Este trabalho visa propor uma metodologia de análise da variabilidade do tempo de atraso de propagação no FPGA. Para alcançar esse objetivo são utilizados três circuitos diferentes: o circuito 1 mede a diferença de atrasos de dois circuitos, o circuito 2 identifica o atraso menor de dois circuitos e, por fim, o terceiro circuito que consiste do oscilador em anel. Cada circuito foi avaliado individualmente numa estrutura BIST, implementada nos FPGA XC3S200-FT256 e EP2C35F672C6. Os métodos utilizados para análise dos dados foram a média móvel, o plano de mínimos quadrados e o teste t-student. A metodologia permitiu mostrar a variabilidade within-die e suas componentes sistêmica e randômica. / This work aims to propose a methodology of analysis of variability of propagation-delay time in FPGA. To achieve this goal three different circuits are implemented: the circuit 1 measures the delay difference of two logic paths, the circuit 2 identifies smallest delay of two logic paths, and finally the third circuit consists of a ring oscillator. Each circuit has been assessed individually in a BIST structure, implemented in FPGAs XC3S200-FT256 and EP2C35F672C6. The methods used for data analysis were the moving average, least-squares plane and the t-student test. The methodology has allowed to evaluate the within-die variability and its systemic and random components.

Esta Tese apresenta os resultados da simulação do transporte eletrônico em três dimensões (3D) no nano dispositivo eletrônico conhecido como “SOI-FinFET”. Este dispositivo é um transistor MOS em tecnologia Silício sobre Isolante – “Silicon-on- Insulator”, SOI – com porta dupla e cujo canal e zonas de fonte e dreno são realizadas em uma estrutura nanométrica vertical de silício chamada de “finger” ou “fin”. Como introdução ao dispositivo em questão, é feita uma revisão básica sobre a tecnologia e transistores SOI e sobre MOSFETs de múltiplas portas. A implementação de um modelo tipo “charge-sheet” para o transistor SOI-MOSFET totalmente depletado e uma modelagem deste dispositivo em altas frequências também é apresentada. A geometria do “fin” é escalada para valores menores do que 100 nm, com uma espessura entre 10 e 20 nm. Um dos objetivos deste trabalho é a definição de parâmetros para o SOI-FinFET que o viabilizem para a tecnologia de 22 nm, com um comprimento efetivo de canal menor do que 20 nm. O transistor FinFET e uma estrutura básica simplificada para simulação numérica em 3D são descritos, sendo utilizados dados de tecnologias atuais de fabricação. São apresentados resultados de simulação numérica 3D (curvas ID-VG, ID-VD, etc.) evidenciando as principais características de funcionamento do FinFET. É analisada a influência da espessura e dopagem do “fin” e do comprimento físico do canal em parâmetros importantes como a tensão de limiar e a inclinação de sublimiar. São consideradas e analisadas duas possibilidades de dopagens da área ativa do “fin”: (1) o caso em que esta pode ser considerada não dopada, sendo baixíssima a probabilidade da presença de dopantes ativos, e (2) o caso de um alto número de dopantes ativos (> 10 é provável). Uma comparação entre dois simuladores numéricos 3D de dispositivos é realizada no intuito de explicitar diferenças entre modelos de simulação e características de descrição de estruturas 3D. São apresentadas e analisadas medidas em dispositivos FinFET experimentais. Dois métodos de extração de resistência série parasita são utilizados em FinFETs simulados e caracterizados experimentalmente. Para finalizar, são resumidas as principais conclusões deste trabalho e são propostos os trabalhos futuros e novas diretivas na pesquisa dos transistores FinFETs. / This thesis presents the results of 3D-numerical simulation of electron transport in double-gate SOI-FinFETs in the decanometer size range. A basic review on the SOI technology and multiple gates MOSFETs is presented. The implementation of a chargesheet model for the fully-depleted SOI-MOSFET and a high frequency modeling of this device are first presented for a planar device topology. The second part of this work deals with FinFETs, a non-planar topology. The geometry of the silicon nano-wire (or “fin”) in this thesis is scaled down well below 100 nm, with fin thickness in the range of 10 to 20 nm. This work addresses the parameters for a viable 22 nm CMOS node, with electrical effective channel lengths below 20 nm. The basic 3D