Transistores de Efeito de Campo Sensíveis a Íons (ISFETs) revolucionaram a tecnologia de sensores químicos e de pH por serem pequenos e compatíveis com tecnologias de microfabricação em grande escala. Nós desenvolvemos uma metodologia para fabricar e caracterizar sensores ISFET para medida de pH no laboratório de microeletrônica da UFRGS. Sensores ISFET do tipo NMOS com camadas de silica e alumina foram fabricados com tecnologa CMOS padrão. Transistores de W=1000 m e L=10 m foram fabricados em conjunto para monitorar o processo de fabricação através de medidas de Capacitância- Tensão (C-V) e Corrente-Tensão (I-V). Os dispositivos foram colados em suportes de circuito impresso, manualmente microsoldados e encapsulados com cola epoxy. Com o dispotivo na ponta, o suporte foi conectado a um Analisador de Parâmetros de Semicondutores em conjunto com um eletrodo de referência comercial de Ag/AgCl e imersos em soluções de pH diferente para a realização de medidas de pH. A sensibilidade à variação de pH, definida como a variação na tensão de limiar devido a presença do eletrólito, para os sensores de silica foi de 30mV/pH em ácidos e 24mV/pH para bases. Sensores de alumina tiveram uma performance muito superior e exibiram sensibilidade de 32mV/pH em ácidos e 48mV/pH em bases. A tecnologia de fabricação e o conhecimento experimental desenvolvidos nesse trabalho fornecem uma fundação essencial para projetos de pesquisa locais que buscam a aplicação de sensores de estado sólido no sensoriamento de sistemas químicos ou biológicos.

Transistores de Efeito de Campo Sensíveis a Íons (ISFETs) revolucionaram a tecnologia de sensores químicos e de pH por serem pequenos e compatíveis com tecnologias de microfabricação em grande escala. Nós desenvolvemos uma metodologia para fabricar e caracterizar sensores ISFET para medida de pH no laboratório de microeletrônica da UFRGS. Sensores ISFET do tipo NMOS com camadas de silica e alumina foram fabricados com tecnologa CMOS padrão. Transistores de W=1000 m e L=10 m foram fabricados em conjunto para monitorar o processo de fabricação através de medidas de Capacitância- Tensão (C-V) e Corrente-Tensão (I-V). Os dispositivos foram colados em suportes de circuito impresso, manualmente microsoldados e encapsulados com cola epoxy. Com o dispotivo na ponta, o suporte foi conectado a um Analisador de Parâmetros de Semicondutores em conjunto com um eletrodo de referência comercial de Ag/AgCl e imersos em soluções de pH diferente para a realização de medidas de pH. A sensibilidade à variação de pH, definida como a variação na tensão de limiar devido a presença do eletrólito, para os sensores de silica foi de 30mV/pH em ácidos e 24mV/pH para bases. Sensores de alumina tiveram uma performance muito superior e exibiram sensibilidade de 32mV/pH em ácidos e 48mV/pH em bases. A tecnologia de fabricação e o conhecimento experimental desenvolvidos nesse trabalho fornecem uma fundação essencial para projetos de pesquisa locais que buscam a aplicação de sensores de estado sólido no sensoriamento de sistemas químicos ou biológicos.

Este trabalho tem como foco a aplicação de técnicas de otimização de potência no alto nível de abstração para circuitos CMOS, e em particular no nível arquitetural e de transferência de registrados (Register Transfer Leve - RTL). Diferentes arquiteturas para projetos especificos de algorítmos de filtros FIR e transformada rápida de Fourier (FFT) são implementadas e comparadas. O objetivo é estabelecer uma metodologia de projeto para baixa potência neste nível de abstração. As técnicas de redução de potência abordadas tem por obetivo a redução da atividade de chaveamento através das técnicas de exploração arquitetural e codificação de dados. Um dos métodos de baixa potência que tem sido largamente utilizado é a codificação de dados para a redução da atividade de chaveamento em barramentos. Em nosso trabalho, é investigado o processo de codificação dos sinais para a obtenção de módulos aritméticos eficientes em termos de potência que operam diretamente com esses códigos. O objetivo não consiste somente na redução da atividade de chavemanto nos barramentos de dados mas também a minimização da complexidade da lógica combinacional dos módulos. Nos algorítmos de filtros FIR e FFT, a representação dos números em complemento de 2 é a forma mais utilizada para codificação de operandos com sinal. Neste trabalho, apresenta-se uma nova arquitetura para operações com sinal que mantém a mesma regularidade um multiplicador array convencional. Essa arquitetura pode operar com números na base 2m, o que permite a redução do número de linhas de produtos parciais, tendo-se desta forma, ganhos significativos em desempenho e redução de potência. A estratégia proposta apresenta resultados significativamente melhores em relação ao estado da arte. A flexibilidade da arquitetura proposta permite a construção de multiplicadores com diferentes valores de m. Dada a natureza dos algoritmos de filtro FIR e FFT, que envolvem o produto de dados por apropriados coeficientes, procura-se explorar o ordenamento ótimo destes coeficientes nos sentido de minimizar o consumo de potência das arquiteturas implementadas.

