Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2013-12-05T23:12:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 318856.pdf: 1230228 bytes, checksum: e1a7c96794e382372e29e54b3e261525 (MD5) Previous issue date: 2013 / A minimização da corrente de leakage é um passo essencial do projeto de circuitos digitais, uma vez que nas tecnologias CMOS recentes a potência de leakage tornou-se comparável à potência dinâmica. Gate sizing é uma técnica amplamente utilizada para minimização da potência de leakage devido à sua eficácia e ao baixo impacto que ele causa no fluxo standard cell. Em tal fluxo, o problema de sizing corresponde a selecionar, para cada porta do circuito, uma combinação de largura de porta e tensão de threshold disponível na biblioteca de células, de modo a satisfazer as restrições de projeto. A natureza discreta do problema, a qual o torna NP-difícil, e o grande número de portas nos circuitos contemporâneos têm motivado a busca por heurísticas eficientes, que sejam capazes de resolvê-lo em tempo de execução aceitável. Este trabalho apresenta três contribuições principais ao estado da arte. A primeira é uma formulação aperfeiçoada para o problema de sizing discreto baseada em Relaxação Lagrangeana (LR), a qual considera valores máximos de slew de entrada e de capacitância de saída das portas, impostas pelas bibliotecas standard cell. A segunda é uma heurística topológica gulosa para resolver a formulação LR proposta utilizando informações locais para guiar as decisões do algoritmo. A terceira contribuição reside em uma técnica híbrida de três passos para superar algumas das limitações da heurística topológica gulosa. Tal técnica híbrida inicia resolvendo a formulação LR assumindo um atraso crítico ligeiramente maior do que o atraso crítico-alvo e em seguida, aplica uma heurística rápida de recuperação de atraso para que o atraso crítico-alvo original seja satisfeito. Como terceiro passo, é usada uma heurística de recuperação de potência para reduzir ainda mais a potência de leakage explorando o espaço para otimização deixado pelos dois passos anteriores. Os experimentos práticos foram gerados utilizando-se a infraestrutura da Competição de Sizing Discreto do ISPD2012, a qual provê uma base comum para comparações justas com os trabalhos correlates mais recentes. Os resultados experimentais para a formulação LR usando a heurística topológica gulosa foram comparados com os resultados obtidos pelas três equipes melhor classificadas na Competição do ISPD 2012, os quais representavam o estado da arte no momento em que tais experimentos foram realizados. A potência de leakage obtida é, em média, 18,9%, 16,7% e 43,8% menor do que aquelas obtidas pelas três melhores equipes da Competição do ISPD2012, respectivamente, ao passo que o tempo de execução total é 38, 31 e 39 vezes menor. Com relação à técnica híbrida, a potência de leakage obtida é, em média, 8,15\\\\% menor do que aquela relatada pelo trabalho que representa o estado da arte na ocasião em que estes experimentos foram realizados, sendo o tempo total de execução uma ordem de magnitude menor. É Importante ressaltar que o trabalho estado da arte referido já havia superado as três melhores equipes da Competição do ISPD2012. <br>

Os avanços na microeletrônica contribuíram para a redução de tamanho do nó tecnológico, diminuindo a tensão de limiar e aumentando a freqüência de operação dos sistemas. Embora tenha resultado em ganhos positivos relacionados ao desempenho e ao consumo de energia dos circuitos VLSI, a miniaturização também tem um impacto negativo em termos de confiabilidade dos projetos. À medida que a tecnologia diminui, os circuitos estão se tornando mais suscetíveis a inúmeros efeitos devido à redução da robustez ao ruído externo, bem como ao aumento do grau de incerteza relacionado às muitas fontes de variabilidade. As técnicas de tolerancia a falhas geralmente são usadas para melhorar a robustez das aplicações de segurança crítica. No entanto, as implicações da redução da tecnologia interferem na eficácia de tais abordagem em fornecer a cobertura de falhas desejada. Por esse motivo, este trabalho avaliou a robustez aos efeitos de radiação de diferentes circuitos projetados na tecnologia FinFET sob efeitos de variabilidade. Para determinar as melhores opções de projeto para implementar técnicas de tolerancia a falhas, como os esquemas de Redundância de módulo triplo (TMR) e/ou duplicação com comparação (DWC), o conjunto de circuitos analisados é composto por dez diferentes topologias de porta lógica OR-exclusivo (XOR) e dois circuitos votadores maioritários (MJV). Para investigar o efeito da configuração do gate dos dispositivos FinFET, os circuitos XOR são analisados usando a configuração de double-gate (DG FinFET) e tri-gate (TG FinFET). A variabilidade ambiental, como variabilidade de temperatura e tensão, são avaliadas no conjunto de circuitos analisados. Além disso, o efeito da variabilidade de processo Work-Function Fluctuation (WFF) também é avaliado. A fim de fornecer um estudo mais preciso, o projeto do leiaute dos circuitos MJV usando 7nm FinFET PDK é avaliado pela ferramenta preditiva MUSCA SEP3 para estimar o Soft-Error Rate (SER) dos circuitos considerando as características do leiaute e as camadas de Back-End-Of-Line (BEOL) e Front-End-Of-Line (FEOL) de um nó tecnológico avançado. / Advances in microelectronics have contributed to the size reduction of the technological