structure of the FinFET transistor is described in detail, then it is simulated with various device structural parameters, and results of 3D-numerical simulation (ID-VG curves, ID-VD, etc.), showing the main features of operation of this device, are presented. The impacts of varying silicon fin thicknesses, physical channel lengths, and silicon fin doping concentration on both the average threshold voltage and the subthreshold slope are investigated. With respect to the doping concentration, the discrete and highly statistical nature of impurity presence in the active area of the nanometer-range fin is considered in two limiting cases: (1) the zero-doping or undoped case, for highly improbable presence of active dopants, and (2) the many-dopants case, or high number (> 10 are probable) of active dopants in the device channel. A comparison between two 3D-numerical device simulators is performed in order to clarify differences between simulation models and features of the description of 3D structures. A structure for SOIFinFETs is optimized, for the undoped fin, showing its applicability for devices with electrical effective channel lengths below 20 nm. SOI-FinFET measurements were performed on experimental devices, analyzed and compared to device simulation results. This thesis uses parasitic resistance extraction methods that are tested in FinFET simulations and measurements. Finally, the main conclusions of this work are summarized and the future work and new directions in the FinFETs research are proposed.

O presente trabalho tem por objetivo fornecer o embasamento teórico para o projeto de um amplificador de baixo ruído (LNA – Low Noise Amplifier) em tecnologia CMOS que opere em mais de uma faixa de frequência, de modo a permitir seu uso em receptores multibanda e de banda larga. A base teórica que este trabalho abrange desde a revisão bibliográfica do assunto em questão, passando pela análise dos modelos de transistores para alta-frequência, pelo estudo das especificações deste bloco e das métricas utilizadas em projetos de circuitos integrados de RF, bem como pela revisão de topologias clássicas existentes. Com os conhecimentos acima adquiridos, foi possível realizar o projeto de um LNA diferencial de banda larga utilizando tecnologia CMOS IBM 130nm, o qual pode ser aplicado ao padrão IEEE 802.22 para rádios cognitivos (CR). O projeto é baseado na técnica de cancelamento de ruído, sendo validado após apresentar efetiva redução de figura de ruído para banda de frequência desejada, com moderado consumo de potência e utilização moderada de área de silício, devido a solução sem o uso de indutores. O LNA banda larga opera em frequências de 50Mhz a 1GHz e apresenta uma figura de ruído abaixo de 4dB, em 90% da faixa, um ganho acima de 12dB, e perda de retorno na entrada e na saída maiores que 12dB. O IIP3 e a frequência de ocorrência de compressão a 1dB com a entrada em 580MHz estão acima de 0dBm e -10dBm respectivamente. Possui consumo de 46,5mWpara fonte de 1,5V e ocupa uma área ativa de apenas 0,28mm x 0,2mm. / This work presents the theoretical basis for the design of a low noise amplifier (LNA) in CMOS technology that operates in more than one frequency band, which enables its use in multi-band and wideband receivers. The theoretical basis that this work will address extends from the literature review on the subject, through the analysis of models of MOS transistors for high frequencies, study of specifications of this block and the metrics used in RF integrated circuit design, as well as the review of existing classical LNA topologies. Based on the knowledge acquired above, the design of a differential wideband LNA is developed using IBM 130nm RF CMOS process, which can be used in IEEE 802.22 Cognitive Radio (CR) applications. The design is based on the noise-canceling technique, with an indutctorless solution, showing that this technique effectively reduces the noise figure over the desired frequency range with moderate power consumption and a moderate utilization of silicon die area. The wideband LNA covers the frequency range from 50 MHz to 1 GHz, achieving a noise figure below 4dB in over 90% of the band of interest, a gain of 11dB to 12dB, and an input/output return loss higher than -12 dB. The input IIP3 and input P1dB at 580MHz are above 0dB and -10dB, respectively. It consumes 46.5mW from a 1.5V supply and occupies an active area of only 0.056mm2 (0.28mm x 0.2mm).

