Made available in DSpace on 2013-08-07T18:53:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000407756-Texto+Completo-0.pdf: 1790642 bytes, checksum: 336376143b2d186c09e1cfa0d540851d (MD5) Previous issue date: 2008 / The constant technology process improvement has remarkably reduced the transistor geometry and power supply levels in the integrated circuits. In high-density circuits operating at low voltage, the memory cells are able to store information with less capacitance, which means that less charge or current is required to store the same data. During the storage period, the data involved are likely to suffer influence of media, such as electromagnetic interference, radiation or even failures of the hardware involved. The fault is characterized as a reversal of one or more bits of data stored in a memory. Consequently, the data might fail, leading to mistakes in the use of these data. One way of solving these problems is the use of error correction codes. An error correction code is, in essence, an organized way to add something extra to every information that you want to store, allowing, the recovery of the same information, detecting and correcting any errors found. Most error correction codes in use are designed to correct random errors, that is, errors that occur independently of the location of other errors. However, in many situations, errors can occur in bursts. Generally, random error correction codes are not efficient for correction of errors in burst, and the reciprocal is also true. From the various methods proposed in the literature for rectifying these two types of errors, the most effective is interleaving. The interleaving is a method that can be implemented both in hardware and in software. This method is mainly made up of a reordering of the bits and runs earlier in the storage memory (interleaver) and in reading, the bits are reordered again, that is, they are placed back into its original position (deinterleaver). This causes an increase in the rate of detection and correction of these errors, because if there is a concentrated interference (burst errors) in a memory, for example, during storage, in the operation of reading, to getting the deinterleaving, errors are exposed in a distributed manner, appearing as random errors to the decoder. This dissertation presents a proposal that combines the use of Error Detection And Correction Codes widely referenced in literature (Hamming, Extended Hamming, Reed-Muller and Matrix) associated with the technique of interleaving applied to hardware, aiming to increase the capacity of detection and correction of burst errors (Concentrated errors). The implementation of bit-flip testing failures, applied to the error correction techniques, showed that association these techniques have been effective also for burst errors. / O constante avanço no processo de fabricação de circuitos integrados tem reduzido drasticamente a geometria dos transistores e os níveis das tensões de alimentação. Em circuitos de alta densidade operando a baixa tensão, as células de memória são capazes de armazenar informação com menos capacitância, o que significa que menos carga ou corrente é necessária para armazenar os mesmos dados. Durante o período de armazenamento, os dados envolvidos estão suscetíveis a sofrerem influência de meio, tais como interferências eletromagnéticas, radiações ou até mesmo falhas do próprio hardware envolvido. A falha é caracterizada como uma inversão de um ou mais bits de um dado armazenado na memória. Conseqüentemente, os dados poderão apresentar falhas, que provocarão erros e comprometerão a utilização destes dados. Uma forma de resolução destes problemas é a utilização de Códigos Corretores de Erros. Um Código Corretor de Erros é, em essência, um modo organizado de acrescentar algum dado adicional a cada informação que se queira armazenar e que permita, ao recuperarmos a mesma, detectar e corrigir os erros encontrados. A maioria dos Códigos Corretores de Erro em uso são desenvolvidos para corrigirem erros aleatórios, isto é, erros que ocorrem de maneira independente da localização de outros erros. Contudo, em muitas situações, os erros podem aparecer em rajadas. De uma maneira geral, Códigos Corretores de Erros aleatórios não se constituem na forma mais adequada e eficiente para correção de erros em rajadas, e a recíproca também é verdadeira. Dos vários métodos propostos pela literatura, para corrigirmos simultaneamente estes dois tipos de erros, o mais efetivo é o Embaralhamento. O Embaralhador é um algoritmo, um método que pode ser implementado tanto em hardware quanto em software. É essencialmente constituído por um reordenamento dos bits e é executado anteriormente ao armazenamento em memória (Embaralhador) e na leitura, os bits são novamente reordenados, ou seja, são colocados novamente em sua posição original (Desembaralhador). Isto provoca um aumento na taxa de detecção e correção destes erros, uma vez que se houver uma interferência concentrada (rajada de erros) em uma memória, por exemplo, durante o armazenamento, na operação de leitura, ao se fazer o desembaralhamento, os erros ficam expostos de forma distribuída, aparecendo como erros aleatórios ao decodificador. Esta dissertação apresenta uma proposta que combina a utilização de Códigos de Detecção e Correção de erros amplamente referenciados na literatura (Hamming, Hamming Estendido, Reed-Muller e Matrix) associados à técnica de Embaralhamento aplicada a Hardware, com o objetivo de aumentar a capacidade de detecção e correção de erros em rajada (erros concentrados). A execução dos testes de injeção de falhas do tipo bit-flip, aplicadas às técnicas corretoras de erros utilizadas nesta dissertação, mostraram que com a associação da técnica de Embaralhamento as mesmas passaram a ser eficientes também para erros em rajadas.

