72 research outputs found

    A novel deep submicron bulk planar sizing strategy for low energy subthreshold standard cell libraries

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    Engineering andPhysical Science ResearchCouncil (EPSRC) and Arm Ltd for providing funding in the form of grants and studentshipsThis work investigates bulk planar deep submicron semiconductor physics in an attempt to improve standard cell libraries aimed at operation in the subthreshold regime and in Ultra Wide Dynamic Voltage Scaling schemes. The current state of research in the field is examined, with particular emphasis on how subthreshold physical effects degrade robustness, variability and performance. How prevalent these physical effects are in a commercial 65nm library is then investigated by extensive modeling of a BSIM4.5 compact model. Three distinct sizing strategies emerge, cells of each strategy are laid out and post-layout parasitically extracted models simulated to determine the advantages/disadvantages of each. Full custom ring oscillators are designed and manufactured. Measured results reveal a close correlation with the simulated results, with frequency improvements of up to 2.75X/2.43X obs erved for RVT/LVT devices respectively. The experiment provides the first silicon evidence of the improvement capability of the Inverse Narrow Width Effect over a wide supply voltage range, as well as a mechanism of additional temperature stability in the subthreshold regime. A novel sizing strategy is proposed and pursued to determine whether it is able to produce a superior complex circuit design using a commercial digital synthesis flow. Two 128 bit AES cores are synthesized from the novel sizing strategy and compared against a third AES core synthesized from a state-of-the-art subthreshold standard cell library used by ARM. Results show improvements in energy-per-cycle of up to 27.3% and frequency improvements of up to 10.25X. The novel subthreshold sizing strategy proves superior over a temperature range of 0 °C to 85 °C with a nominal (20 °C) improvement in energy-per-cycle of 24% and frequency improvement of 8.65X. A comparison to prior art is then performed. Valid cases are presented where the proposed sizing strategy would be a candidate to produce superior subthreshold circuits

    Time resolved single photon imaging in Nanometer Scale CMOS technology

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    Time resolved imaging is concerned with the measurement of photon arrival time. It has a wealth of emerging applications including biomedical uses such as fluorescence lifetime microscopy and positron emission tomography, as well as laser ranging and imaging in three dimensions. The impact of time resolved imaging on human life is significant: it can be used to identify cancerous cells in-vivo, how well new drugs may perform, or to guide a robot around a factory or hospital. Two essential building blocks of a time resolved imaging system are a photon detector capable of sensing single photons, and fast time resolvers that can measure the time of flight of light to picosecond resolution. In order to address these emerging applications, miniaturised, single-chip, integrated arrays of photon detectors and time resolvers must be developed with state of the art performance and low cost. The goal of this research is therefore the design, layout and verification of arrays of low noise Single Photon Avalanche Diodes (SPADs) together with high resolution Time-Digital Converters (TDCs) using an advanced silicon fabrication process. The research reported in this Thesis was carried out as part of the E.U. funded Megaframe FP6 Project. A 32x32 pixel, one million frames per second, time correlated imaging device has been designed, simulated and fabricated using a 130nm CMOS Imaging process from ST Microelectronics. The imager array has been implemented together with required support cells in order to transmit data off chip at high speed as well as providing a means of device control, test and calibration. The fabricated imaging device successfully demonstrates the research objectives. The Thesis presents details of design, simulation and characterisation results of the elements of the Megaframe device which were the author’s own work. Highlights of the results include the smallest and lowest noise SPAD devices yet published for this class of fabrication process and an imaging array capable of recording single photon arrivals every microsecond, with a minimum time resolution of fifty picoseconds and single bit linearity

    MOCAST 2021

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    The 10th International Conference on Modern Circuit and System Technologies on Electronics and Communications (MOCAST 2021) will take place in Thessaloniki, Greece, from July 5th to July 7th, 2021. The MOCAST technical program includes all aspects of circuit and system technologies, from modeling to design, verification, implementation, and application. This Special Issue presents extended versions of top-ranking papers in the conference. The topics of MOCAST include:Analog/RF and mixed signal circuits;Digital circuits and systems design;Nonlinear circuits and systems;Device and circuit modeling;High-performance embedded systems;Systems and applications;Sensors and systems;Machine learning and AI applications;Communication; Network systems;Power management;Imagers, MEMS, medical, and displays;Radiation front ends (nuclear and space application);Education in circuits, systems, and communications

    Design Automation of Low Power Circuits in Nano-Scale CMOS and Beyond-CMOS Technologies.