A crescente utilização de equipamentos móveis que empregam a transformada rápida de Fourier (FFT) nas operações de sinal digital pode ter seu uso restrito devido ao comprometimento da durabilidade da bateria e de suas dimensões. Estas possíveis limitações de uso fazem crescer a necessidade do desenvolvimento de técnicas que visam à otimização nos três requisitos básicos de projeto digital: dissipação de potência, área e atraso. Para tanto, é abordado neste trabalho um método que realiza a implementação de arquiteturas FFT com ênfase na otimização através da decomposição dos coeficientes trigonométricos. No cálculo da FFT, as borboletas desempenham um papel central, uma vez que permitem o cálculo de termos complexos. Neste cálculo, que envolve multiplicações dos dados de entrada com coeficientes trigonométricos apropriados, a otimização das borboletas pode contribuir diretamente para a redução de potência e área. Na técnica proposta são analisados quais são os coeficientes trigonométricos existentes na arquitetura FFT utilizada como base e a escolha para decomposição será o que apresentar o menor custo de implementação em hardware. A decomposição de um coeficiente deve garantir a reconstituição de todos os demais coeficientes necessários para a implementação de toda a arquitetura FFT. Assim, a decomposição diminui o número de coeficientes necessários para reconstruir a FFT original. O conjunto dos novos coeficientes gerados são implementados com apenas somadores\subtratores e deslocamentos através de Multiplicação de Matrizes Constantes (CMM – Constant Matrix Multiplication), associados a um sistema de controle com multiplexadores que controlam o caminho para a correta operação da FFT. As implementações dos circuitos somadores/subtratores são realizadas com métrica no nível de portas lógicas, visando menor atraso e dissipação de potência para topologias com somadores dos tipos CSA (Carry Save Adder) e Ripple carry. Os resultados apresentados pelo método proposto, quando comparados com soluções da literatura, são significativamente satisfatórios, pois minimizaram a dissipação de potência e área em 30% e 24% respectivamente. Os resultados apresentam também a redução de componentes somadores necessários para a implementação de arquiteturas FFTs. / The increasing use of mobile devices using the Fast Fourier Transform (FFT) operations in digital signal may have its use restricted due compromising the durability of the battery and its dimensions. These possible limitations on usage makes grow the need to develop techniques aimed at optimizing the three basic requirements of digital design: power dissipation, area and delay. Therefore, this thesis discusses a method that performs the FFT implementation of architectures with emphasis on optimization through decomposition of twiddle factors (trigonometric coefficients). In the FFT the butterflies play a key role, since it allows the computation of complex terms. In this calculation, which involves multiplications of input data with appropriate twiddle factors, optimization of the butterflies can contribute directly to the reduction in power and area. In the proposed technique are analyzed what are the twiddle factors existing in FFT architecture used as a basis and to choose the decomposition that provide the lowest cost hardware implementation. The decomposition of coefficient to must ensure the rebuilding of all the other twiddle factors necessary for the implementation of the architecture FFT. Thus, the decomposition decreases the number of twiddle factors needed to reconstruct the original FFT. The new sets of coefficients generated are implemented with only adders\subtracters and shifting through of Constants Matrix Multiplication (CMM). A control system of multiplexers makes the way for the correct operation of the FFT. The implementations of the circuits arithmetic adders/subtracters are performed at the gate level, seeking lower delay and power consumption for topologies with adders types of CSA (Carry Save Adder) and Ripple carry. The results presented by the proposed method, compared with literature solutions are significantly satisfactory, since minimized power dissipation and area as well as reduced component adders required for implementation architectures FFTs.