Este trabalho tem como foco a aplicação de técnicas de otimização de potência no alto nível de abstração para circuitos CMOS, e em particular no nível arquitetural e de transferência de registrados (Register Transfer Leve - RTL). Diferentes arquiteturas para projetos especificos de algorítmos de filtros FIR e transformada rápida de Fourier (FFT) são implementadas e comparadas. O objetivo é estabelecer uma metodologia de projeto para baixa potência neste nível de abstração. As técnicas de redução de potência abordadas tem por obetivo a redução da atividade de chaveamento através das técnicas de exploração arquitetural e codificação de dados. Um dos métodos de baixa potência que tem sido largamente utilizado é a codificação de dados para a redução da atividade de chaveamento em barramentos. Em nosso trabalho, é investigado o processo de codificação dos sinais para a obtenção de módulos aritméticos eficientes em termos de potência que operam diretamente com esses códigos. O objetivo não consiste somente na redução da atividade de chavemanto nos barramentos de dados mas também a minimização da complexidade da lógica combinacional dos módulos. Nos algorítmos de filtros FIR e FFT, a representação dos números em complemento de 2 é a forma mais utilizada para codificação de operandos com sinal. Neste trabalho, apresenta-se uma nova arquitetura para operações com sinal que mantém a mesma regularidade um multiplicador array convencional. Essa arquitetura pode operar com números na base 2m, o que permite a redução do número de linhas de produtos parciais, tendo-se desta forma, ganhos significativos em desempenho e redução de potência. A estratégia proposta apresenta resultados significativamente melhores em relação ao estado da arte. A flexibilidade da arquitetura proposta permite a construção de multiplicadores com diferentes valores de m. Dada a natureza dos algoritmos de filtro FIR e FFT, que envolvem o produto de dados por apropriados coeficientes, procura-se explorar o ordenamento ótimo destes coeficientes nos sentido de minimizar o consumo de potência das arquiteturas implementadas.

Este trabalho consiste no estudo acerca da técnica de redundância modular tripla usando circuitos aproximados para tolerância a falhas transientes em circuitos digitais. O uso da técnica redundância modular tripla tradicional, conhecida como TMR, garante mascaramento lógico total contra falhas transiente únicas para um dado circuito. No entanto a técnica TMR apresenta um custo extra em área de no mínimo 200% quando comparado com o circuito original. De modo a reduzir o custo extra em área sem comprometer significativamente a cobertura de falhas, a TMR pode usar uma abordagem de circuitos aproximados para gerar módulos redundantes, estes sendo otimizados em área quando comparados com o módulo original. Estudos iniciais desta técnica demonstraram que é possível obter um bom equilíbrio entre custo extra de área e capacidade de mascaramento de falhas. Neste trabalho, aprofundamos a análise desta abordagem utilizando um novo método para computar as funções lógicas aproximadas e a seleção da melhor composição e estrutura dos circuitos aproximados, buscando a maior cobertura a falhas possível. Usamos circuitos TMR compostos por lógica aproximada contendo portas lógicas complexas com lógica aproximada ou com portas lógicas em multi-nível. Todos os testes foram feitos através de injeção de falhas em nível elétrico e em nível lógico. Resultados mostraram que a área pode ser reduzida significativamente, de 200% para próximo de 85%, e ainda sim alcançar um mascaramento de falhas superior a 95%. / This work consists in the study about the fault tolerance technique TMR in conjunction with approximate computing to mitigate transient faults in digital circuits. The use of Triple Modular Redundancy (TMR) with majority voters can guarantee full single fault masking coverage for a given circuit against transient faults. However, it presents a minimum area overhead of 200% compared to the original circuit. In order to reduce area overhead without compromising significantly the fault coverage, TMR can use approximated circuits approach to generate redundant modules that are optimized in area compared to the original module. Initial studies of this technique have shown that it is possible to reach a good balance between fault coverage and area overhead cost. In this work, we do a further analysis of this approach by using a new method to compute approximate functions and to select the best combinations of approximate circuits targeting the highest fault coverage possible. We use TMR circuits composed exclusively by complex gates and multi-level logic gates. All the tests are done using electrical fault injection, using NGSPICE, and in logical level using the fault injection tool designed specifically for this study. Results show that area overhead can be reduced greatly from 200% to 85%and still reaching fault coverage of more than 95%.