Made available in DSpace on 2013-08-07T18:53:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000385283-Texto+Completo-0.pdf: 3365473 bytes, checksum: 6d08f2f5bffa95bda247cae13c41e5d7 (MD5) Previous issue date: 2006 / The always increasing number of critical applications requiring real time systems associated with integrated circuits, high density and the progressive system power supply reduction, has made embedded systems more sensitive to the occurrence of transient faults. Techniques that explore the robustness increase in integrated circuits (SoC) by means of increasing the clock duty-cycle generated by the PLL block, in order to accommodate eventual undesired delays through the logic [1] are possible solutions to increase electronic systems reliability. It is said that such systems use “error avoidance” techniques. Other techniques whose goal is not to avoid fault occurrence, but instead, to detect them, are said “error detection” techniques. This work is focused on the second type of techniques in order to increase electronic systems reliability. In other words, this work proposes the development new techniques to perform fault detection at system runtime. Real-time systems depend not only on the logical computation result, but also on the time at which these results are produced. In this scenario, many tasks are executed and the efficient time scheduling is a great concern. During system execution in electromagnetic interference (EMI) exposed environments, there is the large probability of transient faults occurrence. Thus, the use of fault detection techniques prevents faults from propagating through the system till primary outputs and them producing systems defect (and/or compromising the time characteristic of the system). Basically, these detection techniques are classified in two main categories: solutions based on software and solutions based on hardware. In this context, the goal of this work is to specify and to implement a solution based on software techniques (described in C language and inserted in the RTOS kernel) and/or hardware (described in VHDL language and connected on the processor bus) that is capable of performing real time detection of eventual errors in Systems-on-Chips. The faults considered in this work are these that affect the correct processor control flow. The proposed solution is innovative int the sense of having as target systems, those operating is a preemptive multitasking RTOS environment. Therefore, the proposed techniques perform fault detection based on a hybrid solution that combines software (YACCA [2,3]) with hardware (WDT [4,5], OSLC [6,7] and SEIS [8,9,10]). Several system versions have been proposed and implemented. Then, they were validated in on electromagnetic environment according to the standard IEC 62132-2 [11], witch defines rules for testing integrated circuits under radiated EMI. The obtained results demonstrate that the proposed methodology is very efficient, since it yields a high fault detection coverage higher than those proposed by other methodology on the literature. In other works, the proposed work associates the smallest system performance degradation with the smallest memory overhead and the highest fault detection coverage. / Nos últimos anos, o crescente aumento do número de aplicações críticas envolvendo sistemas de tempo real aliado ao aumento da densidade dos circuitos integrados e a redução progressiva da tensão de alimentação, tornou os sistemas embarcados cada vez mais susceptíveis à ocorrência de falhas transientes. Técnicas que exploram o aumento da robustez de sistemas em componentes integrados (SoC) através do aumento do ciclo de trabalho do sinal de relógio gerado por um bloco PLL para acomodar eventuais atrasos indesejados da lógica [1] são possíveis soluções para aumentar a confiabilidade de sistemas eletrônicos. Diz-se que estes sistemas utilizam técnicas de “error avoidance”. Outras técnicas cujo objetivo não é o de evitar falhas, mas sim o de detectá-las, são ditas técnicas de “error detection”. Este trabalho aborda esse segundo tipo de técnica para aumentar a confiabilidade de sistemas eletrônicos; ou seja, aborda o desenvolvimento de técnicas que realizam a detecção de erros em tempo de execução do sistema. Sistemas de tempo real não dependem somente do resultado lógico de computação, mas também no tempo em que os resultados são produzidos. Neste cenário, diversas tarefas são executadas e o escalonamento destas em função de restrições temporais é um tema de grande importância. Durante o funcionamento destes sistemas em ambientes expostos à interferência eletromagnética (EMI), existe a enorme probabilidade de ocorrerem falhas transientes. Assim, a utilização de técnicas capazes de detectar erros evita que dados errôneos se propaguem pelo sistema até atingir as saídas e portanto, produzindo um defeito e/ou comprometendo a característica temporal