A crescente demanda por alto desempenho computacional e massivo processamento de dados tem impulsionado o desenvolvimento de sistemas-on-chip. Um dos alvos de implementação para sistemas digitais complexos são os dispositivos FPGA (Field-programmable Gate Array), muito utilizados para prototipação de sistemas e rápido desenvolvimento de produtos eletrônicos complexos. Certos aspectos ineficientes relacionados aos dispositivos FPGA estão relacionadas com degradação no desempenho e na potência consumida em relação ao projeto de hardware customizado. Neste contexto, esta dissertação de mestrado propõe um estudo sobre técnicas de otimização em FPGAs. Este trabalho apresenta uma revisão da literatura sobre os métodos de redução de potência e área aplicados ao projeto de FPGA. Técnicas para aumento de desempenho e aceleração do tempo de desenvolvimento de projetos são apresentadas com base em referencias clássicas e do estado-da-arte. O principal foco deste trabalho é discutir sobre as técnicas de alto nível e apresentar os resultados obtidos nesta área, comparando com os projetos HDL (Hardware Description Language) codificados a mão. Neste trabalho, é apresentado uma metodologia para o desenvolvimento rápido projetos digitais utilizando ambientes HLS (High-Level Synthesis. Estes métodos incluem eficiente particionamento de código de alto nível, para a correta exploração de diretivas de síntese em ferramentas HLS. Porém, o fluxo HLS não guiado apresentou pobres resultados de síntese quando comparado com modelos HDL codificado a mão. Para preencher essa lacuna, foi desenvolvido um método iterativo para exploração de espaço de projeto com o objetivo de melhorar os resultados de área. Nosso método é descrito em uma linguagem de script de alto nível e é compatível com o VivadoTM HLS Compiler. O método proposto é capaz de detectar pontos chave para otimização, inserção automatica de diretivas síntese e verificação dos resultados com objetivo de reduzir o consumo de área. Os resultados experimentais utlizando o método de DSE (Design Space Exploration) provaram ser mais eficazes que o fluxo HLS não guiado, em ao menos 50% para um processador VLIW e em 43% para um filtro FIR (Finite Impulse Response de 12a ordem. Os resultados em área, em termos de flip-flops, foram até 4X menores em comparação com o fluxo HLS não guiado, enquanto redução no desempenho ficou em cerca de 38%, no caso do processador VLIW. No exemplo do filtro FIR, a redução no número flip-flops chegou a 3X, sem relevante aumento no número de LUTs e redução no desempenho. / The increasing demand for high computational performance and massive data processing has driven the development of systems-on-chip. One implementation target for complex digital systems are FPGA (Field-programmable Gate Array) devices, heavily used for prototyping systems or complex and fast time-to-market electronic products development. Certain inefficient aspects of FPGA devices relate to performance and power degradation with respect to custom hardware design. In this context, this master thesis proposes a survey on FPGA optimization techniques. This work presents a literature review on methods of power and area reduction applied to FPGA designs. Techniques for performance increasing and design speedup enhancing will be presented based on classic and state-of-the-art academic works. The main focus of this work is to discuss high-level design techniques and to present the results obtained in synthesis examples we developed, comparing with hand-coded HDL (Hardware Description Language) designs. In this work we present our methodology for fast digital design development using High-Level Synthesis (HLS) environments. Our methods include efficient high-level code partitioning for proper synthesis directives exploration in HLS tools. However, a non-guided HLS flow showed poor synthesis results when compared to hand-coded HDL designs. To fill this gap, we developed an iterative design space exploration method aiming at improving the area results. Our method is described in a high-level script language and it is compatible with the Xilinx VivadoTM HLS compiler. Our method is capable of detecting optimization checkpoints, automatic synthesis directives insertion, and check the results aiming at reducing area consumption. Our Design Space Exploration (DSE) experimental results proved to be more efficient than non-guided HLS design flow by at least 50% for a VLIW (Very Long Instruction Word) processor and 62% for a 12th-order FIR (Finite Impulse Response) filter implementation. Our area results in terms of flip-flops were up to 4X lower compared to a non-guided HLS flow, while the performance overhead was around 38%, for the VLIW processor compilation. In the FIR filter example, the flip-flops reduction were up to 3X, with no relevant LUTs and performance overhead.