Este trabalho tem como foco a aplicação de técnicas de otimização de potência no alto nível de abstração para circuitos CMOS, e em particular no nível arquitetural e de transferência de registrados (Register Transfer Leve - RTL). Diferentes arquiteturas para projetos especificos de algorítmos de filtros FIR e transformada rápida de Fourier (FFT) são implementadas e comparadas. O objetivo é estabelecer uma metodologia de projeto para baixa potência neste nível de abstração. As técnicas de redução de potência abordadas tem por obetivo a redução da atividade de chaveamento através das técnicas de exploração arquitetural e codificação de dados. Um dos métodos de baixa potência que tem sido largamente utilizado é a codificação de dados para a redução da atividade de chaveamento em barramentos. Em nosso trabalho, é investigado o processo de codificação dos sinais para a obtenção de módulos aritméticos eficientes em termos de potência que operam diretamente com esses códigos. O objetivo não consiste somente na redução da atividade de chavemanto nos barramentos de dados mas também a minimização da complexidade da lógica combinacional dos módulos. Nos algorítmos de filtros FIR e FFT, a representação dos números em complemento de 2 é a forma mais utilizada para codificação de operandos com sinal. Neste trabalho, apresenta-se uma nova arquitetura para operações com sinal que mantém a mesma regularidade um multiplicador array convencional. Essa arquitetura pode operar com números na base 2m, o que permite a redução do número de linhas de produtos parciais, tendo-se desta forma, ganhos significativos em desempenho e redução de potência. A estratégia proposta apresenta resultados significativamente melhores em relação ao estado da arte. A flexibilidade da arquitetura proposta permite a construção de multiplicadores com diferentes valores de m. Dada a natureza dos algoritmos de filtro FIR e FFT, que envolvem o produto de dados por apropriados coeficientes, procura-se explorar o ordenamento ótimo destes coeficientes nos sentido de minimizar o consumo de potência das arquiteturas implementadas.