node, lowering the threshold voltage and increasing the operating frequency of the systems. Although it has positive outcomes related to the performance and power consumption of VLSI circuits, it does also have a strong negative impact in terms of the reliability of designs. As technology scales down, the circuits are becoming more susceptible to numerous effects due to the reduction of robustness to external noise as well as the increase of uncertainty degree related to the many sources of variability. Faulttolerant techniques are usually used to improve the robustness of safety critical applications. However, the implications of the scaling of technology have interfered against the effectiveness of fault-tolerant approaches to provide the fault coverage. For this reason, this work has evaluated the radiation robustness of different circuits designed in FinFET technology under variability effects. In order to determine the best design options to implement fault-tolerant techniques such as the Triple-Module Redundancy (TMR) and/or Duplication with Comparison (DWC) schemes, the set of analyzed circuits is composed of ten different exclusive-OR (XOR) logic gate topologies and two majority voter (MJV) circuits. To investigate the effect of gate configuration of FinFET devices, the XOR circuits is analyzed using double-gate configuration (DG FinFET) and tri-gate configuration (TG FinFET). Environmental Variability such as Temperature and Voltage Variability are evaluated in the set of analyzed circuits. Additionally, the process-related variability effect Work-Function Fluctuation (WFF) is also evaluated. In order to provide a more precise study, the layout design of the MJV circuits using a 7nm FinFET PDK is evaluated by the predictive MUSCA SEP3 tool to estimate the Soft-Error Rate (SER) of the circuits considering the layout contrainsts and Back-End-Of-Line (BEOL) and Front-End-Of-Line (FEOL) layers of an advanced technology node.

O recente avanço da indústria de semicondutores tem possibilitado a integração de componentes complexos e arquiteturas de sistemas dentro de um único chip de silício. Atualmente, FPGAs do estado da arte incluem, não apenas a matriz de lógica programável, mas também outros blocos de hardware, como processadores de propósito geral, blocos de processamento dedicado, interfaces para vários periféricos, estruturas de barramento internas ao chip, e blocos analógicos. Estes novos dispositivos são comumente chamados de Sistemasem-Chip Totalmente Programáveis (APSoCs). Uma das maiores preocupações acerca dos efeitos da radiação em APSoCs é o fato de que erros induzidos pela radiação podem ter diferente probabilidade e criticalidade em seus blocos de hardware heterogêneos, em ambos os níveis de dispositivo e projeto. Por esta razão, este trabalho realiza uma investigação profunda acerca dos efeitos da radiação em APSoCs e da correlação entre a sensibilidade de recursos de hardware e software na performance geral do sistema. Diversos experimentos estáticos e dinâmicos inéditos foram realizados nos blocos de hardware de um APSoC a fim de melhor entender as relações entre confiabilidade e performance de cada parte separadamente. Os resultados mostram que há um comprometimento a ser analisado entre o desempenho e a área de choque de um projeto durante o desenvolvimento de um sistema em um APSoC. Desse modo, é fundamental levar em consideração cada opção de projeto disponível e todos os parâmetros do sistema envolvidos, como o tempo de execução e a carga de trabalho, e não apenas a sua seção de choque. Exemplificativamente, os resultados mostram que é possível aumentar o desempenho de um sistema em até 5.000 vezes com um pequeno aumento na sua seção de choque de até 8 vezes, aumentando assim a confiabilidade operacional do sistema. Este trabalho também propõe um fluxo de análise de confiabilidade baseado em injeções de falhas para estimar a tendência de confiabilidade de projetos somente de hardware, de software, ou de hardware e software. O fluxo objetiva acelerar a procura pelo esquema de projeto com a melhor relação entre performance e confiabilidade dentre as opções possíveis. A metodologia leva em consideração quatro grupos de parâmetros, os quais são: recursos e performance; erros e bits críticos; medidas de radiação, tais como seções de choque estáticas e dinâmicas; e, carga de trabalho média entre falhas. Os resultados obtidos mostram que o fluxo proposto é um método apropriado para estimar tendências de confiabilidade de projeto de sistemas em APSoCs antes de experimentos com radiação. / The recent advance of the semiconductor industry has allowed the integration of complex components and systems’ architectures into a single silicon die. Nowadays, state-ofthe-art FPGAs include not only the programmable logic fabric but also hard-core parts, such as hard-core general-purpose processors, dedicated processing blocks, interfaces to various peripherals, on-chip bus structures, and analog blocks. These new devices are commonly called of All Programmable System-on-Chip (APSoC) devices. One of the major concerns about radiation effects on APSoCs is that radiation-induced errors may have different probability and criticality in their heterogeneous hardware parts at both device and design levels. For this reason, this work performs a deep investigation about the radiation effects on APSoCs and the correlation between hardware and software resources sensitivity