O avanço das tecnologias de circuitos integrados (CIs) levanta importantes questões relacionadas à confiabilidade e à robustez de sistemas eletrônicos. A diminuição da geometria dos transistores, a redução dos níveis de tensão, as menores capacitâncias e portanto menores correntes e cargas para alimentar os circuitos, além das freqüências de relógio elevadas, têm tornado os CIs mais vulneráveis a falhas, especialmente àquelas causadas por ruído elétrico ou por efeitos induzidos pela radiação. Os efeitos induzidos pela radiação conhecidos como Soft Single Event Effects (Soft SEEs) podem ser classificados em: Single Event Upsets (SEUs) diretos em nós de elementos de armazenagem que resultam em inversões de bits; e pulsos transientes Single Event Transients (SETs) em qualquer nó do circuito. Especialmente SETs em circuitos combinacionais podem se propagar até os elementos de armazenagem e podem ser capturados. Estas errôneas armazenagens podem também serem chamadas de SEUs indiretos. Falhas como SETs e SEUs podem provocar erros em operações funcionais de um CI. Os conhecidos Soft Errors (SEs) são caracterizados por valores armazenados erradamente em elementos de memória durante o uso do CI. SEs podem produzir sérias conseqüências em aplicações de CIs devido à sua natureza não permanente e não recorrente. Por essas razões, mecanismos de proteção para evitar SEs através de técnicas de tolerância a falhas, no mínimo em um nível de abstração do projeto, são atualmente fundamentais para melhorar a confiabilidade de sistemas. Neste trabalho de dissertação, uma versão tolerante a falhas de um microprocessador 8-bits de produção em massa da família M68HC11 foi projetada. A arquitetura é capaz de tolerar SETs e SEUs. Baseado nas técnicas de Redundância Modular Tripla (TMR) e Redundância no Tempo (TR), um esquema de proteção foi projetado e implementado em alto nível no microprocessador alvo usando apenas portas lógicas padrões. O esquema projetado preserva as características da arquitetura padrão de tal forma que a reusabilidade das aplicações do microprocessador é garantida. Um típico fluxo de projeto de circuitos integrados foi desenvolvido através de ferramentas de CAD comerciais. Testes funcionais e injeções de falhas através da simulação de execuções de benchmarks foram realizados como um teste de verificação do projeto. Além disto, detalhes do projeto do circuito integrado tolerante a falhas e resultados em área, performance e potência foram comparados com uma versão não protegida do microprocessador. A área do core aumentou 102,64 % para proteger o circuito alvo contra SETs e SEUs. A performance foi degrada em 12,73 % e o consumo de potência cresceu cerca de 49 % para um conjunto de benchmarks. A área resultante do chip robusto foi aproximadamente 5,707 mm². / The advance of the IC technologies raises important issues related to the reliability and robustness of electronic systems. The transistor scale by shrinking its geometry, the voltage reduction, the lesser capacitances and therefore smaller currents and charges to supply the circuits, besides the higher clock frequencies, have made the IC more vulnerable to faults, especially those faults caused by electrical noise or radiationinduced effects. The radiation-induced effects known as Soft Single Event Effects (Soft SEEs) can be classified into: direct Single Event Upsets (SEUs) at nodes of storage elements that result in bit flips; and Single Event Transient (SET) pulses at any circuit node. Especially SETs on combinational circuits might propagate itself up to the storage elements and might be captured. These erroneous storages can be also called indirect SEUs. Faults like SETs and SEUs can provoke errors in functional operations of an IC. The known Soft Errors (SEs) are characterized by values stored wrongly on memory elements during the use of the IC. They can make serious consequences in IC applications due to their non-permanent and non-recurring nature. By these reasons, protection mechanisms to avoid SEs by using fault-tolerance techniques, at least in one abstraction level of the design, are currently fundamental to improve the reliability of systems. In this dissertation work, a fault-tolerant IC version of a mass-produced 8-bit microprocessor from the M68HC11 family was designed. It is able to tolerate SETs and SEUs. Based on the Triple Modular Redundancy (TMR) and Time Redundancy (TR) fault-tolerance techniques, a protection scheme was designed and implemented at high level in the target microprocessor by using only standard logic gates. The designed scheme preserves the standard-architecture characteristics in such way that the reusability of microprocessor applications is guaranteed. A typical IC design flow was developed by means of commercial CAD tools. Functional testing and fault injection simulations through benchmark executions were performed as a design verification testing. Furthermore, fault-tolerant IC design issues and results in area, performance and power were compared with a non-protected microprocessor version. The core area increased by 102.64 % to protect the target circuit against SETs and SEUs. The performance was degraded in 12.73 % and the power consumption grew around 49 % for a set of benchmarks. The resulting area of the robust chip was approximately 5.707 mm².