Made available in DSpace on 2016-04-20T12:04:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000478185-Texto+Completo-0.pdf: 3498426 bytes, checksum: 534aec97d6aa9dfc7b535a7f65087ae1 (MD5) Previous issue date: 2016 / Although the advancement of semiconductor technology enable the fabrication of devices with increasingly reduced propagation delay, potentially leading to higher operating frequencies, manufacturing process variability grows very aggressively in modern processes. To cope with growing variability phenomena, significant delay margins need to be added to clock signal’s periods, to ensure timing closure, which limits performance gains and constrains power efficiency. Among the several techniques that have been explored in the last decades to address these problems, three are quite relevant and promising either in isolation or combined: voltage scaling, asynchronous circuits and resilient architectures. This work investigates how voltage scaling affects circuit path delays, and produces three sets of original contributions. The first set establishes a technique to ensure that circuits synthesized with a reduced library achieve results comparable to the full library, while keeping functionality at low supply voltages. The second set of contributions composes a method to extend the voltage corners supported by standard cell libraries. This takes place through new library characterization techniques. The third set of contributions provides insights on the effects of voltage scaling in the design of resilient circuits. This analysis evaluates supply voltages in super- and sub-threshold levels. / Embora o avanço da tecnologia de semicondutores permita a fabricação de dispositivos com atrasos de propagação reduzidos, potencialmente habilitando o aumento da frequência de operação, as variações em processos de fabricação modernos crescem de forma muito agressiva. Para lidar com este problema, significativas margens de atraso devem ser adicionadas ao período de sinais de relógio, limitando os ganhos em desempenho e a eficiência energética do circuito. Entre as diversas técnicas exploradas nas últimas décadas para amenizar esta dificuldade, três se destacam como relevantes e promissoras, isoladas ou combinadas: a redução da tensão de alimentação, o uso de projeto assíncrono e arquiteturas resilientes. Este trabalho investiga como a redução de tensão de alimentação afeta os atrasos de caminhos em circuitos digitais, e produz três contribuições originais. A primeira é a definição uma técnica para garantir que circuitos sintetizados com um conjunto reduzido de células atinjam resultados comparaveis aos da biblioteca completa, mantendo a sua funcionalidade mesmo quando alimentados por tensões reduzidas. A segunda é a composição de um método para estender o suporte a níveis de tensão de alimentação para bibliotecas de células padrão providas por fabicantes de CIs, através de novas técnicas de caracterização de bibliotecas. A terceira é a análise dos efeitos do escalamento de tensão no projeto de circuitos resilientes, considerando tensões de alimentação superiores e inferiores à tensão de limiar dos transistores.

Este trabalho consiste no estudo acerca da técnica de redundância modular tripla usando circuitos aproximados para tolerância a falhas transientes em circuitos digitais. O uso da técnica redundância modular tripla tradicional, conhecida como TMR, garante mascaramento lógico total contra falhas transiente únicas para um dado circuito. No entanto a técnica TMR apresenta um custo extra em área de no mínimo 200% quando comparado com o circuito original. De modo a reduzir o custo extra em área sem comprometer significativamente a cobertura de falhas, a TMR pode usar uma abordagem de circuitos aproximados para gerar módulos redundantes, estes sendo otimizados em área quando comparados com o módulo original. Estudos iniciais desta técnica demonstraram que é possível obter um bom equilíbrio entre custo extra de área e capacidade de mascaramento de falhas. Neste trabalho, aprofundamos a análise desta abordagem utilizando um novo método para computar as funções lógicas aproximadas e a seleção da melhor composição e estrutura dos circuitos aproximados, buscando a maior cobertura a falhas possível. Usamos circuitos TMR compostos por lógica aproximada contendo portas lógicas complexas com lógica aproximada ou com portas lógicas em multi-nível. Todos os testes foram feitos através de injeção de falhas em nível elétrico e em nível lógico. Resultados mostraram que a área pode ser reduzida significativamente, de 200% para próximo de 85%, e ainda sim alcançar um mascaramento de falhas superior a 95%. / This work consists in the study about the fault tolerance technique TMR in conjunction with approximate computing to mitigate transient faults in digital circuits. The use of Triple Modular Redundancy (TMR) with majority voters can guarantee full single fault masking coverage for a given circuit against transient faults. However, it presents a minimum area overhead of 200% compared to the original circuit. In order to reduce area overhead without compromising significantly the fault coverage, TMR can use approximated circuits approach to generate redundant modules that are optimized in area compared to the original module. Initial studies of this technique have shown that it is possible to reach a good balance between fault coverage and area overhead cost. In this work, we do a further analysis of this approach by using a new method to compute approximate functions and to select the best combinations of approximate circuits targeting the highest fault coverage possible. We use TMR circuits composed exclusively by complex gates and multi-level logic gates. All the tests are done using electrical fault injection, using NGSPICE, and in logical level using the fault injection tool designed specifically for this study. Results show that area overhead can be reduced greatly from 200% to 85%and still reaching fault coverage of more than 95%.

