Study and integration of a low power and low footprint BIMOS-based analog spiking neuron circuit in 28 nm FD-SOI technology

Avec la fin annoncée de la loi de Moore, les acteurs de la microélectronique cherchent de nouveaux paradigmes sur lesquels s’appuyer pour alimenter les développements futurs de notre société de l’information. En s’inspirant des systèmes nerveux biologiques, l’ingénierie neuromorphique offre des perspectives nouvelles qui révolutionnent d’ores et déjà l’intelligence artificielle. Pour que leurs performances permettent leur généralisation, les processeurs neuronaux se doivent d’intégrer des circuits de neurones les plus petits et les moins énergivores possible afin que les réseaux de neurones artificiels qu’ils implémentent atteignent une taille critique. Dans ce travail, nous montrons qu’il est possible de réduire le nombre de composants nécessaires à la conception d’un circuit analogique de neurone impulsionnel par la fonctionnalisation des courants de génération parasites dans un transistor BIMOS intégré en technologie 28 nm FD-SOI et dimensionné aux tailles minimales autorisées par la technologie. Après une caractérisation systématique des ces courants par des mesures quasi-statiques du FD-SOI BIMOS à température ambiante sous différentes polarisations, une modélisation compacte de ce composant adaptée à partir du modèle CEA-LETI UTSOI est proposée. Le circuit analogique de neurone impulsionnel à fuite, intégration et déclenchement basé sur le BIMOS (« BIMOS-based leaky, integrate-and-fire spiking neuron » : BB-LIF SN) est ensuite décrit. L’influence des différentes dimensions caractéristiques et polarisations de contrôle sur son fonctionnement observée lors des mesures sur des démonstrateurs fabriqués sur silicium est expliquée en détail. Un modèle analytique simple de ses limites de fonctionnement est proposé. La cohérence entre les résultats de mesures, ceux de simulations compactes et les prédictions du modèle analytique simple atteste la pertinence des analyses proposées. Dans sa version la plus aboutie, le BB-LIF SN occupe une surface de 15 µm², consomme environ 2 pJ/spike, fonctionne à des fréquences de déclenchement comprises entre 3 et 75 kHz pour des courant synaptique compris entre 600 pA et 25 nA sous une tension d’alimentation de 3 V.While Moore’s law reaches its limits, microelectronics actors are looking for new paradigms to ensure future developments of our information society. Inspired by biologic nervous systems, neuromorphic engineering is providing new perspectives which have already enabled breakthroughs in artificial intelligence. To achieve sufficient performances to allow their spread, neural processors have to integrate neuron circuits as small and as low power(ed) as possible so that artificial neural networks they implement reach a critical size. In this work, we show that it is possible to reduce the number of components necessary to design an analogue spiking neuron circuit thanks to the functionalisation of parasitic generation currents in a BIMOS transistor integrated in 28 nm FD-SOI technology and sized with the minimum dimensions allowed by this technology. After a systematic characterization of the FD-SOI BIMOS currents under several biases through quasi-static measurements at room temperature, a compact model of this component, adapted from the CEA-LETI UTSOI one, is proposed. The BIMOS-based leaky, integrate-and-fire spiking neuron (BB-LIF SN) circuit is described. Influence of the different design and bias parameters on its behaviour observed during measurements performed on a demonstrator fabricated in silicon is explained in detail. A simple analytic model of its operating boundaries is proposed. The coherence between measurement and compact simulation results and predictions coming from the simple analytic model attests to the relevance of the proposed analysis. In its most successful achievement, the BB-LIF SN circuit is 15 µm², consumes around 2 pJ/spike, triggers at a rate between 3 and 75 kHz for 600 pA to 25 nA synaptic currents under a 3 V power supply

Etude et intégration d’un circuit analogique, basse consommation et à faible surface d'empreinte, de neurone impulsionnel basé sur l’utilisation du BIMOS en technologie 28 nm FD-SOI

