The demand to integrate more features has significantly increased the complexity and power consumption of smart portable devices. Therefore extending the battery life-time has become a major challenge and new approaches are required to decrease the power consumed from the source. Traditionally the focus has been on reducing the dynamic power consumption of the digital circuits used in these devices. However as process technologies scale, reducing the dynamic power has become less effective due to the increased impact of the leakage power. Alternatively, a more effective approach to minimize the power consumption is to continuously optimize the ratio of the dynamic and leakage power while delivering the required performance. This works presents a novel power-aware system for dynamic minimum power point tracking of digital loads in portable applications. The system integrates a dc-dc converter power-stage and the supplied digital circuit. The integrated dc-dc converter IC utilizes a mixed-signal current program mode (CPM) controller to regulate the supply voltage of the digital load IC. This embedded converter inherently measures the power consumption of the load in real-time, eliminating the need for additional power sensing circuitry. Based on the information available in the CPM controller, a minimum power point tracking (MiPPT) controller sets the supply and threshold voltages for the digital load to minimize its power consumption while maintaining a target frequency. The 10MHz mixed-signal CPM controlled dc-dc converter and the digital load are fabricated in 0.13µm IBM technology. Experimental results verify that the introduced system results in up to 30% lower power consumption from the battery source.

The demand to integrate more features has significantly increased the complexity and power consumption of smart portable devices. Therefore extending the battery life-time has become a major challenge and new approaches are required to decrease the power consumed from the source. Traditionally the focus has been on reducing the dynamic power consumption of the digital circuits used in these devices. However as process technologies scale, reducing the dynamic power has become less effective due to the increased impact of the leakage power. Alternatively, a more effective approach to minimize the power consumption is to continuously optimize the ratio of the dynamic and leakage power while delivering the required performance. This works presents a novel power-aware system for dynamic minimum power point tracking of digital loads in portable applications. The system integrates a dc-dc converter power-stage and the supplied digital circuit. The integrated dc-dc converter IC utilizes a mixed-signal current program mode (CPM) controller to regulate the supply voltage of the digital load IC. This embedded converter inherently measures the power consumption of the load in real-time, eliminating the need for additional power sensing circuitry. Based on the information available in the CPM controller, a minimum power point tracking (MiPPT) controller sets the supply and threshold voltages for the digital load to minimize its power consumption while maintaining a target frequency. The 10MHz mixed-signal CPM controlled dc-dc converter and the digital load are fabricated in 0.13µm IBM technology. Experimental results verify that the introduced system results in up to 30% lower power consumption from the battery source.

Afin de suivre le rythme effréné des évolutions des systèmes embarqués et des dispositifs portables, il s’avère aujourd’hui indispensable d’optimiser la gestion de l’énergie sans pour autant compromettre la performance et la robustesse des circuits. Dans ce contexte, cette thèse étudie de nouveaux dispositifs de gestion de l’énergie ainsi que leur mise en œuvre, en combinant deux approches: la logique asynchrone et les techniques de polarisation du substrat (Adaptive Body Biasing - ABB). Cette thèse comporte quatre contributions permettant la conception de circuits asynchrones énergétiquement plus efficaces. 1) Une unité arithmétique et logique (UAL) asynchrone quasi insensible aux délais (Quasi Delay Insensitive - QDI) a été conçue et utilisée pour mener une analyse comparative entre systèmes synchrones et asynchrones. Cette étude démontre notamment  la meilleure efficacité énergétique et la plus grande robustesse des circuits asynchrones QDI, surtout lorsqu’ils fonctionnent à basse tension. 2) Une cellule standard a été spécialement développée pour mettre en œuvre nos schémas d’adaptation dynamique du substrat (ABB) qui ajustent la tension de seuil (Vth) des transistors. En outre, cette cellule s’est révélée très utile pour la détection de fautes transitoires causées par des radiations environnementales. Cette cellule est en outre un élément clé pour exploiter la polarisation du substrat, un des intérêts majeurs de la technologie FD-SOI, et d’améliorer la fiabilité du système. 3) Trois stratégies de polarisation de substrat ont été évaluées. Ces stratégies reposent sur la détection automatique de l’activité des circuits asynchrones QDI et de la polarisation de multiples domaines dans le substrat (Body Biasing Domains - BBD). De plus, une méthode pour analyser l’efficacité énergétique des stratégies de polarisation pour les circuits asynchrones QDI a également été proposée dans le cadre de cette thèse. 4) Enfin, un flot de conception de circuits numériques intégrés a été proposé et développé. Ce flot, basé sur des cellules standards, permet d’exploiter des stratégies de polarisation (ABB) avec plusieurs domaines (BBD) en utilisant la cellule standard spécialement développée. Un testchip a été conçu et fabriqué pour valider notre flot de conception et évaluer l’efficacité de la cellule proposée. / Keeping the fast evolving pace of embedded systems of portable devices require ameliorations of power management techniques, without compromising the circuit performance and robustness. In this context, this thesis studies novel energy management schemes, and how to implement them, by using two main design approaches: asynchronous logic and adaptive body biasing (ABB) techniques. Four main contributions have been done, thus enabling the design of more energy efficient asynchronous circuits. 1) We contributed with the design of a Quasi-delay Insensitive (QDI) asynchronous ALU architecture, used in a comparative analysis of asynchronous versus synchronous systems. This first study has demonstrated the energy efficiency and robustness of QDI circuits, especially if operating at low power supply (Vdd ). 2) We proposed a new body built-in cell for implementing ABB schemes by tuning the circuit threshold voltage (Vth) on-the-fly; and detecting short-duration and long-duration transient faults (TF) caused by environmental radiation. The proposed cell is a key building block to fully benefit from body biasing features of the FD-SOI technology while enhancing system’s reliability. 3) We assessed three different ABB strategies - based on automatic activity detection and multiple body-biasing domains (BBDs) - for QDI asynchronous circuits. Furthermore, a methodology for analyzing energy efficiency of ABB strategies in QDI asynchronous circuits is also proposed in this work. 4) We developed a standard cell-based IC design flow to apply ABB strategies with multiple BBDs by using the proposed body built-in cells. A testchip has been designed and fabricated to validate the developed design flow and the efficacy of the body built-in cell.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(情報学) / 甲第20778号 / 情博第658号 / 新制||情報||113(附属図書館) / 京都大学大学院情報学研究科通信情報システム専攻 / (主査)教授 小野寺 秀俊, 教授 佐藤 高史, 教授 黒橋 禎夫 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Informatics / Kyoto University / DFAM