Este trabalho consiste no estudo acerca da técnica de redundância modular tripla usando circuitos aproximados para tolerância a falhas transientes em circuitos digitais. O uso da técnica redundância modular tripla tradicional, conhecida como TMR, garante mascaramento lógico total contra falhas transiente únicas para um dado circuito. No entanto a técnica TMR apresenta um custo extra em área de no mínimo 200% quando comparado com o circuito original. De modo a reduzir o custo extra em área sem comprometer significativamente a cobertura de falhas, a TMR pode usar uma abordagem de circuitos aproximados para gerar módulos redundantes, estes sendo otimizados em área quando comparados com o módulo original. Estudos iniciais desta técnica demonstraram que é possível obter um bom equilíbrio entre custo extra de área e capacidade de mascaramento de falhas. Neste trabalho, aprofundamos a análise desta abordagem utilizando um novo método para computar as funções lógicas aproximadas e a seleção da melhor composição e estrutura dos circuitos aproximados, buscando a maior cobertura a falhas possível. Usamos circuitos TMR compostos por lógica aproximada contendo portas lógicas complexas com lógica aproximada ou com portas lógicas em multi-nível. Todos os testes foram feitos através de injeção de falhas em nível elétrico e em nível lógico. Resultados mostraram que a área pode ser reduzida significativamente, de 200% para próximo de 85%, e ainda sim alcançar um mascaramento de falhas superior a 95%. / This work consists in the study about the fault tolerance technique TMR in conjunction with approximate computing to mitigate transient faults in digital circuits. The use of Triple Modular Redundancy (TMR) with majority voters can guarantee full single fault masking coverage for a given circuit against transient faults. However, it presents a minimum area overhead of 200% compared to the original circuit. In order to reduce area overhead without compromising significantly the fault coverage, TMR can use approximated circuits approach to generate redundant modules that are optimized in area compared to the original module. Initial studies of this technique have shown that it is possible to reach a good balance between fault coverage and area overhead cost. In this work, we do a further analysis of this approach by using a new method to compute approximate functions and to select the best combinations of approximate circuits targeting the highest fault coverage possible. We use TMR circuits composed exclusively by complex gates and multi-level logic gates. All the tests are done using electrical fault injection, using NGSPICE, and in logical level using the fault injection tool designed specifically for this study. Results show that area overhead can be reduced greatly from 200% to 85%and still reaching fault coverage of more than 95%.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Exatas, Departamento de Ciência da Computação, 2018. / Técnicas de projeto de circuitos digitais atualmente se baseiam principalmente em métodos top-down, que utilizam um conjunto de regras e restrições para auxiliar a construção do projeto. Por conta disso, ainda há um espaço desconhecido de soluções para vários problemas. Algoritmos genéticos, por outro lado, constroem soluções utilizando uma metodologia bottom-up, e provaram-se úteis para problemas de alta complexidade e de otimização. Este trabalho propõe uma nova abordagem para o projeto de circuitos sequenciais utilizando algoritmos genéticos para explorar soluções fora do espaço alcançado atualmente pelo estado da arte. Trabalhos recentes têm um foco grande em evoluir apenas a parte combinacional dos circuitos sequenciais, ou seja, suas funções de transição e saída. Neste projeto, armazenamento e funcionalidade são ambos levados em conta, permitindo que a evolução use dos dois para alcançar seu objetivo. Os experimentos realizados nos circuitos básicos assíncronos, em ordem crescente de complexidade, latches SR, D, XOR, JK, D multiplexada, de duas portas e BILBO, e também nos circuitos síncronos flipflop D e paridade-2, mostram que é possível encontrar soluções inovadoras, algumas com características como melhor utilização de espaço, para esses tipos de circuito. / Current digital circuit design techniques are based on top-down methods, which depend on a set of rules and restrictions made to help the design process. Because of that, there is still an unknown space of solutions for many problems. Genetic algorithms, on the other hand, build solutions by using a bottom-up methodology and have proven themselves useful for high complexity and optimization problems. This work proposes a new approach to the design of sequential circuits by using genetic algorithms to explore solutions outside the design space currently reached by the state of the art. Recent works focus mainly on evolving the combinational part of a sequential circuit, that is, its transition and output functions. In this project, both the mechanism used for storing and its functionality are taken into account, allowing the genetic algorithm to manipulate both in its search. The experiments done on the basic asynchronous circuits, in increasing complexity, SR, D, XOR, JK, multiplexed D, two port and BILBO latches, and on the synchronous circuits D flip-flop and 2 bit parity circuits show that it is possible to find novel solutions, some with improvements such as better space usage, for these kinds of circuits.