in the overall system performance. Several static and dynamic experiments were performed on different hardware parts of an APSoC to better understand the trade-offs between reliability and performance of each part separately. Results show that there is a trade-off between design cross section and performance to be analyzed when developing a system on an APSoC. Therefore, today it is mandatory to take into account each design option available and all the parameters of the system involved, such as the execution time and the workload of the system, and not only its cross section. As an example, results show that it is possible to increase the performance of a system up to 5,000 times by changing its architecture with a small impact in cross section (increase up to 8 times), significantly increasing the operational reliability of the system. This work also proposes a reliability analysis flow based on fault injection for estimating the reliability trend of hardware-only designs, software-only designs, and hardware and software co-designs. It aims to accelerate the search for the design scheme with the best trade-off between performance and reliability among the possible ones. The methodology takes into account four groups of parameters, which are the following: area resources and performance; the number of output errors and critical bits; radiation measurements, such as static and dynamic cross sections; and, Mean Workload Between Failures. The obtained results show that the proposed flow is a suitable method for estimating the reliability trend of system designs on APSoCs before radiation experiments.

O recente avanço da indústria de semicondutores tem possibilitado a integração de componentes complexos e arquiteturas de sistemas dentro de um único chip de silício. Atualmente, FPGAs do estado da arte incluem, não apenas a matriz de lógica programável, mas também outros blocos de hardware, como processadores de propósito geral, blocos de processamento dedicado, interfaces para vários periféricos, estruturas de barramento internas ao chip, e blocos analógicos. Estes novos dispositivos são comumente chamados de Sistemasem-Chip Totalmente Programáveis (APSoCs). Uma das maiores preocupações acerca dos efeitos da radiação em APSoCs é o fato de que erros induzidos pela radiação podem ter diferente probabilidade e criticalidade em seus blocos de hardware heterogêneos, em ambos os níveis de dispositivo e projeto. Por esta razão, este trabalho realiza uma investigação profunda acerca dos efeitos da radiação em APSoCs e da correlação entre a sensibilidade de recursos de hardware e software na performance geral do sistema. Diversos experimentos estáticos e dinâmicos inéditos foram realizados nos blocos de hardware de um APSoC a fim de melhor entender as relações entre confiabilidade e performance de cada parte separadamente. Os resultados mostram que há um comprometimento a ser analisado entre o desempenho e a área de choque de um projeto durante o desenvolvimento de um sistema em um APSoC. Desse modo, é fundamental levar em consideração cada opção de projeto disponível e todos os parâmetros do sistema envolvidos, como o tempo de execução e a carga de trabalho, e não apenas a sua seção de choque. Exemplificativamente, os resultados mostram que é possível aumentar o desempenho de um sistema em até 5.000 vezes com um pequeno aumento na sua seção de choque de até 8 vezes, aumentando assim a confiabilidade operacional do sistema. Este trabalho também propõe um fluxo de análise de confiabilidade baseado em injeções de falhas para estimar a tendência de confiabilidade de projetos somente de hardware, de software, ou de hardware e software. O fluxo objetiva acelerar a procura pelo esquema de projeto com a melhor relação entre performance e confiabilidade dentre as opções possíveis. A metodologia leva em consideração quatro grupos de parâmetros, os quais são: recursos e performance; erros e bits críticos; medidas de radiação, tais como seções de choque estáticas e dinâmicas; e, carga de trabalho média entre falhas. Os resultados obtidos mostram que o fluxo proposto é um método apropriado para estimar tendências de confiabilidade de projeto de sistemas em APSoCs antes de experimentos com radiação. / The recent advance of the semiconductor industry has allowed the integration of complex components and systems’ architectures into a single silicon die. Nowadays, state-ofthe-art FPGAs include not only the programmable logic fabric but also hard-core parts, such as hard-core general-purpose processors, dedicated processing blocks, interfaces to various peripherals, on-chip bus structures, and analog blocks. These new devices are commonly called of All Programmable System-on-Chip (APSoC) devices. One of the major concerns about radiation effects on APSoCs is that radiation-induced errors may have different probability and criticality in their heterogeneous hardware parts at both device and design levels. For this reason, this work performs a deep investigation about the radiation effects on APSoCs and the correlation between hardware and software resources sensitivity in the overall system performance. Several static and dynamic experiments were performed on different hardware parts of an APSoC to better understand the trade-offs between reliability and performance of each part separately. Results show that there is a trade-off between design cross section and performance to be analyzed when