While Moore’s law reaches its limits, microelectronics actors are looking for new paradigms to ensure future developments of our information society. Inspired by biologic nervous systems, neuromorphic engineering is providing new perspectives which have already enabled breakthroughs in artificial intelligence. To achieve sufficient performances to allow their spread, neural processors have to integrate neuron circuits as small and as low power(ed) as possible so that artificial neural networks they implement reach a critical size. In this work, we show that it is possible to reduce the number of components necessary to design an analogue spiking neuron circuit thanks to the functionalisation of parasitic generation currents in a BIMOS transistor integrated in 28 nm FD-SOI technology and sized with the minimum dimensions allowed by this technology. After a systematic characterization of the FD-SOI BIMOS currents under several biases through quasi-static measurements at room temperature, a compact model of this component, adapted from the CEA-LETI UTSOI one, is proposed. The BIMOS-based leaky, integrate-and-fire spiking neuron (BB-LIF SN) circuit is described. Influence of the different design and bias parameters on its behaviour observed during measurements performed on a demonstrator fabricated in silicon is explained in detail. A simple analytic model of its operating boundaries is proposed. The coherence between measurement and compact simulation results and predictions coming from the simple analytic model attests to the relevance of the proposed analysis. In its most successful achievement, the BB-LIF SN circuit is 15 µm², consumes around 2 pJ/spike, triggers at a rate between 3 and 75 kHz for 600 pA to 25 nA synaptic currents under a 3 V power supply.Avec la fin annoncée de la loi de Moore, les acteurs de la microélectronique cherchent de nouveaux paradigmes sur lesquels s’appuyer pour alimenter les développements futurs de notre société de l’information. En s’inspirant des systèmes nerveux biologiques, l’ingénierie neuromorphique offre des perspectives nouvelles qui révolutionnent d’ores et déjà l’intelligence artificielle. Pour que leurs performances permettent leur généralisation, les processeurs neuronaux se doivent d’intégrer des circuits de neurones les plus petits et les moins énergivores possible afin que les réseaux de neurones artificiels qu’ils implémentent atteignent une taille critique. Dans ce travail, nous montrons qu’il est possible de réduire le nombre de composants nécessaires à la conception d’un circuit analogique de neurone impulsionnel par la fonctionnalisation des courants de génération parasites dans un transistor BIMOS intégré en technologie 28 nm FD-SOI et dimensionné aux tailles minimales autorisées par la technologie. Après une caractérisation systématique des ces courants par des mesures quasi-statiques du FD-SOI BIMOS à température ambiante sous différentes polarisations, une modélisation compacte de ce composant adaptée à partir du modèle CEA-LETI UTSOI est proposée. Le circuit analogique de neurone impulsionnel à fuite, intégration et déclenchement basé sur le BIMOS (« BIMOS-based leaky, integrate-and-fire spiking neuron » : BB-LIF SN) est ensuite décrit. L’influence des différentes dimensions caractéristiques et polarisations de contrôle sur son fonctionnement observée lors des mesures sur des démonstrateurs fabriqués sur silicium est expliquée en détail. Un modèle analytique simple de ses limites de fonctionnement est proposé. La cohérence entre les résultats de mesures, ceux de simulations compactes et les prédictions du modèle analytique simple atteste la pertinence des analyses proposées. Dans sa version la plus aboutie, le BB-LIF SN occupe une surface de 15 µm², consomme environ 2 pJ/spike, fonctionne à des fréquences de déclenchement comprises entre 3 et 75 kHz pour des courant synaptique compris entre 600 pA et 25 nA sous une tension d’alimentation de 3 V

Production de fluides frigoporteurs diphasiques basée sur le phénomène de surfusion (Intérêt énergétique)

