) permet configurar de manera òptima els components i les eines seleccionats, millorant així la confiabilitat i les mètriques PPA de la implementació resultant. Tots els processos anteriorment esmentats es basen en tècniques d'injecció de fallades per a poder avaluar la robustesa del sistema dissenyat. A pesar que existeix una àmplia varietat de tècniques d'injecció de fallades, diverses problemes encara han d'abordar-se per a cobrir les necessitats plantejades en el flux de disseny. Aquelles solucions basades en simulació (SBFI) han d'adaptar-se als models de nivell d'implementació, tenint en compte l'arquitectura dels diversos components de la tecnologia utilitzada. Les tècniques d'injecció de fallades basades en FPGAs (FFI) han d'abordar problemes relacionats amb la granularitat de l'anàlisi per a poder localitzar els punts febles del disseny. Un altre desafiament és la reducció del cost temporal dels experiments d'injecció de fallades. A causa de l'alta complexitat dels dissenys actuals, el temps experimental dedicat a l'avaluació de la confiabilitat pot ser excessiu fins i tot en aquells escenaris més simples, mentre que pot ser inviable en aquells processos relacionats amb l'avaluació de múltiples configuracions alternatives del disseny. Finalment, aquests processos orientats a la confiabilitat manquen d'un suport instrumental que permeta cobrir el flux de disseny amb tota la seua varietat de llenguatges de descripció de maquinari, tecnologies d'implementació i eines de disseny. Aquesta tesi aborda els reptes anteriorment esmentats amb la finalitat d'integrar, de manera eficaç, aquests processos orientats a la confiabilitat en el flux de disseny. Primerament, es proposen nous mètodes d'injecció de fallades que permeten una avaluació de la confiabilitat, precisa i detallada, en diferents nivells del flux de disseny. Segon, es defineixen noves tècniques per a l'acceleració dels experiments d'injecció que milloren el seu cost temporal. Tercer, es defineix dues estratègies DSE que permeten configurar de manera òptima (des de la perspectiva de la confiabilitat) els components IP i les eines EDA, amb un cost experimental mínim. Quart, es proposa un kit d'eines (DAVOS) que automatitza i incorpora amb eficàcia els processos orientats a la confiabilitat en el flux de disseny semicustom. Finalment, es demostra la utilitat i eficàcia de les propostes mitjançant un cas d'estudi en el qual s'implementen tres processadors encastats en un FPGA de Xilinx serie 7.[EN] Embedded systems are steadily extending their application areas, dealing with increasing requirements in performance, power consumption, and area (PPA). Whenever embedded systems are used in safety-critical applications, they must also meet rigorous dependability requirements to guarantee their correct operation during an extended period of time. Meeting these requirements is especially challenging for those systems that are based on Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), since they are very susceptible to Single Event Upsets. This leads to increased dependability threats, especially in harsh environments. In such a way, dependability should be considered as one of the primary criteria for decision making throughout the whole design flow, which should be complemented by several dependability-driven processes. First, dependability assessment quantifies the robustness of hardware designs against faults and identifies their weak points. Second, dependability-driven verification ensures the correctness and efficiency of fault mitigation mechanisms. Third, dependability benchmarking allows designers to select (from a dependability perspective) the most suitable IP cores, implementation technologies, and electronic design automation (EDA) tools. Finally, dependability-aware design space exploration (DSE) allows to optimally configure the selected IP cores and EDA tools to improve as much as possible the dependability and PPA features of resulting implementations. The aforementioned processes rely on fault injection testing to quantify the robustness of the designed systems. Despite nowadays there exists a wide variety of fault injection solutions, several important problems still should be addressed to better cover the needs of a dependability-driven design flow. In particular, simulation-based fault injection (SBFI) should be adapted to implementation-level HDL models to take into account the architecture of diverse logic primitives, while keeping the injection procedures generic and low-intrusive. Likewise, the granularity of FPGA-based fault injection (FFI) should be refined to the enable accurate identification of weak points in FPGA-based designs. Another important challenge, that dependability-driven processes face in practice, is the reduction of SBFI and FFI experimental effort. The high complexity of modern designs raises the experimental effort beyond the available time budgets, even in simple dependability assessment scenarios, and it becomes prohibitive in presence of alternative design configurations. Finally, dependability-driven processes lack an instrumental support covering the semicustom design flow in all its variety of description languages, implementation technologies, and EDA tools. Existing fault injection tools only partially cover the individual stages of the design flow, being usually specific to a particular design representation level and implementation technology. This work addresses the aforementioned challenges by efficiently integrating dependability-driven processes into the design flow. First, it proposes new SBFI and FFI approaches that enable an accurate and detailed dependability assessment at different levels of the design flow. Second, it improves the performance of dependability-driven processes by defining new techniques for accelerating SBFI and FFI experiments. Third, it defines two DSE strategies that enable the optimal dependability-aware tuning of IP cores and EDA tools, while reducing as much as possible the robustness evaluation effort. Fourth, it proposes a new toolkit (DAVOS) that automates and seamlessly integrates the aforementioned dependability-driven processes into the semicustom design flow. Finally, it illustrates the usefulness and efficiency of these proposals through a case study consisting of three soft-core embedded processors implemented on a Xilinx 7-series SoC FPGA.Tuzov, I. (2020). Dependability-driven Strategies to Improve the Design and Verification of Safety-Critical HDL-based Embedded Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159883TESI

    NASA SERC 1990 Symposium on VLSI Design

    Get PDF
    This document contains papers presented at the first annual NASA Symposium on VLSI Design. NASA's involvement in this event demonstrates a need for research and development in high performance computing. High performance computing addresses problems faced by the scientific and industrial communities. High performance computing is needed in: (1) real-time manipulation of large data sets; (2) advanced systems control of spacecraft; (3) digital data transmission, error correction, and image compression; and (4) expert system control of spacecraft. Clearly, a valuable technology in meeting these needs is Very Large Scale Integration (VLSI). This conference addresses the following issues in VLSI design: (1) system architectures; (2) electronics; (3) algorithms; and (4) CAD tools
    corecore