developing a system on an APSoC. Therefore, today it is mandatory to take into account each design option available and all the parameters of the system involved, such as the execution time and the workload of the system, and not only its cross section. As an example, results show that it is possible to increase the performance of a system up to 5,000 times by changing its architecture with a small impact in cross section (increase up to 8 times), significantly increasing the operational reliability of the system. This work also proposes a reliability analysis flow based on fault injection for estimating the reliability trend of hardware-only designs, software-only designs, and hardware and software co-designs. It aims to accelerate the search for the design scheme with the best trade-off between performance and reliability among the possible ones. The methodology takes into account four groups of parameters, which are the following: area resources and performance; the number of output errors and critical bits; radiation measurements, such as static and dynamic cross sections; and, Mean Workload Between Failures. The obtained results show that the proposed flow is a suitable method for estimating the reliability trend of system designs on APSoCs before radiation experiments.

Os avanços na microeletrônica contribuíram para a redução de tamanho do nó tecnológico, diminuindo a tensão de limiar e aumentando a freqüência de operação dos sistemas. Embora tenha resultado em ganhos positivos relacionados ao desempenho e ao consumo de energia dos circuitos VLSI, a miniaturização também tem um impacto negativo em termos de confiabilidade dos projetos. À medida que a tecnologia diminui, os circuitos estão se tornando mais suscetíveis a inúmeros efeitos devido à redução da robustez ao ruído externo, bem como ao aumento do grau de incerteza relacionado às muitas fontes de variabilidade. As técnicas de tolerancia a falhas geralmente são usadas para melhorar a robustez das aplicações de segurança crítica. No entanto, as implicações da redução da tecnologia interferem na eficácia de tais abordagem em fornecer a cobertura de falhas desejada. Por esse motivo, este trabalho avaliou a robustez aos efeitos de radiação de diferentes circuitos projetados na tecnologia FinFET sob efeitos de variabilidade. Para determinar as melhores opções de projeto para implementar técnicas de tolerancia a falhas, como os esquemas de Redundância de módulo triplo (TMR) e/ou duplicação com comparação (DWC), o conjunto de circuitos analisados é composto por dez diferentes topologias de porta lógica OR-exclusivo (XOR) e dois circuitos votadores maioritários (MJV). Para investigar o efeito da configuração do gate dos dispositivos FinFET, os circuitos XOR são analisados usando a configuração de double-gate (DG FinFET) e tri-gate (TG FinFET). A variabilidade ambiental, como variabilidade de temperatura e tensão, são avaliadas no conjunto de circuitos analisados. Além disso, o efeito da variabilidade de processo Work-Function Fluctuation (WFF) também é avaliado. A fim de fornecer um estudo mais preciso, o projeto do leiaute dos circuitos MJV usando 7nm FinFET PDK é avaliado pela ferramenta preditiva MUSCA SEP3 para estimar o Soft-Error Rate (SER) dos circuitos considerando as características do leiaute e as camadas de Back-End-Of-Line (BEOL) e Front-End-Of-Line (FEOL) de um nó tecnológico avançado. / Advances in microelectronics have contributed to the size reduction of the technological node, lowering the threshold voltage and increasing the operating frequency of the systems. Although it has positive outcomes related to the performance and power consumption of VLSI circuits, it does also have a strong negative impact in terms of the reliability of designs. As technology scales down, the circuits are becoming more susceptible to numerous effects due to the reduction of robustness to external noise as well as the increase of uncertainty degree related to the many sources of variability. Faulttolerant techniques are usually used to improve the robustness of safety critical applications. However, the implications of the scaling of technology have interfered against the effectiveness of fault-tolerant approaches to provide the fault coverage. For this reason, this work has evaluated the radiation robustness of different circuits designed in FinFET technology under variability effects. In order to determine the best design options to implement fault-tolerant techniques such as the Triple-Module Redundancy (TMR) and/or Duplication with Comparison (DWC) schemes, the set of analyzed circuits is composed of ten different exclusive-OR (XOR) logic gate topologies and two majority voter (MJV) circuits. To investigate the effect of gate configuration of FinFET devices, the XOR circuits is analyzed using double-gate configuration (DG FinFET) and tri-gate configuration (TG FinFET). Environmental Variability such as Temperature and Voltage Variability are evaluated in the set of analyzed circuits. Additionally, the process-related variability effect Work-Function Fluctuation (WFF) is also evaluated. In order to provide a more precise study, the layout design of the MJV circuits using a 7nm FinFET PDK is evaluated by the predictive MUSCA SEP3 tool to estimate the Soft-Error Rate (SER) of the circuits considering the layout contrainsts and Back-End-Of-Line (BEOL) and Front-End-Of-Line (FEOL) layers of an advanced technology node.