do sistema. Basicamente, as técnicas de detecção são classificadas em duas categorias: soluções baseadas em software e soluções baseadas em hardware. Neste contexto, o objetivo principal deste trabalho é especificar e implementar uma solução baseada em software (descrito em linguagem C e inserida no núcleo do Sistema Operacional de Tempo Real - RTOS) ou baseada em hardware (descrito em linguagem VHDL e conectada no barramento do processador) capaz de detectar em tempo de execução eventuais erros devido a falhas ocorridas no sistema. As falhas consideradas neste trabalho são aquelas que afetam a execução correta do fluxo de controle do programa. A solução proposta é inovadora no sentido de se ter como alvo sistemas SoC com RTOS multitarefa em ambiente preemptivo. A solução proposta associa a estes sistemas, técnicas híbridas de detecção de erros: baseadas em software (YACCA [2,3]) e em hardware (WDT [4,5], OSLC [6,7] e SEIS [8,9,10]). Diferentes versões do sistema proposto foram implementadas. Em seguida, foram validadas em um ambiente de interferência eletromagnética (EMI) segundo a norma IEC 62132-2 [11] que define regras para os testes de circuitos integrados expostos à EMI irradiada. A análise dos resultados obtidos demonstra que a metodologia proposta é bastante eficiente, pois apresenta uma alta cobertura de falhas e supera os principais problemas presentes nas soluções propostas na literatura. Ou seja, associa uma menor degradação de desempenho com um menor consumo de memória e uma maior cobertura de falhas.

Made available in DSpace on 2013-08-07T18:53:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000395854-Texto+Parcial-0.pdf: 149991 bytes, checksum: 6415bcb468ede2e6d221f3cc0e1c7dda (MD5) Previous issue date: 2007 / This work has been developed error correcting codes: the Bose-Chaudhuri- Hocquenghem (BCH) and the Reed-Solomon (RS). Coders BCH had been implemented directly from the algebraic approach, using as tool, a hardware description language (VHDL), as well as the implementation of prototypes using Field Programable Gate Arrays (FPGA). The achieved results had clearly showed that the increasing performance of these code algorithms, either in the aspect of execution speed, and in FPGA device area usage. The achieved success in the code implementation in FPGA was not about the implementation itself, since there are some similar accomplishments in the market and the academy. The main stone is the fact of using the original algebraic formulation, that is, without the job of usual iterative algorithms (sequential) in the implementation of the BCH. With the results of the BCH algebraic a new code for symbols based in the BCH, has been proprosed, that will be presented as a new alternative to the Reed-Solomon, for surpassing it, as much in time as area to be implemented. Thus, this work test that, with the advance of the resources for rapid prototyping of Very Large Scale Integration (VLSI) technologies, and the hardware description of the code using it original algebraic description, results in a system with impressive performance, as consequence of the paradigm changing, based until the moment in polynomial sequential processing, to a new paradigm of hardware parallelism, executing the algebraic model. / Neste trabalho foram desenvolvidos códigos corretores de erros, como Base-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH) e o Reed-Solomon (RS). Os codificadores BCH foram implementados diretamente de suas abordagens algébricas, empregando como ferramenta uma linguagem de descrição de hardware (VHDL), bem como a implementação de um protótipo utilizando Field Programable Gate Arrays (FPGA). Os resultados obtidos demonstraram claramente que o desempenho destes algoritmos de codificação aumentam consideravelmente, tanto no aspecto de velocidade de execução, quanto a área ocupada do dispositivo FPGA. O sucesso deste trabalho não está na implementação em FPGA destes codificadores, uma vez que existem no mercado e na academia várias realizações similares, mas no fato de empregar como abordagem de implementação e desenvolvimento dos codificadores a formulação algébrica original, isto é, sem o emprego de algoritmos iterativos usuais (seqüenciais) na implementação do BCH. Não obstante, com os resultados do BCH algébrico propõe-se um novo código para símbolos, que será apresentado como uma nova alternativa ao Reed-Solomon, por superá-lo, tanto em tempo de codificação, como área para ser implementado. Assim, este trabalho prova que, com o avanço dos recursos de prototipação e desenvolvimento de tecnologias VLSI, e com a descrição em hardware do código na sua formulação algébrica original, obtém-se um sistema com impressionante desempenho, resultante da mudança de paradigma, baseado até o momento em processamento seqüencial polinomial, para um novo paradigma de paralelismo de hardware, executando o modelo algébrico do código.

