Cross-Layer Resiliency Modeling and Optimization: A Device to Circuit Approach

The never ending demand for higher performance and lower power consumption pushes the VLSI industry to further scale the technology down. However, further downscaling of technology at nano-scale leads to major challenges. Reduced reliability is one of them, arising from multiple sources e.g. runtime variations, process variation, and transient errors. The objective of this thesis is to tackle unreliability with a cross layer approach from device up to circuit level

A software controlled voltage tuning system using multi-purpose ring oscillators

This paper presents a novel software driven voltage tuning method that utilises multi-purpose Ring Oscillators (ROs) to provide process variation and environment sensitive energy reductions. The proposed technique enables voltage tuning based on the observed frequency of the ROs, taken as a representation of the device speed and used to estimate a safe minimum operating voltage at a given core frequency. A conservative linear relationship between RO frequency and silicon speed is used to approximate the critical path of the processor. Using a multi-purpose RO not specifically implemented for critical path characterisation is a unique approach to voltage tuning. The parameters governing the relationship between RO and silicon speed are obtained through the testing of a sample of processors from different wafer regions. These parameters can then be used on all devices of that model. The tuning method and software control framework is demonstrated on a sample of XMOS XS1-U8A-64 embedded microprocessors, yielding a dynamic power saving of up to 25% with no performance reduction and no negative impact on the real-time constraints of the embedded software running on the processor

Towards Energy-Efficient and Reliable Computing: From Highly-Scaled CMOS Devices to Resistive Memories

The continuous increase in transistor density based on Moore\u27s Law has led us to highly scaled Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) technologies. These transistor-based process technologies offer improved density as well as a reduction in nominal supply voltage. An analysis regarding different aspects of 45nm and 15nm technologies, such as power consumption and cell area to compare these two technologies is proposed on an IEEE 754 Single Precision Floating-Point Unit implementation. Based on the results, using the 15nm technology offers 4-times less energy and 3-fold smaller footprint. New challenges also arise, such as relative proportion of leakage power in standby mode that can be addressed by post-CMOS technologies. Spin-Transfer Torque Random Access Memory (STT-MRAM) has been explored as a post-CMOS technology for embedded and data storage applications seeking non-volatility, near-zero standby energy, and high density. Towards attaining these objectives for practical implementations, various techniques to mitigate the specific reliability challenges associated with STT-MRAM elements are surveyed, classified, and assessed herein. Cost and suitability metrics assessed include the area of nanomagmetic and CMOS components per bit, access time and complexity, Sense Margin (SM), and energy or power consumption costs versus resiliency benefits. In an attempt to further improve the Process Variation (PV) immunity of the Sense Amplifiers (SAs), a new SA has been introduced called Adaptive Sense Amplifier (ASA). ASA can benefit from low Bit Error Rate (BER) and low Energy Delay Product (EDP) by combining the properties of two of the commonly used SAs, Pre-Charge Sense Amplifier (PCSA) and Separated Pre-Charge Sense Amplifier (SPCSA). ASA can operate in either PCSA or SPCSA mode based on the requirements of the circuit such as energy efficiency or reliability. Then, ASA is utilized to propose a novel approach to actually leverage the PV in Non-Volatile Memory (NVM) arrays using Self-Organized Sub-bank (SOS) design. SOS engages the preferred SA alternative based on the intrinsic as-built behavior of the resistive sensing timing margin to reduce the latency and power consumption while maintaining acceptable access time

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

Aggressive and reliable high-performance architectures - techniques for thermal control, energy efficiency, and performance augmentation