Circuitos baseados em portas lógicas de limiar (threshold logic gates – TLG) vem sendo estudados como uma alternativa promissora em relação ao tradicional estilo lógico CMOS, baseado no operadores AND e OR, na construção de circuitos integrados digitais. TLGs são capazes de implementar funções Booleanas mais complexas em uma única porta lógica. Diversos novos dispositivos, candidatos a substituir o transistor MOS, não se comportam como chaves lógicas e são intrinsicamente mais adequados à implementação de TLGs. Exemplos desses dispositivos são os memristores, spintronica, diodos de tunelamento ressonante (RTD), autômatos celulares quânticos (QCA) e dispositivos de tunelamento de elétron único (SET). Para o desenvolvimento de um fluxo de projeto de circuitos integrados baseados em lógica threshold, duas etapas são fundamentais: (1) identificar se uma dada função Booleana corresponde a uma função lógica threshold (TLF), isto é, pode ser implementada em um único TLG e computar os pesos desse TLG; (2) se uma função não é identificada como TLF, outro método de síntese lógica deve construir uma rede de TLGs otimizada que implemente a função. Este trabalho propõe métodos para atacar cada um desses dois problemas, e os resultados superam os métodos do estado-da-arte. O método proposto para realizar a identificação de TLFs é o primeiro método heurístico capaz de identificar todas as funções de cinco e seis variáveis, além de identificar mais funções que os demais métodos existentes quando o número de variáveis aumenta. O método de síntese de redes de TLGs é capaz de sintetizar circuitos reduzindo o número de portas TLG utilizadas, bem como a profundidade lógica e o número de interconexões. Essa redução é demonstrada através da síntese dos circuitos de avaliação da MCNC em comparação com os métodos já propostos na literatura. Tais resultados devem impactar diretamente na área e desempenho do circuito. / In this work, a novel method to synthesize digital integrated circuits (ICs) based on threshold logic gates (TLG) is proposed. Synthesis considering TLGs is quite relevant, since threshold logic has been revisited as a promising alternative to conventional CMOS IC design due to its suitability to emerging technologies, such as resonant tunneling diodes, memristors and spintronics devices. Identification and synthesis of threshold logic functions (TLF) are fundamental steps for the development of an IC design flow based on threshold logic. The first contribution is a heuristic algorithm to identify if a function can be implemented as a single TLG. Furthermore, if a function is not detected as a TLF, the method uses the functional composition approach to generate an optimized TLG network that implements the target function. The identification method is able to assign optimal variable weights and optimal threshold value to implement the function. It is the first heuristic algorithm that is not based on integer linear programming (ILP) that is able to identify all threshold functions with up to six variables. Moreover, it also identifies more functions than other related heuristic methods when the number of variables is more than six. Differently from ILP based approaches, the proposed algorithm is scalable. The average execution time is less than 1 ms per function. The second major contribution is the constructive process applied to generate optimized TLG networks taking into account multiple goals and design costs, like gate count, logic depth and number of interconnections. Experiments carried out over MCNC benchmark circuits show an average gate count reduction of 32%, reaching up to 54% of reduction in some cases, when compared to related approaches.