Made available in DSpace on 2013-08-07T18:53:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000425449-Texto+Completo-0.pdf: 1505039 bytes, checksum: 6f49f42dd2094687edefde36dcdef070 (MD5) Previous issue date: 2010 / Currently it’s possible to observe that the area devoted to memory elements in embedded systems (Systems-on-Chip, SoC) occupies the largest portion of the integrated circuits and due to the advance in Very Deep Sub-Micron (VDSM) technology is possible to integrate millions of transistors on a single area. The high integration causes new types of defects not only during the fabrication, but also during the lifetime of memories. These new challenges require the development of new methodologies to test SRAMs able not only to detect faults associated with functional models in memories, but also associated with resistive-open defects. In this context, the development of more efficient and effective methodologies is extremely important to ensure the quality of the manufacturing process and the field operation. Thus, the objective of this work is to develop an innovative test technique based simultaneously on the coupling of existing March tests with built-in current sensors to monitor static current dissipation. The validation of the test methodology proposed in this work was based on electrical simulations of a SRAM, where resistors were placed into cells to induce abnormal current consumption. Simulations were performed in HSPICE and COSMOS under the Synopsys framework. From the obtained results, we verify the detection capability of the proposed test strategy with respect to permanent faults generated in the SRAM. Clearly, the advantage of the proposed methodology was the reduced test complexity, i. e., the reduced test application time required to detect the target faults in comparison with existing algorithms, while maintaining the same fault coverage. / Atualmente é possível observar que a área dedicada a elementos de memória em sistemas embarcados (Systems-on-Chip, SoC) ocupa a maior porção dos circuitos integrados e com o avanço da tecnologia Very Deep Sub-Micron (VDSM), é possível integrar milhões de transistores em uma única área de silício. O fato desta elevada integração faz com que surjam novos tipos de defeitos durante a fabricação das memórias. Assim estes novos desafios exigem o desenvolvimento de novas metodologias de teste de SRAMs capazes não só de detectarem defeitos associados a modelos funcionais, e também associados a resistive-open defects. Neste contexto, o desenvolvimento de novos e mais eficientes metodologias de teste de memória é extremamente importante para garantir tanto a qualidade do processo de fabricação como o seu correto funcionamento em campo. Assim, o objetivo deste trabalho é desenvolver uma metodologia de teste que combina um algoritmo simplificado de March com sensores on-chip que monitoram o consumo de corrente estática da memória. A avaliação da viabilidade e eficiência da metodologia de teste proposta neste trabalho foi feita baseada em simulações elétricas de modelos de falhas aplicadas a um bloco de SRAM. Estas simulações foram desenvolvidas com HSPICE e CosmosScope em ambiente Synopsys. A partir dos resultados obtidos, foi possível verificar a capacidade de detecção das falhas permanentes modeladas. A vantagem desta metodologia reside no desenvolvimento de um algoritmo híbrido de teste de memórias baseado fundamentalmente nos monitoramentos da tensão (através de elementos March) e da corrente estática (através de sensores de corrente on-chip).O resultado desta combinação é um novo algoritmo de teste de SRAMs menos complexo, isto é, capaz de detectar falhas em menor tempo de teste quando comparado com algoritmos existentes, ao passo que garante a mesma cobertura de falhas.