Le défi environnemental concerne l'ensemble des secteurs industriels. Dans ce contexte, l'industrie du froid en plein essor se doit de développer des technologies économes en énergie et de réduire la quantité de fluide frigorigène type HFC dans le cadre du protocole de Kyoto. Une voie prometteuse consiste à limiter la quantité de HFC en utilisant des réseaux de froid indirect. Cependant cette technologie comporte des inconvénients qui peuvent être en partie évités par l'utilisation de fluides frigoporteurs diphasiques liquide-solide à fort potentiel énergétique représenté par la chaleur latente. Nous présentons ici une étude comparative entre des frigoporteurs monophasiques et diphasiques et faisons ressortir l'intérêt énergétique de ces derniers ainsi que la réduction des infrastructures du réseau (pompes, canalisation). Toutefois le développement des fluides frigoporteus diphasiques se heurte à des problèmes techniques au niveau de la production. En effet, les procédés utilisés jusqu'alors fonctionnent sur le principe des échangeurs à surface raclée. Ces technologies utilisent un système de raclage et comportent alors tous les inconvénients d'un système mécanique (pièces tournantes, maintenance) et une consommation électrique importante. Les fluides stabilisés comportent d'autres problèmes notamment liés à la surfusion du fait de capsules de petits volumes. Nous avons développé au cours de cette thèse un procédé de production de fluides frigoporteurs diphasiques basé sur le phénomène de la surfusion. Le principe de notre procédé est de générer un flux continu d'eau surfondue, et de provoquer la cristallisation au sein d'une cuve de stockage. Les principaux avantages de ce procédé sont, de refroidir l'eau directement dans l'évaporateur de la machine frigorifique et de fonctionner avec des technologies simples et éprouvées. Nous présentons d'abord le phénomène de la surfusion et le procédé du laboratoire, et dans un deuxième temps nous détaillons les résultats expérimentaux permettant de déterminer les paramètres de fonctionnement du procédé. Ces paramètres étant le degré de surfusion, le régime d'écoulement (nombre de Reynolds) et la température de la source froide (température d'évaporation du fluide frigorigène). Enfin nous avons réalisé une modélisation de l'évaporateur afin d'appréhender les phénomènes physiques et les risques de cristallisation au sein de l'évaporateur.The environmental challenge relates to all industrial sectors. In this context, the refrigerant industry who knows a significant growth must, improve energy efficiency and reduce the quantity of refrigerant fluid such as HFC within the framework of the protocol of Kyoto. A promising way consists to limit the quantity of HFC by using cold distribution network. However this technology comprises disadvantages which can be partly avoided by using ice slurry. These two-phase fluids (liquid-solid) present the advantage of a high cooling capacity due to the latent heat of fusion of the ice. We present a comparative study between single-phase and two-phase secondary refrigerant fluid and emphasize the energetic benefits as well as the reduction of the infrastructures of the network (pumps, pipe). However the development of two-phase secondary refrigerant have to faces with technical problems for the production. Indeed the processes usually used work with scraped surface exchangers. These technologies use a system of scraping and then comprise all the disadvantages of a mechanical system (revolving parts, maintenance) and an important electric consumption. The stabilized fluids comprise other problems in particular due to supercooled phenomenon because of capsules of small volumes. We have developed during this thesis a process of production of two-phase secondary refrigerant fluid based on the supercooling phenomenon. The principle of our process is to generate a continuous supercooled water flow, and to cause crystallization within a storage tank. The principal advantages of this process are, to cool water directly in the evaporator of the refrigerating machine and to function with simple and tested technologies. At first we present the phenomenon of supercooled and the process developed in the laboratory, and in the second time we detail the experimental results allowing to determine the parameters of the process. These parameters are the supercooled degree, the flow (Reynolds number) and the temperature of the cold source (evaporating temperature). Finally we carried out a model of the evaporator in order to understand the physical phenomena and the risks of crystallization within the evaporator.PAU-BU Sciences (644452103) / SudocSudocFranceF

Investigation on built-in BJT in FD-SOI BIMOS

sessionposterInternational audienceThe built-in BJT of a BIMOS fabricated in 28nm UTBB FD-SOI high-k metal technology from ST Microelectronics is investigated in common-emitter mode and in MOSFET off-state. In the weak V BE regime, field-effects dominate, generating a negative base current and making the current gain β0 meaningless. For V be high enough, the BJT works normally but with and a very low gain

Ice slurry production using supercooling phenomenon

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a new sharp switch device integrated in 28nm FD-SOI technology

session: tunnel transistorsInternational audienceA novel 2-components sharp switch device integrated in high-k metal gate UTBB 28 nm FD-SOI technology is presented, analyzed and measured in DC. It features a subthreshold slope of 2 mV/decade and offers several parameters to tune its characteristic, for ESD or neuromorphic applications

Toward Gated-Diode-BIMOS for thin silicon ESD protection in advanced FD-SOI CMOS technologies

session D: SoC, DFM.TCADInternational audienceThis paper presents a new device named the Gated Diode merged BIMOS (GDBIMOS) which is fabricated using the 28nm UTBB FD-SOI high-k metal gate CMOS technology. It is highly reconfigurable and topologically robust for ESD protection. The suitable ESD window is achieved thanks to doping adjustment and to different possible gate connections

Ultra-thin body buried oxide 28nm FD-SOI platform for silicon quantum dots

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One Health: Circadian Medicine Benefits Both Non-human Animals and Humans Alike

Circadian biology’s impact on human physical health and its role in disease development and progression is widely recognized. The forefront of circadian rhythm research now focuses on translational applications to clinical medicine, aiming to enhance disease diagnosis, prognosis, and treatment responses. However, the field of circadian medicine has predominantly concentrated on human healthcare, neglecting its potential for transformative applications in veterinary medicine, thereby overlooking opportunities to improve non-human animal health and welfare. This review consists of three main sections. The first section focuses on the translational potential of circadian medicine into current industry practices of agricultural animals, with a particular emphasis on horses, broiler chickens, and laying hens. The second section delves into the potential applications of circadian medicine in small animal veterinary care, primarily focusing on our companion animals, namely dogs and cats. The final section explores emerging frontiers in circadian medicine, encompassing aquaculture, veterinary hospital care, and non-human animal welfare and concludes with the integration of One Health principles. In summary, circadian medicine represents a highly promising field of medicine that holds the potential to significantly enhance the clinical care and overall health of all animals, extending its impact beyond human healthcare