O recente avanço da indústria de semicondutores tem possibilitado a integração de componentes complexos e arquiteturas de sistemas dentro de um único chip de silício. Atualmente, FPGAs do estado da arte incluem, não apenas a matriz de lógica programável, mas também outros blocos de hardware, como processadores de propósito geral, blocos de processamento dedicado, interfaces para vários periféricos, estruturas de barramento internas ao chip, e blocos analógicos. Estes novos dispositivos são comumente chamados de Sistemasem-Chip Totalmente Programáveis (APSoCs). Uma das maiores preocupações acerca dos efeitos da radiação em APSoCs é o fato de que erros induzidos pela radiação podem ter diferente probabilidade e criticalidade em seus blocos de hardware heterogêneos, em ambos os níveis de dispositivo e projeto. Por esta razão, este trabalho realiza uma investigação profunda acerca dos efeitos da radiação em APSoCs e da correlação entre a sensibilidade de recursos de hardware e software na performance geral do sistema. Diversos experimentos estáticos e dinâmicos inéditos foram realizados nos blocos de hardware de um APSoC a fim de melhor entender as relações entre confiabilidade e performance de cada parte separadamente. Os resultados mostram que há um comprometimento a ser analisado entre o desempenho e a área de choque de um projeto durante o desenvolvimento de um sistema em um APSoC. Desse modo, é fundamental levar em consideração cada opção de projeto disponível e todos os parâmetros do sistema envolvidos, como o tempo de execução e a carga de trabalho, e não apenas a sua seção de choque. Exemplificativamente, os resultados mostram que é possível aumentar o desempenho de um sistema em até 5.000 vezes com um pequeno aumento na sua seção de choque de até 8 vezes, aumentando assim a confiabilidade operacional do sistema. Este trabalho também propõe um fluxo de análise de confiabilidade baseado em injeções de falhas para estimar a tendência de confiabilidade de projetos somente de hardware, de software, ou de hardware e software. O fluxo objetiva acelerar a procura pelo esquema de projeto com a melhor relação entre performance e confiabilidade dentre as opções possíveis. A metodologia leva em consideração quatro grupos de parâmetros, os quais são: recursos e performance; erros e bits críticos; medidas de radiação, tais como seções de choque estáticas e dinâmicas; e, carga de trabalho média entre falhas. Os resultados obtidos mostram que o fluxo proposto é um método apropriado para estimar tendências de confiabilidade de projeto de sistemas em APSoCs antes de experimentos com radiação. / The recent advance of the semiconductor industry has allowed the integration of complex components and systems’ architectures into a single silicon die. Nowadays, state-ofthe-art FPGAs include not only the programmable logic fabric but also hard-core parts, such as hard-core general-purpose processors, dedicated processing blocks, interfaces to various peripherals, on-chip bus structures, and analog blocks. These new devices are commonly called of All Programmable System-on-Chip (APSoC) devices. One of the major concerns about radiation effects on APSoCs is that radiation-induced errors may have different probability and criticality in their heterogeneous hardware parts at both device and design levels. For this reason, this work performs a deep investigation about the radiation effects on APSoCs and the correlation between hardware and software resources sensitivity in the overall system performance. Several static and dynamic experiments were performed on different hardware parts of an APSoC to better understand the trade-offs between reliability and performance of each part separately. Results show that there is a trade-off between design cross section and performance to be analyzed when developing a system on an APSoC. Therefore, today it is mandatory to take into account each design option available and all the parameters of the system involved, such as the execution time and the workload of the system, and not only its cross section. As an example, results show that it is possible to increase the performance of a system up to 5,000 times by changing its architecture with a small impact in cross section (increase up to 8 times), significantly increasing the operational reliability of the system. This work also proposes a reliability analysis flow based on fault injection for estimating the reliability trend of hardware-only designs, software-only designs, and hardware and software co-designs. It aims to accelerate the search for the design scheme with the best trade-off between performance and reliability among the possible ones. The methodology takes into account four groups of parameters, which are the following: area resources and performance; the number of output errors and critical bits; radiation measurements, such as static and dynamic cross sections; and, Mean Workload Between Failures. The obtained results show that the proposed flow is a suitable method for estimating the reliability trend of system designs on APSoCs before radiation experiments.