Made available in DSpace on 2013-08-07T18:53:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000434267-Texto+Completo-0.pdf: 2520284 bytes, checksum: bbfa8664e6bea88230921db35b045ec5 (MD5) Previous issue date: 2011 / The high complexity of real-time systems significantly increased the need of Real Time Operating Systems (RTOS) in order to simplify the design of them. In this context, RTOS based systems explore a number of features and facilities inherit in the RTOS, such as task management, competition, the memory access and interrupts. Thus, the RTOS performs like an interface between software and hardware. However, real-time systems are often affected by transient faults from different sources, such as electromagnetic interference (EMI), which may affect system functional behavior by degrading not only the aplications running on the system, but also the RTOS as well. In this context, the main idea behind this work is to implement an I-IP (Infrastructure Intellectual- Property) called RTOS-G, hardware-based, able to monitor the RTOS execution flow to detect faults affecting the sequence by which the processor executes the application tasks and the RTOS kernel as well. Finally, practical experiments are presented and discussed. When compared to RTOS native functions, such experiments demonstrate that the RTOS-G ensures a higher fault detection and a significantly lower fault latency. / A alta complexidade dos sistemas de tempo real aumentou significativamente a necessidade da utilização de Sistemas Operacionais de Tempo Real (RTOS - Real Time Operating System) com o objetivo de simplificar o projeto dos mesmos. Neste contexto, sistemas embarcados baseados em RTOS exploram uma série de funcionalidades e facilidades inerentes ao mesmo, tais como o gerenciamento de tarefas, a concorrência, o acesso à memória e as interrupções. Assim, o RTOS funciona com uma interface entre o software e o hardware. Porém, sistemas de tempo real são frequentemente afetados por falhas transientes oriundas de diferentes fontes, tal como a interferência eletromagnética (EMI - Eletromagnetic Interference), que pode gerar falhas capazes de degradar seu comportamento, afetando tanto a aplicação em execução quanto o sistema operacional embarcado. Neste contexto, a principal ideia por trás deste trabalho é a implementação de uma Infrastructure Intellectual-Property (I-IP) denominado RTOS-Guardian (RTOS-G), baseada em hardware, capaz de monitorar o fluxo de execução do RTOS com o intuito de detectar falhas que eventualmente alterem a ordem de execução das tarefas que compõem a aplicação. Ao final, experimentos práticos baseados em uma técnica de injeção de falhas por hardware demonstram que, quando comparado com os mecanismos implementados pelo RTOS que visam proteger e monitorar a execução das principais operações de controle funcional e de fluxo do RTOS, o RTOS-G garante uma detecção de falhas mais elevada e uma latência de detecção de falhas bastante inferior.

O Roteamento Global é responsável pelo planejamento da distribuição dos meios de interconexão dentro da área do circuito. Dentro da fase do projeto de circuitos conhecida como Síntese Física, essa fase situa-se após a etapa de posicionamento, que define uma posição exata para cada célula do circuito, e antes da etapa de roteamento detalhado que irá definir uma posição para cada meio de interconexão. Os roteadores globais utilizam uma versão abstrata e simplificada do circuito, que agrega uma região e toda a capacidade de fios que esta região comporta, trabalhando com o planejamento dessas capacidades em relação a demanda de interconexão entre as células do circuito. Este trabalho, apresenta um conjunto de técnicas para delimitação e tratamento de áreas que possuem alta demanda por meios de interconexão em circuitos VLSI. As técnicas são aplicadas em duas fases do fluxo de rotamento global: a primeira é executada na fase de pré-roteamento, onde são identificadas as regiões que possuem alta demanda por interconexão, isto é, são destino ou origem de um número elevado fios em relação a sua capacidade de alocar meios de interconexão; a segunda etapa ocorre dentro da fase de roteamento iterativo, identificando e protegendo aquelas que regiões que possuem os níveis mais elevados de congestionamento. Para avaliar os impactos da aplicação das técnicas propostas, foi feita a implementação em um fluxo de roteamento global existente. A avaliação foi partir da extração de quatro métricas de roteamento global comumente utilizadas na literatura de síntese física, para análise de roteamento global: comprimento dos fios, valor total de congestionamento, máximo congestionamento de aresta e tempo de execução. A partir da execução de experimentos utilizando as técnicas, foi possível verificar ganhos de até 11% em redução do congestionamento total no circuito, em benchmarks para os quais ainda não se tem soluções válidas na literatura. Os tempos de execução obtiveram um redução de até 35%, quando comparados com a implementação usada como referência para aplicação das técnicas, o roteador GR-WL. Um dos efeitos colaterais da aplicação de técnicas de calibração de custos é o aumento do comprimento médio dos fios. Os resultados dos experimentos mostram que as técnicas propostas conseguem reduzir este efeito colateral para, no máximo, 1.39% de acordo com os benchmarks executados. / Global routing phase is responsible for the interconnect planning and distribution across the circuit area. During the integrated circuit project flow, the global routing is contained in the Physical Synthesis, after the placement, that is when the position of all circuit cells are defined, and before the detailed routing, when the position of all interonnection wires is realized. A simplified and abstrate version of the circuit routing area is used by the global router, that will agregate in a single vertex, an specific region of the circuit, that represents a bunch of interconnection with their total capacity. This work presents a set of techniques to delimit and threat areas that have high interconnection demand in VLSI circuits. These techniques are applied in two steps of the global routing flow: the first is executed during the initial routing, where the high interconnection demanding regions are identified. the second step is executed during the iterative routing, where the top offender regions are identified and heva their costs pre-allocated. In order to evaluate the impact of the proposed techniques, they are implemented in an existing global routing flow, and four metrics are collected: total wirelenght, execution time, total overflow and maximum overflow. Tha last two metrics will be different from zero just for the circuits that not have a valid solution. After the execution of the experiments it was possible to verify a reduction up to 11% in wirelenght, in some benchmarks that the literature do no have a valid solution. Furthermore, it was possible to verify a reduction up to 35% in the execution time, when compared to the reference implementation. Once we are including constraints in form of cost pre-allocation, it is possible to verify an wirelength increase in some cases. In this work, it was possible to observe a small presence of these side-effects, up to 1.39%, according to the executed benchmarks.