As more and more transistors fit in a single chip, consumers of the electronics industry continue to expect decline in cost-per-function. Advancements in process technology offer steady improvements in system performance. The improvements manifest themselves as shrinking area, faster circuits and improved battery life. However, this migration toward sub-micro/nano-meter technologies presents a new set of challenges as the system becomes extremely sensitive to any voltage, temperature or process variations. One approach to immunize the system from the adverse effects of these variations is to add sufficient safety margins to the operating clock frequency of the system. Clearly, this approach is overly conservative because these worst case scenarios rarely occur. But, process technology in nanoscale era has already hit the power and frequency walls. Regardless of any of these challenges, the present processors not only need to run faster, but also cooler and use lesser energy. At a juncture where there is no further improvement in clock frequency is possible, data dependent latching through Timing Speculation (TS) provides a silver lining. Timing speculation is a widely known method for realizing better-than-worst-case systems. TS is aggressive in nature, where the mechanism is to dynamically tune the system frequency beyond the worst-case limits obtained from application characteristics to enhance the performance of system-on-chips (SoCs). However, such aggressive tuning has adverse consequences that need to be overcome. Power dissipation, on-chip temperature and reliability are key issues that cannot be ignored. A carefully designed power management technique combined with a reliable, controlled, aggressive clocking not only attempts to constrain power dissipation within a limit, but also improves performance whenever possible. In this dissertation, we present a novel power level switching mechanism by redefining the existing voltage-frequency pairs. We introduce an aggressive yet reliable framework for energy efficient thermal control. We were able to achieve up to 40% speed-up compared to a base scheme without overclocking. We compare our method against different schemes. We observe that up to 75% Energy-Delay squared product (ED2) savings relative to base architecture is possible. We showcase the loss of efficiency in present chip multiprocessor systems due to excess power supplied, and propose Utilization-aware Task Scheduling (UTS) - a power management scheme that increases energy efficiency of chip multiprocessors. Our experiments demonstrate that UTS along with aggressive timing speculation squeezes out maximum performance from the system without loss of efficiency, and breaching power & thermal constraints. From our evaluation we infer that UTS improves performance by up to 12% due to aggressive power level switching and over 50% in ED2 savings compared to traditional power management techniques. Aggressive clocking systems having TS as their central theme operate at a clock frequency range beyond specified safe limits, exploiting the data dependence on circuit critical paths. However, the margin for performance enhancement is restricted due to extreme difference between short paths and critical paths. In this thesis, we show that increasing the lengths of short paths of the circuit increases the margin of TS, leading to performance improvement in aggressively designed systems. We develop Min-arc algorithm to efficiently add delay buffers to selected short paths while keeping down the area penalty. We show that by using our algorithm, it is possible to increase the circuit contamination delay by up to 30% without affecting the propagation delay, with moderate area overhead. We also explore the possibility of increasing short path delays further by relaxing the constraint on propagation delay, and achieve even higher performance. Overall, we bring out the inter-relationship between power, temperature and reliability of aggressively clocked systems. Our main objective is to achieve maximal performance benefits and improved energy efficiency within thermal constraints by effectively combining dynamic frequency scaling, dynamic voltage scaling and reliable overclocking. We provide solutions to improve the existing power management in chip multiprocessors to dynamically maximize system utilization and satisfy the power constraints within safe thermal limits

Skybridge: 3-D Integrated Circuit Technology Alternative to CMOS

Continuous scaling of CMOS has been the major catalyst in miniaturization of integrated circuits (ICs) and crucial for global socio-economic progress. However, scaling to sub-20nm technologies is proving to be challenging as MOSFETs are reaching their fundamental limits and interconnection bottleneck is dominating IC operational power and performance. Migrating to 3-D, as a way to advance scaling, has eluded us due to inherent customization and manufacturing requirements in CMOS that are incompatible with 3-D organization. Partial attempts with die-die and layer-layer stacking have their own limitations. We propose a 3-D IC fabric technology, Skybridge[TM], which offers paradigm shift in technology scaling as well as design. We co-architect Skybridge's core aspects, from device to circuit style, connectivity, thermal management, and manufacturing pathway in a 3-D fabric-centric manner, building on a uniform 3-D template. Our extensive bottom-up simulations, accounting for detailed material system structures, manufacturing process, device, and circuit parasitics, carried through for several designs including a designed microprocessor, reveal a 30-60x density, 3.5x performance per watt benefits, and 10X reduction in interconnect lengths vs. scaled 16-nm CMOS. Fabric-level heat extraction features are shown to successfully manage IC thermal profiles in 3-D. Skybridge can provide continuous scaling of integrated circuits beyond CMOS in the 21st century.Comment: 53 Page