O advento da utilização de circuitos integrados pela sociedade se deu por dois motivos. O primeiro consiste na miniaturização das dimensões dos dispositivos integrados. Essa miniaturização permitiu a construção de dispositivos menores, mais rápidos e que consomem menos frequência. O outro fator é a utilização da metodologia baseada em biblioteca de células. Esta metodologia permite o projeto de um circuito eficiente em um curto espaço de tempo. Com a redução dos dispositivos, novos fatores que eram desconsiderados no fluxo automático passaram a ter importância. Dentre eles podemos citar o consumo estático, a variabilidade, a manufaturabilidade e o envelhecimento. Alguns desses fatores, como o consumo estático e a variabilidade, já estão integrados à metodologia baseada em biblioteca de células. Os efeitos de envelhecimento tem sua degradação aumentada a cada novo processo tecnológico, assim como tem aumentado também a sua importância em relação à confiabilidade do circuito ao longo da sua vida útil. Este trabalho irá explorar estes efeitos de envelhecimento no projeto de circuitos integrados digitais. Dentre as principais contribuições pode-se destacar a definição de um custo de envelhecimento na definição de portas lógicas, que pode ser explorado pelos algoritmos de síntese lógica para obterem um circuito mais confiável. Este custo também pode ser utilizado pelas ferramentas de análise a fim de obter uma estimativa da degradação que o circuito proposto irá sofrer ao longo da sua vida útil. Além disso, é apresentada uma proposta de reordenamento estrutural do arranjo de transistores em portas lógicas, a fim de tratar os efeitos de envelhecimento nos níveis mais iniciais do fluxo. Por fim, uma análise simplificada de características a serem exploradas ao nível de circuito é discutida utilizando o auxílio do projeto de portas lógicas complexas. Os resultados apresentam uma boa e rápida estimativa da degradação das portas lógicas. A reestruturação do arranjo dos transistores tem se apresentado como uma boa alternativa ao projeto de circuitos mais confiáveis. Além disso, a utilização de arranjos mais complexos também é uma excelente alternativa que explora a robustez intrínseca da associação de transistores em série. Além disso, as alternativas propostas podem ser utilizadas em conjunto com técnicas já existentes na literatura. / The increased presence of integrated circuit (IC) in the people’s life has occurred for main two reasons. The first is the aggressive scaling of integrated device dimensions. This miniaturization enabled the construction of smaller, faster and lower power consumption devices. The other factor is the use of a cell based methodology in IC design. This methodology is able to provide efficient circuits in a short time. With the devices scaling, new factors that were usually ignored in micrometer technologies have become relevant in nanometer designs. Among them, it can be mentioned the static consumption, process parameters variability, manufacturability and aging effects. Some of these factors, such as static consumption and variability, are already taken into account by the standard cell design methodology. On the other hand, the degradation caused by aging effects has increased at each new technology node, as well as the importance in relation to the circuit reliability throughout its entire lifetime has also increased. This thesis explores such aging effects in the design of digital IC. The main contributions can be highlighted as the definition of a cost of aging that can be exploited by logic synthesis algorithms to produce a more reliable circuit. This cost can be also used by the analysis tools in order to obtain an estimative of the degradation that specific circuit experiences throughout their lifetime. In addition, a proposal to reorder the transistor structural arrangement of logic gates is presented in order to treat the effects of aging on initial steps in the design flow. Finally, a simplified analysis of the characteristics to be exploited at circuit level is performed exploring details of the design of complex logic gates. The aging cost results have given a good and fast prediction of logic gates degradation. The transistor arrangement restructuring approach is a good alternative to design more reliable circuits. Furthermore, the use of complex arrangements is also an excellent alternative which exploits the intrinsic robustness of series transistors association. Moreover, the discussed approaches can be easily used together with existing techniques in the literature to achieve better results.