Os avanços na microeletrônica contribuíram para a redução de tamanho do nó tecnológico, diminuindo a tensão de limiar e aumentando a freqüência de operação dos sistemas. Embora tenha resultado em ganhos positivos relacionados ao desempenho e ao consumo de energia dos circuitos VLSI, a miniaturização também tem um impacto negativo em termos de confiabilidade dos projetos. À medida que a tecnologia diminui, os circuitos estão se tornando mais suscetíveis a inúmeros efeitos devido à redução da robustez ao ruído externo, bem como ao aumento do grau de incerteza relacionado às muitas fontes de variabilidade. As técnicas de tolerancia a falhas geralmente são usadas para melhorar a robustez das aplicações de segurança crítica. No entanto, as implicações da redução da tecnologia interferem na eficácia de tais abordagem em fornecer a cobertura de falhas desejada. Por esse motivo, este trabalho avaliou a robustez aos efeitos de radiação de diferentes circuitos projetados na tecnologia FinFET sob efeitos de variabilidade. Para determinar as melhores opções de projeto para implementar técnicas de tolerancia a falhas, como os esquemas de Redundância de módulo triplo (TMR) e/ou duplicação com comparação (DWC), o conjunto de circuitos analisados é composto por dez diferentes topologias de porta lógica OR-exclusivo (XOR) e dois circuitos votadores maioritários (MJV). Para investigar o efeito da configuração do gate dos dispositivos FinFET, os circuitos XOR são analisados usando a configuração de double-gate (DG FinFET) e tri-gate (TG FinFET). A variabilidade ambiental, como variabilidade de temperatura e tensão, são avaliadas no conjunto de circuitos analisados. Além disso, o efeito da variabilidade de processo Work-Function Fluctuation (WFF) também é avaliado. A fim de fornecer um estudo mais preciso, o projeto do leiaute dos circuitos MJV usando 7nm FinFET PDK é avaliado pela ferramenta preditiva MUSCA SEP3 para estimar o Soft-Error Rate (SER) dos circuitos considerando as características do leiaute e as camadas de Back-End-Of-Line (BEOL) e Front-End-Of-Line (FEOL) de um nó tecnológico avançado. / Advances in microelectronics have contributed to the size reduction of the technological node, lowering the threshold voltage and increasing the operating frequency of the systems. Although it has positive outcomes related to the performance and power consumption of VLSI circuits, it does also have a strong negative impact in terms of the reliability of designs. As technology scales down, the circuits are becoming more susceptible to numerous effects due to the reduction of robustness to external noise as well as the increase of uncertainty degree related to the many sources of variability. Faulttolerant techniques are usually used to improve the robustness of safety critical applications. However, the implications of the scaling of technology have interfered against the effectiveness of fault-tolerant approaches to provide the fault coverage. For this reason, this work has evaluated the radiation robustness of different circuits designed in FinFET technology under variability effects. In order to determine the best design options to implement fault-tolerant techniques such as the Triple-Module Redundancy (TMR) and/or Duplication with Comparison (DWC) schemes, the set of analyzed circuits is composed of ten different exclusive-OR (XOR) logic gate topologies and two majority voter (MJV) circuits. To investigate the effect of gate configuration of FinFET devices, the XOR circuits is analyzed using double-gate configuration (DG FinFET) and tri-gate configuration (TG FinFET). Environmental Variability such as Temperature and Voltage Variability are evaluated in the set of analyzed circuits. Additionally, the process-related variability effect Work-Function Fluctuation (WFF) is also evaluated. In order to provide a more precise study, the layout design of the MJV circuits using a 7nm FinFET PDK is evaluated by the predictive MUSCA SEP3 tool to estimate the Soft-Error Rate (SER) of the circuits considering the layout contrainsts and Back-End-Of-Line (BEOL) and Front-End-Of-Line (FEOL) layers of an advanced technology node.