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

Static noise margin analysis for CMOS logic cells in near-threshold

The advancement of semiconductor technology enabled the fabrication of devices with faster switching activity and chips with higher integration density. However, these advances are facing new impediments related to energy and power dissipation. Besides, the increasing demand for portable devices leads the circuit design paradigm to prioritize energy efficiency instead of performance. Altogether, this scenario motivates engineers towards reducing the supply voltage to the near and subthreshold regime to increase the lifespan of battery-powered devices. Even though operating in these regime offer interesting energy-frequency trade-offs, it brings challenges concerning noise tolerance. As the supply voltage reduces, the available noise margins decrease, and circuits become more prone to functional failures. In addition, near and subthreshold circuits are more susceptible to manufacturing variability, hence further aggravating noise issues. Other issues, such as wire minimization and gate fan-out, also contribute to the relevance of evaluating the noise margin of circuits early in the design Accordingly, this work investigates how to improve the static noise margin of digital synchronous circuits that will operate at the near/subthreshold regime. This investigation produces a set of three original contributions. The first is an automated tool to estimate the static noise margin of CMOS combinational cells. The second contribution is a realistic static noise margin estimation methodology that considers process-voltage-temperature variations. Results show that the proposed methodology allows to reduce up to 70% of the static noise margin pessimism. Finally, the third contribution is the noise-aware cell design methodology and the inclusion of a noise evaluation of complex circuits during the logic synthesis. The resulting library achieved higher static noise margin (up to 24%) and less spread among different cells (up to 62%).Os avanços na tecnologia de semicondutores possibilitou que se fabricasse dispositivos com atividade de chaveamento mais rápida e com maior capacidade de integração de transistores. Estes avanços, todavia, impuseram novos empecilhos relacionados com a dissipação de potência e energia. Além disso, a crescente demanda por dispositivos portáteis levaram à uma mudança no paradigma de projeto de circuitos para que se priorize energia ao invés de desempenho. Este cenário motivou à reduzir a tensão de alimentação com qual os dispositivos operam para um regime próximo ou abaixo da tensão de limiar, com o objetivo de aumentar sua duração de bateria. Apesar desta abordagem balancear características de performance e energia, ela traz novos desafios com relação a tolerância à ruído. Ao reduzirmos a tensão de alimentação, também reduz-se a margem de ruído disponível e, assim, os circuitos tornam-se mais suscetíveis à falhas funcionais. Somado à este efeito, circuitos com tensões de alimentação nestes regimes são mais sensíveis à variações do processo de fabricação, logo agravando problemas com ruído. Existem também outros aspectos, tais como a miniaturização das interconexões e a relação de fan-out de uma célula digital, que incentivam a avaliação de ruído nas fases iniciais do projeto de circuitos integrados Por estes motivos, este trabalho investiga como aprimorar a margem de ruído estática de circuitos síncronos digitais que irão operar em tensões no regime de tensão próximo ou abaixo do limiar. Esta investigação produz um conjunto de três contribuições originais. A primeira é uma ferramenta capaz de avaliar automaticamente a margem de ruído estática de células CMOS combinacionais. A segunda contribuição é uma metodologia realista para estimar a margem de ruído estática considerando variações de processo, tensão e temperatura. Os resultados obtidos mostram que a metodologia proposta permitiu reduzir até 70% do pessimismo das margens de ruído estática, Por último, a terceira contribuição é um fluxo de projeto de células combinacionais digitais considerando ruído, e uma abordagem para avaliar a margem de ruído estática de circuitos complexos durante a etapa de síntese lógica. A biblioteca de células resultante deste fluxo obteve maior margem de ruído (até 24%) e menor variação entre diferentes células (até 62%)