This work deals with verification possibilities of integrated circuits, especially with hardware emulation. The first part of the text briefly describes designing process of an integrated circuit, which includes emulation using emulation platforms. The main part of this work deals with the innovation of the emulation platform, which is used by SCG Czech Design Center s. r. o. Possible ways to improve the current emulation platform are explored and further taken into account when designing a universal emulation platform. Last part of this work deals with functional verification of the proposed universal emulation platform. Functionality will be verified by emulation of the basic control functions of the NCP1246 circuit.

This dissertation explores CMOS RF design and reliability for portable wireless receivers. The objective behind this research is to achieve an increase in integration level, and gain more understanding for RF reliability. The fields covered include device, circuit and system. What is under investigation is a multi-band multi-mode receiver with GSM, DCS-1800 and CDMA compatibility. To my understanding, GSM and CDMA dual-mode mobile phones are progressively investigated in industries, and few commercial products are available. The receiver adopts direct conversion architecture. Some improved circuit design methods are proposed, for example, for low noise amplifier (LNA). Except for band filters, local oscillators, and analog-digital converters which are usually implemented by COTS SAW filters and ICs, all the remaining blocks such as switch, LNA, mixer, and local oscillator are designed in MOSIS TSMC 0.35[micro]m technology in one chip. Meanwhile, this work discusses related circuit reliability issues, which are gaining more and more attention. Breakdown (BD) and hot carrier (HC) effects are important issues in semiconductor industry. Soft-breakdown (SBD) and HC effects on device and RF performance has been reported. Hard-breakdown (HBD) effects on digital circuits have also been investigated. This work uniquely address HBD effects on the RF device and circuit performance, taking low noise amplifier and power amplifier as targets.

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With continuous and aggressive scaling in semiconductor technology, there is an increasing gap between design expectation and manufactured silicon data. Research on DFM (Design for manufacturability), MFD (Manufacturing for Design) and statistical analysis have been investigated in recent years to bridge design and manufacturing. Fundamentally, layout is the final output from the design side and the input to the manufacturing side. It is also the last chance to dramatically modify the design efficiently and economically. In this dissertation, I present the modeling and optimization work on bridging the gap between design expectation and reality, improving performance and enhancing manufacturing yield. I investigate several stages of semiconductor design development including manufacturing process, device, interconnect, and circuit level. In the manufacturing process stage, a novel inverse lithography technology (ILT) is proposed for sub-wavelength lithography resolution enhancement. New intuitive transformations enable the method to gradually converge to the optimal solution. A highly efficient method for gradient calculation is derived based on partially coherent optical models. Dose variation is considered within the ILO process with the min-max optimization method and the computation overhead on dose process variation could be omitted. The methods are implemented in state-of-the-art industrial 32nm lithography environment. After the work in the lithography process stage provides both mask optimization and post-layout silicon image simulation, my work on the first non-rectangular device modeling card extends the post-layout lithography to post-litho electrical calibration. Based on the lithography simulation results, the non-rectangular gate shapes are extracted and their effect is investigated by the proposed non-rectangular device modeling card and post-litho circuit simulation flow. This work is not only the first non-rectangular device modeling card but also compatible with industry standard device models and the parameter extraction flow. Interconnect plays a more critical role in the nanometer scale IC design especially because of its impact on delay. The scattering effect that occurs in nanoscale wires is modeled and different methods of wire sizing/shaping are discussed. Based on closed-form resistivity model for nanometer scale Cu interconnect, new interconnect delay model and wire sizing/shaping strategies are developed. Based on the advanced modeling of process, device and interconnect, circuit level investigation is focused on statistical timing analysis with a new latch delay model. For the first time, both combinational logic and clock distribution circuits are integrated together through statistical timing of latch outputs. This dissertation studies the new phenomena of nanometer scale IC design and manufacture. Starting from the designed layout, through modeling, optimization and simulation, the work moves ahead to the mask pattern and silicon image, calibrates electrical properties of devices as well as circuits. Through above process, we can better connect layout with silicon data to reach design and manufacturing closure. / text

