Projeto de células e circuitos VLSI digitais CMOS para operação em baixa tensão

• Ano de defesa: 2015
• Autor(a) principal: Rosa, André Luís Rodeghiero
• Orientador(a): Bampi, Sergio
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Microeletrônica; Cmos; Vlsi
• Palavras-chave em Inglês: Digital CMOS; Voltage-frequency scaling; CMOS energy-efficiency; Near-threshold; Multi-VT MOSFET transistors
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/118526

Este trabalho propõe uma estratégia para projeto de circuitos VLSI operando em amplo ajuste de tensão e frequência (VFS), desde o regime em Near-threshold, onde uma tensão de VDD caracteriza-se por permitir o funcionamento do circuito com o mínimo dispêndio de energia por operação (MEP), até tensões nominais, dependendo da carga de trabalho exigida pela aplicação. Nesta dissertação é proposto o dimensionamento de transistores para três bibliotecas de células utilizando MOSFETs com tensões de limiar distintas: Regular-VT (RVT), High-VT (HVT) e Low-VT (LVT). Tais bibliotecas possuem cinco células combinacionais: INV, NAND, NOR, OAI21 e AOI22 em múltiplos strengths. A regra para dimensionamento dos transistores das células lógicas foi adaptada de trabalhos relacionados, e fundamenta-se na equalização dos tempos de subida e descida na saída de cada célula, objetivando à redução dos efeitos de variabilidade em baixas tensões de operação. Dois registradores também foram incluídos na biblioteca RVT e sua caracterização foi realizada considerando os parâmetros de processo CMOS 65 nm typical, fast e slow; nas temperaturas de operação de -40°C, 25°C e 125°C, e para tensões variando de 200 mV até 1,2V, para incluir a região de interesse, próxima ao MEP. Os experimentos foram realizados utilizando dez circuitos VLSI de teste: filtro digital notch, um núcleo compatível com o micro-controlador 8051, quatro circuitos combinacionais e quatro sequenciais do benchmark ISCAS. Em termos de economia de energia, operar no MEP resulta em uma redução média de 54,46% em relação ao regime de sub-limiar e até 99,01% quando comparado com a tensão nominal, para a temperatura de 25°C e processo típico. Em relação ao desempenho, operar em regime de VFS muito amplo propicia frequências máximas que variam de centenas de kHz até a faixa de centenas de MHz a GHz, para as temperaturas de -40°C e 25°C, e de MHz até GHz em 125°C. Os resultados desta dissertação, quando comparados a trabalhos relacionados, demonstraram, em média, redução de energia e ganho de desempenho de 24,1% e 152,68%, respectivamente, considerando os mesmos circuitos de teste, operando no ponto de mínima energia (MEP).