A miniaturização dos transistores do tipo MOS traz consigo um aumento na variabilidade de seus parâmetros elétricos, originaria do processo de fabricação e de efeitos com dependência temporal, como ruídos e degradação (envelhecimento ou aging). Este aumento de variabilidade no nível de dispositivo se converte aos níveis de circuito e sistema como uma perda de confiabilidade ou de desempenho. Neste trabalho são apresentados métodos de simulação de efeitos causados por armadilhas de cargas (charge traps), como o NBTI e o RTS. Tomando como base simuladores elétricos comerciais, foi desenvolvida uma ferramenta capaz de simular a atividade das armadilhas durante uma simulação transiente. Para tanto, foi criado um componente em Verilog-A e um software de controle escrito em Perl. Dessa forma é possível analisar o impacto de traps (armadilhas) no comportamento do circuito considerando variações ambientais como tensões de operação, bem como analisar efeitos de ruído como o RTS e de aging como NBTI. Foram então desenvolvidos estudos de caso em um inversor, em um caminho crítico com cinco níveis lógicos e em uma memória SRAM de 32 bits, onde foi feita uma análise da relação do NBTI com o histórico do sinal de estresse no circuito. Em um segundo momento foi desenvolvido um método de análise do impacto de NBTI em circuitos digitais no nível de sistema, através de simulações de SSTA. Para tal estudo foi caracterizada a biblioteca NCSU FreePDK 45nm da Nangate, considerando o tempo como um corner, e então realizando-se uma simulação de SSTA em três caminhos críticos de diferentes complexidades. A fim de estudar a acuidade obtida nas simulações realizadas no nível do sistema, também foram realizadas simulações com o simulador elétrico desenvolvido e comparados os resultados. Observou-se um aumento na acuidade das simulações no nível do sistema quando complexidade do circuito estudado aumenta. Tal comportamento é explicado através do teorema do limite central. / The downscaling of MOS transistors leads to an increase of the variability of its electrical parameters generated both by fabrication process and by time dependent effects, such as noise and ageing. This increase of the variability at the device level turns into the circuit and systems level as a loss in the reliability or performance. This thesis presents the development of simulation methods for effects caused by traps, such as NBTI and RTS. Combining commercial electrical simulators, an enhanced Verilog-A transistor model and a control software developed in Perl, a simulation tool was created. The tool properly accounts for the activity of traps during transient electrical simulations. This way it is possible to evaluate the impact of traps in the behavior of circuits taking into account environmental variations, like supply voltage fluctuations, and evaluate noise effects like RTS and aging effects like NBTI. Case studies were carried out, considering an inverter, a five stages logic path and a SRAM, where the workload dependency on NBTI was evaluated. The impact of NBTI on combinational circuits on a system level is then evaluated through SSTA simulations. In order to perform this analysis, the Nangate NCSU FreePDK 45nm library was characterized and the circuit's age was considered as a time corner. SSTA simulations were performed in three paths of different complexities and then its results were compared with the results obtained with the electrical simulator developed showing an increase of accuracy of the SSTA method as a function of the circuit's complexity. This behavior is explained by the Central Limit Theorem.

Ferramentas de projeto de circuitos integrados (do inglˆes, electronic design automation, ou simplesmente EDA) tˆem um papel fundamental na crescente complexidade dos projetos de circuitos digitais. Elas permitem aos projetistas criar circuitos com um n´umero de componentes ordens de grandezas maior do que seria poss´ıvel se os circuitos fossem projetados `a m˜ao como nos dias iniciais da microeletrˆonica. Neste trabalho, dois importantes problemas em EDA ser˜ao abordados: dimensionamento de portas e posicionamento detalhado dirigido a desempenho. Para dimensionamento de portas, uma nova metodologia de relaxac¸ ˜ao Lagrangiana ´e apresentada baseada em informac¸ ˜ao de temporarizac¸ ˜ao locais e propagac¸ ˜ao de sensitividades. Para posicionamento detalhado dirigido a desempenho, um conjunto de movimentos de c´elulas ´e criado usando uma formac¸ ˜ao ´otima atenta `a forc¸a de alimentac¸ ˜ao para o balanceamento de cargas. Nossos resultados experimentais mostram que tais t´ecnicas s˜ao capazes de melhorar o atual estado-da-arte. / Electronic design automation (EDA) tools play a fundamental role in the increasingly complexity of digital circuit designs. They empower designers to create circuits with several order of magnitude more components than it would be possible by designing circuits by hand as was done in the early days of microelectronics. In this work, two important EDA problems are addressed: gate sizing and timing-driven detailed placement. They are studied and new techniques developed. For gate sizing, a new Lagrangian-relaxation methodology is presented based on local timing information and sensitivity propagation. For timing-driven detailed placement, a set of cell movement methods are created using drive strength-aware optimal formulation to driver/sink load balancing. Our experimental results shows that those techniques are able to improve the current state-of-the-art.