Nesta dissertação é apresentada a aplicação da programação geométrica no projeto de uma fonte de tensão de referência de baixa tensão de alimentação que pode ser integrada em tecnologias padrões CMOS. Também são apresentados os resultados experimentais de um projeto da fonte de bandgap feito por um método de projeto convencional, cuja experiência motivou e ajudou ao desenvolvimento da formulação do programa geométrico proposta neste trabalho. O programa geométrico desenvolvido nesta dissertação otimiza o desempenho da fonte de bandgap e agiliza seu tempo de projeto. As expressões matemáticas que descrevem o funcionamento e as principais especificações da fonte de bandgap foram geradas e adaptadas ao formato de um programa geométrico. A compensação da temperatura, o PSRR, o consumo de corrente, a área, a tensão de saída e a sua variação por causa da tensão de offset do OTA, e a estabilidade são as principais especificações deste tipo de fonte de tensão de referência e fazem parte do programa geométrico apresentado neste trabalho. Um exemplo do projeto usando o programa geométrico formulado neste trabalho, mostra a possibilidade de projetar a fonte de bandgap em alguns minutos com erros baixos entre os resultados do programa geométrico e de simulação. / This work presents the application of geometric programming in the design of a CMOS low-voltage bandgap voltage reference source. Test results of a bandgap voltage reference designed via a conventional method are showed, this design experience motivated and helped to formulate the geometric program developed in this work. The geometric program developed in this work optimizes the bandgap source performance and speeds up the design time. The mathematical expressions that describe the bandgap source functioning and specifications were developed and adapted in the geometric program format. The temperature compensation, the PSRR, the current consumption, the area, the output voltage and its variations under the operational tranconductance amplifier offset voltage, and the stability are the main specifications of this type of bandgap reference source and they are included into the geometric program presented in this work. An example of the design using the geometric program formulated in this work, shows the possibility of designing the bandgap source in a few minutes with low errors between the geometric program results and the simulation results.

Nesta dissertação é apresentada a aplicação da programação geométrica no projeto de uma fonte de tensão de referência de baixa tensão de alimentação que pode ser integrada em tecnologias padrões CMOS. Também são apresentados os resultados experimentais de um projeto da fonte de bandgap feito por um método de projeto convencional, cuja experiência motivou e ajudou ao desenvolvimento da formulação do programa geométrico proposta neste trabalho. O programa geométrico desenvolvido nesta dissertação otimiza o desempenho da fonte de bandgap e agiliza seu tempo de projeto. As expressões matemáticas que descrevem o funcionamento e as principais especificações da fonte de bandgap foram geradas e adaptadas ao formato de um programa geométrico. A compensação da temperatura, o PSRR, o consumo de corrente, a área, a tensão de saída e a sua variação por causa da tensão de offset do OTA, e a estabilidade são as principais especificações deste tipo de fonte de tensão de referência e fazem parte do programa geométrico apresentado neste trabalho. Um exemplo do projeto usando o programa geométrico formulado neste trabalho, mostra a possibilidade de projetar a fonte de bandgap em alguns minutos com erros baixos entre os resultados do programa geométrico e de simulação. / This work presents the application of geometric programming in the design of a CMOS low-voltage bandgap voltage reference source. Test results of a bandgap voltage reference designed via a conventional method are showed, this design experience motivated and helped to formulate the geometric program developed in this work. The geometric program developed in this work optimizes the bandgap source performance and speeds up the design time. The mathematical expressions that describe the bandgap source functioning and specifications were developed and adapted in the geometric program format. The temperature compensation, the PSRR, the current consumption, the area, the output voltage and its variations under the operational tranconductance amplifier offset voltage, and the stability are the main specifications of this type of bandgap reference source and they are included into the geometric program presented in this work. An example of the design using the geometric program formulated in this work, shows the possibility of designing the bandgap source in a few minutes with low errors between the geometric program results and the simulation results.