Turbo códigos têm se tornado um importante ramo na pesquisa de codificação de canal e já foram adotados como padrão para a terceira geração de comunicação móvel. Devido ao seu alto ganho de codificação, os turbo códigos são vistos como fortes candidatos a serem adotados como padrão das futuras gerações de redes sem fio. Esse esquema de codificação é baseado na decodificação iterativa, onde decodificadores de entrada e saída suaves produzem refinamento da informação a cada iteração. Essa dissertação apresenta resultados de um estudo comparativo entre dois esquemas de codificação: turbo códigos de bloco e turbo códigos convolucionais. Os resultados mostram que os dois esquemas de codificação têm desempenho funcional complementar, sendo importante a especificação de um alvo em termos de relação sinal/ruído ou taxa de erro de bits para a escolha do esquema de codificação mais adequado. Com o mesmo modelo em linguagem de programação C foi feita uma exploração do algoritmo visando diminuição do consumo de potência. Essa exploração em parte foi feita segundo uma metodologia de exploração sistemática das possibilidades de transferência e armazenamento de dados (DTSE). Com a exploração, a redução total de consumo de potência para o armazenamento de dados foi estimada em 34%. / Turbo codes have become an important branch on channel coding research and have been adopted as standard in the third generation of mobile communication systems. Due to their high coding gain, turbo codes are expected to be part of the next generations of wireless networks standards. This coding scheme is based on iterative decoding, as soft input/soft output decoders produce an information refinement in each iteration. This dissertation shows the results of a comparative performance study of two different turbo coding schemes: block turbo codes and convolutional turbo codes. The results obtained show that the two schemes have complementary performance. It is necessary to specify a target in terms of bit error rate or signal/noise ratio. With the same C model an exploration aiming at reducing power consumption was done. Part of this exploration was done following a systematic methodology of data transfer and storage exploration (DTSE). With this exploration, a reduction of 34% on power consumption was estimated.

Este trabalho consiste no estudo e projeto de circuitos Dual-Modulus Prescaler utilizados em sistemas de comunicação RF (radio frequency). Sistemas de comunicação RF trabalham em bandas de freqüência pré-definidas e dentro destas há, normalmente, vários canais para transmissão. Neste caso, decidido o canal onde se vai trabalhar, o receptor e o transmissor geram, através de um circuito chamado Sintetizador de Freqüências, sinais que têm a freqüência igual a freqüência central do canal utilizado. Esses sinais ou tons são empregados na modulação e demodulação das informações transmitidas ou recebidas. O Sintetizador de Freqüências possui como componentes um oscilador controlável, contadores programáveis, comparadores de fase e um divisor de freqüências chamado Dual-Modulus Prescaler. O funcionamento do Sintetizador é descrito a seguir: o Prescaler recebe um sinal proveniente da saída do oscilador controlável e gera um sinal que tem a freqüência igual a aquela do sinal de entrada dividida por N ou N+1, dependendo do valor lógico de um sinal de controle. O sinal gerado por esse circuito divisor será ainda dividido por contadores e comparado a um sinal de referência externo no comparador de fase. O comparador, por sua vez, gera o sinal de controle do oscilador controlável, aumentando ou reduzindo sua velocidade. Pelo ajuste do número de vezes que o circuito Prescaler divide por N ou N+1, se controla a freqüência da saída do Sintetizador. De todos os circuitos que compõe o Sintetizador de Freqüência, apenas o oscilador controlável e o Prescaler trabalham em altas freqüências (freqüência máxima do sistema) e por conseqüência, a velocidade máxima de trabalho e o consumo de potência do Sintetizador dependerão da performance destes. Neste trabalho se utilizou a técnica Extended True Single Clock Phase para se projetar o Prescaler. O projeto do circuito Prescaler foi realizado na tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Silicon) 0,35 ?m da AMS [Au03a], que satisfaz as necessidades visadas (banda de trabalho centrada em 2,4 GHz) e tem um custo para prototipagem satisfatório. Vários circuitos foram implementados nesta tecnologia e testados, se obtendo um Prescaler que atinge velocidade de 3,6 GHz, consumo de 1,6 mW para tensão de alimentação de 3,3 V. / This work consists of the study and project of circuits Dual-Modulus Prescaler used in communication systems RF (radio frequency). RF Communication Systems work in predefined frequency bands and inside of them, there are several transmission channels. In this case, once decided the channel where we will work, the receiver and the transmitter generate, through a circuit called Frequency Synthesizer, signs that have the same