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    Today’s integrated system on chips (SoCs) usually consist of billions of transistors accounting for both digital and analog blocks. Integrating such massive blocks on a single chip involves several challenges, especially when transferring analog blocks from an older technology to newer ones. Furthermore, the exponential growth for IoT devices necessitates small and low power circuits. Hence, new devices and architectures must be investigated to meet the power and area constraints for wireless sensor networks (WSNs). In such cases, design automation becomes an essential tool to reduce the time to market of the circuits. This dissertation focuses on automating the design process of analog designs in advanced CMOS technology nodes, as well as reciprocal quantum logic (RQL) superconducting circuits. For CMOS analog circuits, our design automation technique employs digital automatic placement and routing tools to synthesize and lay out analog blocks along with digital blocks in a cell-based design approach. This technique was demonstrated in the design of a digital-to-analog converter. In the domain of RQL circuits, the automated design of several functional units of a commercial Processor is presented. These automation techniques enable the design of VLSI-scale circuits in this technology. In addition to the investigation of new technologies, several new baseband signal processor architectures are presented in this dissertation. These architectures are suitable for low-power mm3-scale WSNs and enable high frequency transceivers to operate within the power constraints of standalone IoT nodes.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/133177/1/elnaz_1.pd

    Characterization and mitigation of process variation in digital circuits and systems

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    Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2009.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 155-166).Process variation threatens to negate a whole generation of scaling in advanced process technologies due to performance and power spreads of greater than 30-50%. Mitigating this impact requires a thorough understanding of the variation sources, magnitudes and spatial components at the device, circuit and architectural levels. This thesis explores the impacts of variation at each of these levels and evaluates techniques to alleviate them in the context of digital circuits and systems. At the device level, we propose isolation and measurement of variation in the intrinsic threshold voltage of a MOSFET using sub-threshold leakage currents. Analysis of the measured data, from a test-chip implemented on a 0. 18[mu]m CMOS process, indicates that variation in MOSFET threshold voltage is a truly random process dependent only on device dimensions. Further decomposition of the observed variation reveals no systematic within-die variation components nor any spatial correlation. A second test-chip capable of characterizing spatial variation in digital circuits is developed and implemented in a 90nm triple-well CMOS process. Measured variation results show that the within-die component of variation is small at high voltages but is an increasing fraction of the total variation as power-supply voltage decreases. Once again, the data shows no evidence of within-die spatial correlation and only weak systematic components. Evaluation of adaptive body-biasing and voltage scaling as variation mitigation techniques proves voltage scaling is more effective in performance modification with reduced impact to idle power compared to body-biasing.(cont.) Finally, the addition of power-supply voltages in a massively parallel multicore processor is explored to reduce the energy required to cope with process variation. An analytic optimization framework is developed and analyzed; using a custom simulation methodology, total energy of a hypothetical 1K-core processor based on the RAW core is reduced by 6-16% with the addition of only a single voltage. Analysis of yield versus required energy demonstrates that a combination of disabling poor-performing cores and additional power-supply voltages results in an optimal trade-off between performance and energy.by Nigel Anthony Drego.Ph.D

    Miniaturized Transistors, Volume II

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    In this book, we aim to address the ever-advancing progress in microelectronic device scaling. Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) devices continue to endure miniaturization, irrespective of the seeming physical limitations, helped by advancing fabrication techniques. We observe that miniaturization does not always refer to the latest technology node for digital transistors. Rather, by applying novel materials and device geometries, a significant reduction in the size of microelectronic devices for a broad set of applications can be achieved. The achievements made in the scaling of devices for applications beyond digital logic (e.g., high power, optoelectronics, and sensors) are taking the forefront in microelectronic miniaturization. Furthermore, all these achievements are assisted by improvements in the simulation and modeling of the involved materials and device structures. In particular, process and device technology computer-aided design (TCAD) has become indispensable in the design cycle of novel devices and technologies. It is our sincere hope that the results provided in this Special Issue prove useful to scientists and engineers who find themselves at the forefront of this rapidly evolving and broadening field. Now, more than ever, it is essential to look for solutions to find the next disrupting technologies which will allow for transistor miniaturization well beyond silicon’s physical limits and the current state-of-the-art. This requires a broad attack, including studies of novel and innovative designs as well as emerging materials which are becoming more application-specific than ever before

    DFM Techniques for the Detection and Mitigation of Hotspots in Nanometer Technology

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    With the continuous scaling down of dimensions in advanced technology nodes, process variations are getting worse for each new node. Process variations have a large influence on the quality and yield of the designed and manufactured circuits. There is a growing need for fast and efficient techniques to characterize and mitigate the effects of different sources of process variations on the design's performance and yield. In this thesis we have studied the various sources of systematic process variations and their effects on the circuit, and the various methodologies to combat systematic process variation in the design space. We developed abstract and accurate process variability models, that would model systematic intra-die variations. The models convert the variation in process into variation in electrical parameters of devices and hence variation in circuit performance (timing and leakage) without the need for circuit simulation. And as the analysis and mitigation techniques are studied in different levels of the design ow, we proposed a flow for combating the systematic process variation in nano-meter CMOS technology. By calculating the effects of variability on the electrical performance of circuits we can gauge the importance of the accurate analysis and model-driven corrections. We presented an automated framework that allows the integration of circuit analysis with process variability modeling to optimize the computer intense process simulation steps and optimize the usage of variation mitigation techniques. And we used the results obtained from using this framework to develop a relation between layout regularity and resilience of the devices to process variation. We used these findings to develop a novel technique for fast detection of critical failures (hotspots) resulting from process variation. We showed that our approach is superior to other published techniques in both accuracy and predictability. Finally, we presented an automated method for fixing the lithography hotspots. Our method showed success rate of 99% in fixing hotspots

    Degradation Models and Optimizations for CMOS Circuits

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    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
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