Este trabalho introduz o conceito de cortes k e cortes kl sobre um circuito mapeado, em uma representação netlist. Esta nova abordagem é derivada do conceito de cortes k e cortes kl sobre AIGs (and inverter graphs), respeitando as diferenças entre essas duas formas de representar um circuito. As principais diferenças são: (1) o número de entradas em um nodo do grafo, e (2) a presença de inversores e buffers de forma explícita no circuito mapeado. Um algoritmo para enumerar cortes k e cortes kl é proposto e implementado. A principal motivação de usar cortes kl sobre circuitos mapeados é para realizar otimizações locais na síntese lógica de circuitos digitais. A principal contribuição deste trabalho é uma abordagem nova de remapeamento iterativo, utilizando cortes kl, reduzindo a área do circuito e respeitando as restrições de temporização do circuito. O uso de portas lógicas complexas pode potencialmente reduzir a área total de um circuito, mas elas precisam ser escolhidas corretamente de forma a manter as restrições de temporização do circuito. Ferramentas comerciais de síntese lógica trabalham melhor com portas lógicas simples e não são capazes de explorar eventuais vantagens em utilizar portas lógicas complexas. A abordagem proposta de remapeamento iterativo utilizando cortes kl é capaz de explorar uma quantidade maior de portas lógicas com funções lógicas diferentes, reduzindo a área do circuito, e mantendo as restrições de temporização intactas ao fazer uma checagem STA (análise temporal estática). Resultados experimentais mostram uma redução de até 38% de área na parte combinacional de circuitos para um subconjunto de benchmarks IWLS 2005, quando comparados aos resultados de ferramentas comerciais de síntese lógica. Outra contribuição deste trabalho é um novo modelo de rendimento (yield) para fabricação de circuitos integrados (IC) digitais, considerando problemas de resolução da etapa de litografia como uma fonte de diminuição do yield. O uso de leiautes regulares pode melhorar bastante a resolução da etapa de litografia, mas existe um aumento de área significativo ao se introduzir a regularidade. Esta é a primeira abordagem que considera o compromisso (trade off) de portas lógicas com diferentes níveis de regularidade e diferentes áreas durante a síntese lógica, de forma a melhorar o yield do projeto. A ferramenta desenvolvida de remapeamento tecnológico utilizando cortes kl foi modificada de forma a utilizar esse modelo de yield como função custo, de forma a aumentar o número de boas amostras (dies) por lâmina de silício (wafer), com resultados promissores. / This work introduces the concept of k-cuts and kl-cuts on top of a mapped circuit in a netlist representation. Such new approach is derived from the concept of k-cuts and klcuts on top of AIGs (and inverter graphs), respecting the differences between these two circuit representations. The main differences are: (1) the number of allowed inputs for a logic node, and (2) the presence of explicit inverters and buffers in the netlist. Algorithms for enumerating k-cuts and kl-cuts on top of a mapped circuit are proposed and implemented. The main motivation to use kl-cuts on top mapped circuits is to perform local optimization in digital circuit logic synthesis. The main contribution of this work is a novel iterative remapping approach using klcuts, reducing area while keeping the timing constraints attained. The use of complex gates can potentially reduce the circuit area, but they have to be chosen wisely to preserve timing constraints. Logic synthesis commercial design tools work better with simple cells and are not capable of taking full advantage of complex cells. The proposed iterative remapping approach can exploit a larger amount of logic gates, reducing circuit area, and respecting global timing constraints by performing an STA (static timing analysis) check. Experimental results show that this approach is able to reduce up to 38% in area of the combinational portion of circuits for a subset of IWLS 2005 benchmarks, when compared to results obtained from logic synthesis commercial tools. Another contribution of this work is a novel yield model for digital integrated circuits (IC) manufacturing, considering lithography printability problems as a source of yield loss. The use of regular layouts can improve the lithography, but it results in a significant area overhead by introducing regularity. This is the first approach that considers the tradeoff of cells with different level of regularity and different area overhead during the logic synthesis, in order to improve overall design yield. The technology remapping tool based on kl-cuts developed was modified in order to use such yield model as cost function, improving the number of good dies per wafer, with promising interesting results.

