Energy and speed exploration in digital CMOS circuits in the near-threshold regime for very-wide voltage-frequency scaling

• Ano de defesa: 2013
• Autor(a) principal: Stangherlin, Kleber Hugo
• Orientador(a): Bampi, Sergio
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Palavras-chave em Português: Microeletrônica; Cmos
• Palavras-chave em Inglês: Voltage-frequency scaling; Energy-efficiency; Power savings; Near-threshold
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/96974

Esta tese avalia os benefícios e desafios associados com a operação em uma ampla faixa de frequências e tensões próximas ao limiar do transistor. A diminuição da tensão de alimentação em circuitos digitais CMOS apresenta grandes vantagens em termos de potência consumida pelo circuito. Esta diminuição da potência é acompanhada por uma redução da performance, reflexo da diminuição na tensão de alimentação. A operação de circuitos digitais no ponto de energia mínima é comumente associada ao regime de operação abaixo do limiar do transistor, trazendo enormes penalidades em performance e variabilidade. Esta dissertação mostra que é possível obter 8X mais eficiência energética com uma ampla faixa dinâmica de tensão e frequência, da tensão nominal até o limite inferior da operação próximo ao limiar do transistor. Como parte deste estudo, uma biblioteca de células digitais CMOS para esta ampla faixa de frequências foi desenvolvida. A biblioteca de células lógicas foi exercitada em um PDK comercial de 65nm para operação próximo ao limiar do transistor, reduzindo os efeitos da variabilidade sem comprometer o projeto em termos de área e energia quando operando em inversão forte. Para operar próximo e abaixo do limiar do transistor as células devem ser desenvolvidas com um número limitado de transistores em série. Nosso estudo mostra que uma performance aceitável em termos de margens de ruído estático é obtida para um conjunto restrito de células, onde são empregados no máximo dois transistores em série. Reportamos resultados para projetos de média complexidade que incluem um filtro notch de 25kgates, um microcontrolador 8051 de 20kgates, e 4 circuitos combinacionais/ sequenciais do conjunto de avaliação ISCAS. Neste trabalho, é estudada a máxima frequência atingida em cada tensão de alimentação, desde 0.15V até 1.2V. O ponto de mínima energia é demonstrado em operação abaixo do limiar do transistor, aproximadamente 0.29V, oque representa um ganho de 2X em eficiência energética comparado ao regime de operação próximo ao limiar do transistor. Embora o pico de eficiência energética ocorra abaixo do limiar do transistor para os circuitos estudados, nós também demonstramos que nesta tensão de alimentação ultra-baixa o atraso e a potência sofrem um impacto substancial devido ao aumento na variabilidade, atigindo uma degradação em performance de 30X, com respeito à operação próxima ao limiar do transistor.