Statistical Approach for Yield Optimization for Minimum Energy Operation in Subthreshold Circuits Considering Variability Issues

The supply voltage (V-dd) and threshold voltage (V-th) are two significant design variables that directly impact the performance and power consumption of circuits. The scaling of these voltages has become a popular option to satisfy performance and low power requirements. Subthreshold operation is a compelling approach for energy-constrained applications where processor speed is less important. However, subthreshold designs show dramatically increased sensitivity to process variations due to the exponential relationship of subthreshold drive current with V-th variation and drastically growing leakage power. If there is uncertainty in the value of the threshold or supply voltage, the power advantages of this very low-voltage operation diminishes. This paper presents a statistical methodology for choosing the optimum V-dd and V-th under manufacturing uncertainties and different operating conditions to minimize energy for a given frequency in subthreshold operation while ensuring yield maximality. Unlike the traditional energy optimization, to find the optimal values for the voltages, we have considered the following factors to make the optimization technique more acceptable: the application-dependent design constraints, variations in the design variables due to manufacturing uncertainty, device sizing, activity factor of the circuit, and power reduction techniques. To maximize the yield, a two-level optimization is employed. First, the design metric is carefully chosen and deterministically optimized to the optimum point in the feasible region. At the second level, a tolerance box is moved over the design space to find the best location in order to maximize the yield. The feasible region, which is application dependent, is constrained by the minimum performance and the maximum ratio of leakage to total power in the V-dd-V-th plane. The center of the tolerance box provides the nominal design values for V-dd and V-th such that the design has a maximum immunity to the variations and maximizes the yield. The yield is estimated directly using the joint cumulative distribution function over the tolerance box requiring no numerical integration and saving considerable computational complexity for multidimensional problems. The optimal designs, verified by Monte Carlo and SPECTRE simulations, demonstrate significant increase in yield. By using this methodology, yield is found to be strongly dependent on the design metrics, circuit switching activity, transistor sizing, and the given constraints

Low-power spatial computing using dynamic threshold devices

Asynchronous spatial computing systems exhibit only localized communication, their overall data-flow being controlled by handshaking. It is therefore straightforward to determine when a particular part of such a system is active. We show that using thin-body double-gate fully depleted SOI transistors, the shift in threshold voltage that can be produced by modulating the back-gate bias is sufficient to reduce subthreshold leakage power by a factor of more than 104 in typical circuits. Using TBFDSOI devices in spatial computing architectures will allow overall power to be greatly reduced while maintaining high performance

Subthreshold and gate leakage current analysis and reduction in VLSI circuits

CMOS technology has scaled aggressively over the past few decades in an effort to enhance functionality, speed and packing density per chip. As the feature sizes are scaling down to sub-100nm regime, leakage power is increasing significantly and is becoming the dominant component of the total power dissipation. Major contributors to the total leakage current in deep submicron regime are subthreshold and gate tunneling leakage currents. The leakage reduction techniques developed so far were mostly devoted to reducing subthreshold leakage. However, at sub-65nm feature sizes, gate leakage current grows faster and is expected to surpass subthreshold leakage current. In this work, an extensive analysis of the circuit level characteristics of subthreshold and gate leakage currents is performed at 45nm and 32nm feature sizes. The analysis provides several key observations on the interdependency of gate and subthreshold leakage currents. Based on these observations, a new leakage reduction technique is proposed that optimizes both the leakage currents. This technique identifies minimum leakage vectors for a given circuit based on the number of transistors in OFF state and their position in the stack. The effectiveness of the proposed technique is compared to most of the mainstream leakage reduction techniques by implementing them on ISCAS89 benchmark circuits. The proposed leakage reduction technique proved to be more effective in reducing gate leakage current than subthreshold leakage current. However, when combined with dual-threshold and variable-threshold CMOS techniques, substantial subthreshold leakage current reduction was also achieved. A total savings of 53% for subthreshold leakage current and 26% for gate leakage current are reported