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.

Este trabalho apresenta a implementação de um roteador global de circuitos integrados capaz de tratar os problemas de roteamento atuais, utilizando como referência para avaliação os circuitos de benchmark publicados durante as competições de roteamento global realizadas no ACM International Symposium on Physical Design 2007 e 2008. O roteador global desenvolvido utiliza como ferramenta principal a técnica de ripup and reroute associada às técnicas de roteamento monotônico e maze routing, ambas com grande histórico de uso nas ferramentas acadêmicas descritas também neste trabalho. O desenvolvimento da ferramenta também possui características diferenciadas e únicas, com um novo método de ordenamento das redes durante a fase de rip-up and reroute. Para a geração dos resultados foram definidas duas versões diferentes da ferramenta, sendo estas duas versões analisadas com duas diferentes técnicas de construção das árvores de roteamento, gerando no total quatro configurações da ferramenta. Como decisão de projeto, a versão principal utilizada no desenvolvimento e discussão dos resultados é a versão que prioriza a qualidade do roteamento, utilizando MSTs para construção das árvores de roteamento. Os resultados mostram que o roteador global desenvolvido é capaz de gerar resultados com boa qualidade mesmo sem fazer uso de técnicas de identificação de áreas de congestionamento, sem otimizações pós-roteamento e sem nenhuma forma de ajuste (tuning) para os diferentes circuitos de benchmark, apesar de ainda ter tempo de execução acima dos apresentados por outras ferramentas acadêmicas. O foco durante o processo de desenvolvimento e implementação da ferramenta foram os circuitos mais recentes, entretanto a ferramenta obteve ótimos resultados também para os circuitos publicados no ISPD 1998, gerando soluções com qualidade similar ou melhor que as reportadas na literatura. A diferença dos resultados deste trabalho em relação aos melhores resultados dos roteadores globais com código disponível, para circuitos 3D lançados no ISPD 2008 é de, em média, 1,78%1 na métrica de comprimento de fio sem considerar o custo das vias e de 15,56% considerando o custo da via como uma unidade de comprimento de fio (ISPD 2008), para a versão voltada a qualidade de roteamento. Já para a versão da ferramenta que busca a convergência o mais rápido possível a diferença foi de 3,39% e 16,32%, respectivamente. As maiores diferenças são encontradas nos circuitos mais difíceis de gerar uma solução sem violações. Isso mostra como as técnicas de identificação de região podem contribuir tanto para uma convergência mais rápida quanto para evitar que fios passem por rotas desnecessárias durante a fase de negociação. Na métrica que avalia as vias como custo de uma unidade de comprimento, os resultados obtidos apresentam em média 18,67% maior comprimento de fio que os melhores resultados da literatura, sendo que dois circuitos com solução sem violações2 apresentam resultado com violações utilizando a ferramenta desenvolvida neste trabalho. / This work describes the implementation of an integrated circuit global router capable of handling the current routing problems, using as a reference the evaluation of benchmark circuits from the two global routing contests held in ISPD 2007 and 2008. The developed global router uses rip-up and reroute as the main technique associated with monotonic and maze routing techniques, both with large history of use in academic tools, also described in this work. The tool also has distinctive and unique characteristics, with a new method of net ordering during the rip-up and reroute stage. In order to generate the results were defined two different versions of the tool analyzed with two different techniques of routing tree construction, generating a total of four configurations. As a design decision, the major version used in the development and discussion of results is the version that prioritizes the routing quality, using MSTs for tree construction. The results show that the global router developed is able to generate good results even without making use of techniques to identify congestion areas, without post-routing optimizations and without any form of tuning for the different benchmark circuits, despite having run time above other academic tools. The focus during the development and implementation of the tool were the newer circuits, however the tool also obtained excellent results for the circuits released in ISPD 1998, generating solutions with similar quality or better than those reported in the literature. The difference in the results of this work over the best results generated with the available code global routers for 3D circuits released in ISPD 2008 is, on average, 2.53% in wirelength metric without considering the cost of vias and 18.34% considering the cost of the vias as one wirelength unit (ISPD 2008), for the best routing quality version. As for the version of the tool that seeks convergence as soon as possible the difference was 3.82% and 17.03%, respectively. The largest differences were found in the most difficult circuits to generate a solution without violations. This shows how the techniques of congested region identification can contribute to both a faster convergence and to avoid unnecessary wire detours during the negotiation phase. In the metric that evaluates the cost of vias as one wirelength unit, the results show an average of 22.5% greater wirelength than the best results found in literature. Also, the developed global router was unable to find a violation free solution for two circuits that are known to have a violation free solution3.