A diminuição das dimensões do transistor MOS tem sido a principal estratégia adotada para alcançar otimizações de desempenho na fabricação de circuitos integrados. Contudo, reduzir as dimensões dos transistores tem se tornado uma tarefa cada vez mais difícil de ser alcançada. Nesse contexto, vários esforços estão sendo feitos para encontrar dispositivos alternativos que permitam futuros avanços em relação à capacidade computacional. Entre as mais promissoras tecnologias emergentes estão os transistores de efeito de campo com múltiplos e independentes gates (MIGFETs). MIGFETs são dispositivos controlados por mais que um terminal de controle permitindo que funções Booleanas com mais de uma variável sejam implementadas por um único dispositivo. Redes de chaves construídas com dispositivos MIGFET tendem a ser mais compactas do que as redes de chaves tradicionais. No entanto existe um compromisso em relação a redução no número de chaves, devido à maior capacidade lógica, e um maior tamanho e pior desempenho do dispositivo. Neste trabalho, pretendemos explorar tal balanceamento no sentido de avaliar os impactos do uso de MIGFETs na construção de circuitos integrados digitais. Dessa forma, alguns critérios de avaliação são apresentados no sentido de analisar área e atraso de circuitos construídos a partir de dispositivos MIGFET, onde cada transistor é representado por um modelo RC. Em particular, tal avaliação de área e desempenho é aplicada no projeto de circuitos somadores binários específicos (metodologia full-custom). Além do mais, bibliotecas de células construídas a partir de dispositivos MIGFET são utilizadas na síntese automática de circuitos de referência através da metodologia standard-cell. Através dos experimentos, é possível ter-se uma ideia, mesmo que inicial e pessimista, do quanto o layout de um dado MIGFET pode ser maior do que um single-gate FinFET e ainda apresentar redução na área do circuito devido à compactação lógica. / The scaling of MOS transistor has been the main manufacturing strategy for improving integrated circuit (IC) performance. However, as the device dimensions shrink, the scaling becomes harder to be achieved. In this context, much effort has been done in order to develop alternative devices that may allow further progress in computation capability. Among the promising emerging technologies is the multiple independent-gate field effect transistors (MIGFETs). MIGFETs are switch-based devices, which allow more logic capability in a single device. In general, switch networks built through MIGFET devices tend to be more compact than the traditional switch networks. However, there is a tradeoff between the number of logic switches merged and the area and performance of a given MIGFET. Thus, we aim to explore such a tradeoff in order to evaluate the MIGFET impacts in the building digital integrated circuits. To achieve this goal, in this work, we present an area and performance evaluation based on digital circuit built using MIGFET devices, where each MIGFET is represented through RC modelling. In particular, such an evaluation is applied on full-custom design of binary adder circuits and on standard-cell design flow targeting in a set of benchmark circuits. Through the experiments, it is possible have an insight, even superficial and pessimist, about how big can be the layout of a given MIGFET than the single-gate FinFET and still show a reduction in the final circuit area due to the logic compaction.