Design for Reliability and Low Power in Emerging Technologies

Die fortlaufende Verkleinerung von Transistor-Strukturgrößen ist einer der wichtigsten Antreiber für das Wachstum in der Halbleitertechnologiebranche. Seit Jahrzehnten erhöhen sich sowohl Integrationsdichte als auch Komplexität von Schaltkreisen und zeigen damit einen fortlaufenden Trend, der sich über alle modernen Fertigungsgrößen erstreckt. Bislang ging das Verkleinern von Transistoren mit einer Verringerung der Versorgungsspannung einher, was zu einer Reduktion der Leistungsaufnahme führte und damit eine gleichbleibenden Leistungsdichte sicherstellte. Doch mit dem Beginn von Strukturgrößen im Nanometerbreich verlangsamte sich die fortlaufende Skalierung. Viele Schwierigkeiten, sowie das Erreichen von physikalischen Grenzen in der Fertigung und Nicht-Idealitäten beim Skalieren der Versorgungsspannung, führten zu einer Zunahme der Leistungsdichte und, damit einhergehend, zu erschwerten Problemen bei der Sicherstellung der Zuverlässigkeit. Dazu zählen, unter anderem, Alterungseffekte in Transistoren sowie übermäßige Hitzeentwicklung, nicht zuletzt durch stärkeres Auftreten von Selbsterhitzungseffekten innerhalb der Transistoren. Damit solche Probleme die Zuverlässigkeit eines Schaltkreises nicht gefährden, werden die internen Signallaufzeiten üblicherweise sehr pessimistisch kalkuliert. Durch den so entstandenen zeitlichen Sicherheitsabstand wird die korrekte Funktionalität des Schaltkreises sichergestellt, allerdings auf Kosten der Performance. Alternativ kann die Zuverlässigkeit des Schaltkreises auch durch andere Techniken erhöht werden, wie zum Beispiel durch Null-Temperatur-Koeffizienten oder Approximate Computing. Wenngleich diese Techniken einen Großteil des üblichen zeitlichen Sicherheitsabstandes einsparen können, bergen sie dennoch weitere Konsequenzen und Kompromisse. Bleibende Herausforderungen bei der Skalierung von CMOS Technologien führen außerdem zu einem verstärkten Fokus auf vielversprechende Zukunftstechnologien. Ein Beispiel dafür ist der Negative Capacitance Field-Effect Transistor (NCFET), der eine beachtenswerte Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen FinFET Transistoren aufweist und diese in Zukunft ersetzen könnte. Des Weiteren setzen Entwickler von Schaltkreisen vermehrt auf komplexe, parallele Strukturen statt auf höhere Taktfrequenzen. Diese komplexen Modelle benötigen moderne Power-Management Techniken in allen Aspekten des Designs. Mit dem Auftreten von neuartigen Transistortechnologien (wie zum Beispiel NCFET) müssen diese Power-Management Techniken neu bewertet werden, da sich Abhängigkeiten und Verhältnismäßigkeiten ändern. Diese Arbeit präsentiert neue Herangehensweisen, sowohl zur Analyse als auch zur Modellierung der Zuverlässigkeit von Schaltkreisen, um zuvor genannte Herausforderungen auf mehreren Designebenen anzugehen. Diese Herangehensweisen unterteilen sich in konventionelle Techniken ((a), (b), (c) und (d)) und unkonventionelle Techniken ((e) und (f)), wie folgt: $\textbf{(a)}$ Analyse von Leistungszunahmen in Zusammenhang mit der Maximierung von Leistungseffizienz beim Betrieb nahe der Transistor Schwellspannung, insbesondere am optimalen Leistungspunkt. Das genaue Ermitteln eines solchen optimalen Leistungspunkts ist eine besondere Herausforderung bei Multicore Designs, da dieser sich mit den jeweiligen Optimierungszielsetzungen und der Arbeitsbelastung verschiebt. $\textbf{(b)}$ Aufzeigen versteckter Interdependenzen zwischen Alterungseffekten bei Transistoren und Schwankungen in der Versorgungsspannung durch „IR-drops“. Eine neuartige Technik wird vorgestellt, die sowohl Über- als auch Unterschätzungen bei der Ermittlung des zeitlichen Sicherheitsabstands vermeidet und folglich den kleinsten, dennoch ausreichenden Sicherheitsabstand ermittelt. $\textbf{(c)}$ Eindämmung von Alterungseffekten bei Transistoren durch „Graceful Approximation“, eine Technik zur Erhöhung der Taktfrequenz bei Bedarf. Der durch Alterungseffekte bedingte zeitlich Sicherheitsabstand wird durch Approximate Computing Techniken ersetzt. Des Weiteren wird Quantisierung verwendet um ausreichend Genauigkeit bei den Berechnungen zu gewährleisten. $\textbf{(d)}$ Eindämmung von temperaturabhängigen Verschlechterungen der Signallaufzeit durch den Betrieb nahe des Null-Temperatur Koeffizienten (N-ZTC). Der Betrieb bei N-ZTC minimiert temperaturbedingte Abweichungen der Performance und der Leistungsaufnahme. Qualitative und quantitative Vergleiche gegenüber dem traditionellen zeitlichen Sicherheitsabstand werden präsentiert. $\textbf{(e)}$ Modellierung von Power-Management Techniken für NCFET-basierte Prozessoren. Die NCFET Technologie hat einzigartige Eigenschaften, durch die herkömmliche Verfahren zur Spannungs- und Frequenzskalierungen zur Laufzeit (DVS/DVFS) suboptimale Ergebnisse erzielen. Dies erfordert NCFET-spezifische Power-Management Techniken, die in dieser Arbeit vorgestellt werden. $\textbf{(f)}$ Vorstellung eines neuartigen heterogenen Multicore Designs in NCFET Technologie. Das Design beinhaltet identische Kerne; Heterogenität entsteht durch die Anwendung der individuellen, optimalen Konfiguration der Kerne. Amdahls Gesetz wird erweitert, um neue system- und anwendungsspezifische Parameter abzudecken und die Vorzüge des neuen Designs aufzuzeigen. Die Auswertungen der vorgestellten Techniken werden mithilfe von Implementierungen und Simulationen auf Schaltkreisebene (gate-level) durchgeführt. Des Weiteren werden Simulatoren auf Systemebene (system-level) verwendet, um Multicore Designs zu implementieren und zu simulieren. Zur Validierung und Bewertung der Effektivität gegenüber dem Stand der Technik werden analytische, gate-level und system-level Simulationen herangezogen, die sowohl synthetische als auch reale Anwendungen betrachten