Nas últimas décadas, o interesse na eletrônica flexível tem aumentado. Sistemas que apresentam benefícios, tais como: baixo custo, melhor desempenho, transparência, confiabilidade e melhores credenciais ecológicas, estão sendo extensivamente pesquisados por vários grupos. Os transistores de filmes-finos possuem potencial para alcançarem essas características. Dispositivos baseados em óxido de zinco (ZnO) tem atraído pesquisadores devido as suas propriedades elétricas, sensoriais e ópticas. Neste trabalho, nanopartículas de ZnO foram utilizadas como semicondutor ativo e cross-linked PVP (polivinilfenol) e PECVD-SiO2 (plasma enhanced chemical vapor deposition silicon dioxide) como dielétricos de porta para integrar transistores de filmes-finos. Este processo de integração tem por objetivo os pré-requisitos de baixo custo e baixa temperatura (<200°C). Por esta razão, a utilização de técnicas de integração simples, como o spin-coating ou a técnica de sidewall-etchback, foram utilizadas. Infelizmente, existem problemas relacionados à confiabilidade em dispositivos baseados em ZnO, entre eles a degradação no tempo ou a histerese. Após uma investigação experimental da histerese na característica de transferência, um modelo qualitativo para o comportamento observado é proposto. Observou-se que a direção da histerese é afetada pela variação da temperatura quando o dielétrico polimérico é usado. Baseando-se na caracterização dos transistores, a polarização do PVP, as armadilhas na superfície das nanopartículas e na interface com o dielétrico, bem como a liberação de moléculas de oxigênio da superfície das nanopartículas foram atribuídas como as principais causas da histerese. Além disso, uma flutuação discreta da corrente é observada em testes de estresse devido à captura e liberação de portadores em determinados caminhos de corrente no transistor, semelhante a random telegraph signal (RTS), relatado em MOSFET nanométricos. Este resultado suporta o hipotético mecanismo de transporte de elétrons (caminhos de percolação) em filmes compostos por ZnO nanoparticulado. / During the last decades, the interest in flexible electronics has arisen. Systems that present benefits such as low cost, improved performance, transparency, reliability and better environmental credential are being extensively researched by several groups. Thin-film transistors (TFT) have good potential concerning these technologies. Therefore, zinc oxide (ZnO) based devices have been attracting researchers for its electrical, sensory and optical properties. In this work, ZnO nanoparticles were used to integrate thin-film transistors, in which cross-linked PVP (Poly(4-vinylphenol)) and PECVD-SiO2 (plasma enhanced chemical vapor deposition silicon dioxide) were used as gate dielectric layer. The complete integration process targets low cost and low temperature requirements (< 200°C). For this reason, simple process techniques as spin-coating or sidewall-etchback were used. Unfortunately, there are different reliability concerns in ZnO devices, among them aging or hysteresis. An experimental investigation of the hysteresis in the transfer characteristic is performed, and a qualitative model for the observed behavior is proposed. It was observed that the hysteresis direction is affected by temperature variation when the polymeric dielectric is used. The PVP bulk polarization, the traps in nanoparticles and at the polymeric dielectric interface, as well as the desorption of oxygen molecules in the surface of the nanoparticles, were attributed as the main cause of the hysteretic behavior. Moreover, capture and release of charge carriers by traps at determined current paths in the transistor lead to discrete current fluctuations in stress tests, similar to random telegraph signal (RTS) reported in nanoscale MOSFET. This result supports the hypothesis of charge transport mechanism (percolation paths) in nanoparticulate ZnO.