frequency of the central frequency of the used channel. Those signs or tones are used in the modulation and demodulation of the transmitted or received information. The Frequency Synthesizer possesses as components a controllable oscillator, programmable counters, phase comparator and a frequency divider called Dual-Modulus Prescaler. The Synthesizer operation is described: the Prescaler receives a sign from the oscillator and generates an output signal with frequency equal to the frequency of the input signal divided by N or N+1, depending on the logical value of a control sign. The output of the Prescaler will be divided by other counters and compared with an external reference sign in the phase comparator. That comparator, for its turn, generates a control signal for the oscillator, increasing or reducing its speed. By the adjustment of the number of times that the circuit Prescaler divides for N or N+1, the frequency of Synthesizer output is controlled. From all the blocks that compose the Frequency Synthesizer, only the controllable oscillator and the Prescaler work in high frequencies (the maximum frequency of the system), and, in consequence, the maximum speed and the power consumption of the full Synthesizer will depend on the performance of these two blocks. In this work we applied the technique called Extended True Single Clock Phase to design the Prescaler. The project of the circuit Prescaler used the technology CMOS (Complementary Metal Oxide Silicon) 0.35 ?m of AMS [Au03a]. This technology was used because it satisfies the sought needs (work band centered in 2.4 GHz) and has a satisfactory cost. Several circuits were implemented in this technology and tested and it was obtained a Prescaler which reaches 3.6 GHz, 1.6 mW power consumption with power supply of 3.3 V.

Este trabalho propõe o desenvolvimento de uma metodologia para a verificação circuitos integrados de sinais mistos de uso em sistemas de comunicação que operem em modo simplex. Deseja-se aproveitar as características inversas de recepção e transmissão para otimizar o processo de verificação. Para o desenvolvimento desta metodologia de verificação, teve-se como objetivo estudar metodologias de verificação de circuitos integrados de sinais mistos existentes e sua evolução, as quais têm garantido cada vez mais a funcionalidade de circuitos integrados que são compostos por blocos analógicos e digitais. A metodologia é aplicada a um dos circuitos que compõem um sistema otimizado de transmissão de dados via satélite (Transponder para Satélite). O sistema de transmissão de dados via satélite, foco do trabalho, é composto por receptores, transmissores e conversores analógico digital e um Processador Digital de Sinais - Digital Signal Processing (DSP), todos desenvolvidos em hardware. A metodologia de verificação compreende no desenvolvimento de uma estrutura de verificação capaz de estimular os blocos digitais e analógicos com o objetivo de garantir a funcionalidade de cada um dos componentes do IP Transponder. Em uma etapa seguinte, foi possível estimular o IP Transponder de forma integrada, no que se refere aos os blocos digitais e analógicos, assim como os de transmissão e recepção. Ressalta-se ainda que todo o desenvolvimento foi realizado em alto nível, ou seja, todas as características e propriedades foram observadas utilizando-se somente simuladores para garantir a funcionalidade do circuito integrado de sinais mistos que compõe o IP Transponder para satélite. / This work proposes the development of a verification methodology, used during the verification process of a mixed signal integrated circuit, which represents a communication system operating in simplex mode. In order to optimize the verification process, reverse reception and transmission will be used. With the intention of developing our verification methodology, a study on other methodologies used for the verification of mixed signals integrated circuits and the evolution of such methodologies was carried out. The proposed methodology has been applied in an advanced circuit used to establish data transmission by satellite (Transponder for Satellite). The targeted data transmission system is composed by analog receptor and transmitter, analog to digital converters and a digital signal-processing unit, all developed in hardware. The verification methodology consists of two steps: first, the development of a verification structure that are able to stimulate digital and analog blocks in order to guarantee the functionality of each system component. In a following step, the developed verification environment provides the stimulation for all the Transponder IP (digital and analog blocks), and for transmission and reception blocks as well. The verification process development was performed in high level, meaning all the characteristics and properties has been observed using only simulators with the purpose of guarantee the functionality of the mixed signal integrated circuit that composes the satellite Transponder IP.