Este trabalho trata de arquiteturas e algoritmos para o desenvolvimento de sistemas computacionais. Tais sistemas são constituídos de um microprocessador (específico ou comercialmente disponível), de seu conjunto de programas e de um HW dedicado que será utilizado para otimização do sistema. O objetivo principal desta tese é demonstrar que, presentemente, a linha divisória entre HW e SW e cada vez mais tênue, e a transição entre um e outro pode ser feita de maneira suave pelo projetista de sistemas, na busca de um ponto ótimo no balanço entre custo e desempenho. Apresenta-se em seqüência o ambiente de CAD, a classificação de rotinas e os métodos de otimização tendo em vista esta classificação para o aumento de desempenho de sistemas computacionais. A seguir são apresentadas técnicas para processadores dedicados de arquitetura Risc, visando a otimização de certos tipos de programas. Os resultados de aceleração são apresentados para um conjunto de exemplos. Tendo em vista o mercado nacional de eletrônica, fortemente baseado em microcontroladores, estudam-se e mostram-se possibilidades de otimização e integração de sistemas baseados em tais processadores, assim como a aplicabilidade das mesmas técnicas para processadores dedicados. A viabilidade técnica desta realização é discutida através de exemplos baseados em aplicações reais. Finalmente, a validação de sistemas computacionais, em especial aqueles trabalhados nesta tese, é discutida. / This work discusses architectures and algorithms for the development of computational systems, which are based on a microprocessor (custom or off-the-shelf), the set of application programs and a dedicated HW, used to increase the performance of the whole system. The goal of this work is to show that, nowadays, the division line between SW and HW is smooth, and the transition from one to the other can be achieved by the system designer using a specific CAD in order to obtain a trade-off between cost and performance. The CAD environment is presented, followed by routine classification and optimization methods based on the former classification to increase the performance of the system. Techniques devoted to systems based on dedicated Risc processors are showed next, to optimize certain type of programs. Positive results are shown for a set of examples. Since the Brazilian electronics market is strongly based on microcontrollers, the study and results of optimization techniques regarding this type of systems are also presented. The same techniques can be applied to dedicated processors as well. Results of this proposal are obtained for a set of real world examples. The last topic of this work regards the validation of computational systems, mainly those presented throughout this work.

Este trabalho trata de arquiteturas e algoritmos para o desenvolvimento de sistemas computacionais. Tais sistemas são constituídos de um microprocessador (específico ou comercialmente disponível), de seu conjunto de programas e de um HW dedicado que será utilizado para otimização do sistema. O objetivo principal desta tese é demonstrar que, presentemente, a linha divisória entre HW e SW e cada vez mais tênue, e a transição entre um e outro pode ser feita de maneira suave pelo projetista de sistemas, na busca de um ponto ótimo no balanço entre custo e desempenho. Apresenta-se em seqüência o ambiente de CAD, a classificação de rotinas e os métodos de otimização tendo em vista esta classificação para o aumento de desempenho de sistemas computacionais. A seguir são apresentadas técnicas para processadores dedicados de arquitetura Risc, visando a otimização de certos tipos de programas. Os resultados de aceleração são apresentados para um conjunto de exemplos. Tendo em vista o mercado nacional de eletrônica, fortemente baseado em microcontroladores, estudam-se e mostram-se possibilidades de otimização e integração de sistemas baseados em tais processadores, assim como a aplicabilidade das mesmas técnicas para processadores dedicados. A viabilidade técnica desta realização é discutida através de exemplos baseados em aplicações reais. Finalmente, a validação de sistemas computacionais, em especial aqueles trabalhados nesta tese, é discutida. / This work discusses architectures and algorithms for the development of computational systems, which are based on a microprocessor (custom or off-the-shelf), the set of application programs and a dedicated HW, used to increase the performance of the whole system. The goal of this work is to show that, nowadays, the division line between SW and HW is smooth, and the transition from one to the other can be achieved by the system designer using a specific CAD in order to obtain a trade-off between cost and performance. The CAD environment is presented, followed by routine classification and optimization methods based on the former classification to increase the performance of the system. Techniques devoted to systems based on dedicated Risc processors are showed next, to optimize certain type of programs. Positive results are shown for a set of examples. Since the Brazilian electronics market is strongly based on microcontrollers, the study and results of optimization techniques regarding this type of systems are also presented. The same techniques can be applied to dedicated processors as well. Results of this proposal are obtained for a set of real world examples. The last topic of this work regards the validation of computational systems, mainly those presented throughout this work.