A Fully-Integrated Quad-Band GSM/GPRS CMOS Power Amplifier

Concentric distributed active transformers (DAT) are used to implement a fully-integrated quad-band power amplifier (PA) in a standard 130 nm CMOS process. The DAT enables the power amplifier to integrate the input and output matching networks on the same silicon die. The PA integrates on-chip closed-loop power control and operates under supply voltages from 2.9 V to 5.5 V in a standard micro-lead-frame package. It shows no oscillations, degradation, or failures for over 2000 hours of operation with a supply of 6 V at 135° under a VSWR of 15:1 at all phase angles and has also been tested for more than 2 million device-hours (with ongoing reliability monitoring) without a single failure under nominal operation conditions. It produces up to +35 dBm of RF power with power-added efficiency of 51%

Fully-Implantable Self-Contained Dual-Channel Electrical Recording and Directivity-Enhanced Optical Stimulation System on a Chip

This thesis presents an integrated system-on-a-chip (SoC), designed, fabricated, and characterized for conducting simultaneous dual-channel optogenetic stimulation and electrophysiological recording. An inductive coil as well as power management circuits are also integrated on the chip, enabling wireless power reception, hence, allowing full implantation. The optical stimulation channels host a novel LED driver circuit that can generate currents up to 10mA with a minimum required headroom voltage reported in the literature, resulting in a superior power efficiency compared to the state of the art. The output current in each channel can be programmed to have an arbitrary waveform with digitally-controlled magnitude and timing. The final design is fabricated as a 34 mm2 microchip using a CMOS 130nm technology and characterized both in terms of electrical and optical performance. A pair of custom-designed inkjet-printed micro-lenses are also fabricated and placed on top of the LEDs. The lenses are optimized to enhance the light directivity of optical stimulation, resulting in significant improvements in terms of spatial resolution, power consumption (30.5x reduction), and safety aspects (temperature increase of <0.1c) of the device