Redes elétricas desempenham um papel fundamental no que tange à distribuição de energia elétrica. Entretanto, as redes elétricas convencionais são muito antigas, apresentando uma série de deficiências e inseguranças. Neste cenário surgem as redes elétricas inteligentes, mais conhecidas como smart grids. Smart grids são uma evolução para as redes elétricas tradicionais, apresentando como grande diferencial a presença intensiva de tecnologia de ponta para monitorar cada elemento que a compõe. Uma das principais características de smart grids é seu fluxo bidirecional de energia e informação, que permite a qualquer elemento tanto consumir quanto fornecer energia para a rede, seja um aerogerador ou mesmo uma residência. Tal característica vai de encontro à necessidade de se distribuir a produção energética, tornando-a mais robusta e tolerante a falhas. Uma tecnologia que surgiu em meio ao desenvolvimento de smart grids denomina-se Veículo-Para-Rede (V2G, do inglês Vehicle-To-Grid). Através de sessões V2G, veículos elétricos (EVs, em inglês electric vehicles) podem vender a energia de suas baterias para a rede, obtendo lucro com este procedimento. Existem duas vantagens nesta tecnologia. Por um lado, proprietários de EVs podem obter lucro com a venda de energia, reduzindo os custos de se manter seu veículo. Por outro lado, a rede como um todo se beneficia, pois as baterias podem ser utilizadas para aumentar a estabilidade da rede. Entretanto, para que estas vantagens sejam expressivas, é necessário utilizar-se de mecanismos para aumentar a eficiência do processo V2G, uma vez que baterias são muito caras. Uma alternativa que tem sido muito explorada é a formação de coalizões entre os EVs. A proposta deste trabalho é utilizar informações sobre o domínio de smart grids de modo a impor restrições no processo de formação de coalizões de EVs, visando à redução do espaço de busca de estruturas de coalizão. Especificamente, estabelece-se a distância máxima que pode haver entre dois EVs de uma mesma coalizão, através da qual é possível identificar e podar porções inválidas do espaço de busca. Para tanto, é proposto o algoritmo CPCSG, capaz de identificar restrições entre os EVs e de podar o espaço de busca. A abordagem proposta pode ser utilizada em conjunto com algoritmos de geração de estruturas de coalizão para torná-los mais rápidos e eficientes. Com base em experimentos, percebe-se que a abordagem proposta proporciona um ganho notável de desempenho e uma redução expressiva no uso de memória em relação a outros algoritmos para geração de estruturas de coalizão. Em geral, quanto mais restritiva a rede e quanto maior o número de agentes, maior será o percentual do espaço de busca passível de ser podado. Resultados mostram, ainda, que quando comparada com outros algoritmos de geração de estruturas de coalizão, a técnica proposta chega a superar o tempo dos demais em diversas ordens de magnitude. / Electric grids play a key role in the energy distribution process. However, conventional grids are very old, which causes the onset of weaknesses and uncertainties. In such a scenario the smart grid concept arises. Smart grids are an evolution to the ageing electric grids, whose major breakthrough is the intensive use of technology to monitor every element that comprises it. One of the main features of smart grids is its bi-directional flow of electricity and information, which allows any element to consume and even supply energy to the grid, regardless of being a wind turbine or even a residence. Such a characteristic meets the need to make the energy production more distributed, making it more robust and fault tolerant. Amidst the development of smart grids emerged the concept of Vehicle-To-Grid (V2G). Through V2G sessions, electric vehicles (EVs) can sell the surplus energy of their batteries to the grid, making a profit. Two advantages arise from this technology. First, EVs’ owners can make a profit from the sale of energy, reducing their vehicles’ maintenance cost. Second, the network as a whole is benefited as batteries could be used to increase the network stability. However, in order to benefit from such advantages, it is necessary the use mechanisms to increase the efficiency of the V2G process, since batteries are very expensive. One way that has been explored is the coalition formation among EVs. The proposal of this work is to use smart grids’ domain information to impose constraints on the coalition formation process in order to reduce the coalition structures’ search space. Specifically, we define a maximum distance that can exist between two EVs of a given coalition, through which it is possible to identify and prune invalid portions of the search space. To this end, we propose the CPCSG algorithm, which has the capability of identifying constraints among EVs and pruning the search space. The proposed approach can be used together with coalition structure generation algorithms to make them faster and more efficient. Based on experiments, it can be seen that our approach provides a noticeable performance gain and a significant memory usage reduction compared to other coalition structure generation algorithms. In general, the more restrictive the grid and the greater the number of agents, the greater the percentage of the search space that can be pruned. Results also show that when compared with other coalition structure generation algorithms, the proposed technique is able to overcome the other in time by several orders of magnitude.