Au-delà du nœud technologique CMOS BULK 28nm, certaines limites ont été atteintes dans l'amélioration des performances en raison notamment d'une consommation énergétique devenant trop importante. C'est une des raisons pour lesquelles de nouvelles technologies ont été développées, notamment celles basées sur Silicium sur Isolant (SOI). Par ailleurs, la généralisation des architectures complexes de type multi-cœurs, accentue le problème de gestion de la consommation à grain-fin. Les technologies CMOS FD-SOI offrent de nouvelles opportunités pour la gestion de la consommation en permettant d'ajuster, outre les paramètres usuels que sont la tension d'alimentation et la fréquence d'horloge, la tension de body bias. C'est dans ce contexte que ce travail étudie les nouvelles possibilités offertes et explore des solutions innovantes de gestion dynamique de la tension d'alimentation, fréquence d'horloge et tension de body bias afin d'optimiser la consommation énergétique des systèmes sur puce. L'ensemble des paramètres tensions/fréquence permettent une multitude de points de fonctionnement, qui doivent satisfaire des contraintes de fonctionnalité et de performance. Ce travail s'intéresse donc dans un premier temps à une problématique de conception, en proposant une méthode d'optimisation du placement de ces points de fonctionnement. Une solution analytique permettant de maximiser le gain en consommation apporté par l'utilisation de plusieurs points de fonctionnement est proposée. La deuxième contribution importante de cette thèse concerne la gestion dynamique de la tension d'alimentation, de la fréquence et de la tension de body bias, permettant d'optimiser l'efficacité énergétique en se basant sur le concept de convexité. La validation expérimentale des méthodes proposées s'appuie sur des échantillons de circuits réels, et montre des gains en consommation moyens allant jusqu'à 35%. / Beyond 28nm CMOS BULK technology node, some limits have been reached in terms of performance improvements. This is mainly due to the increasing power consumption. This is one of the reasons why new technologies have been developed, including those based on Silicon-On-Insulator (SOI). Moreover, the standardization of complex architectures such as multi-core architectures emphasizes the problem of power management at fine-grain. FD-SOI technologies offer new power management opportunities by adjusting, in addition to the usual parameters such as supply voltage and clock frequency, the body bias voltage. In this context, this work explores new opportunities and searches novel solutions for dynamically manage supply voltage, clock frequency and body bias voltage in order to optimize the power consumption of System on Chip.Adjusting supply voltage, frequency and body bias parameters allows multiple operating points, which must satisfy the constraints of functionality and performance. This work focuses initially at design time, proposing a method to optimize the placement of these operating points. An analytical solution to maximize power savings achieved through the use of several operating points is provided. The second important contribution of this work is a method based on convexity concept to dynamically manage the supply voltage, the frequency and the body bias voltage so as to optimize the energy efficiency. The experimental results based on real circuits show average power savings reaching 35%.