A Eletromigração (EM) nas interconexões de metal em um chip é um mecanismo crítico de falhas de confiabilidade em tecnologias de escala nanométrica. Os trabalhos na literatura que abordam os efeitos da EM geralmente estão preocupados com estes efeitos nas redes de distribuição de potência e nas interconexões entre as células. Este trabalho aborda o problema da EM em outro aspecto, no interior das células, e aborda especificamente o problema da eletromigração em interconexões de saída, Vdd e Vss dentro de uma célula padrão onde há poucos estudos na literatura que endereçam esse problema. Até onde sabe-se, há apenas dois trabalhos na literatura que falam sobre a EM no interior das células. (DOMAE; UEDA, 2001) encontrou buracos formados pela EM nas interconexões de um inversor CMOS e então propôs algumas ideias para reduzir a corrente nos segmentos de fio onde formaram-se buracos. O outro trabalho, (JAIN; JAIN, 2012), apenas cita que a EM no interior das células padrão deve ser verificada e a frequência segura das células em diferentes pontos de operação deve ser modelada. Nenhum trabalho da literatura analisou e/ou modelou os efeitos da EM nos sinais dentro das células. Desta forma, este é o primeiro trabalho a usar o posicionamento dos pinos para reduzir os efeitos da EM dentro das células. Nós modelamos a eletromigração no interior das células incorporando os efeitos de Joule heating e a divergência da corrente e este modelo é usado para analisar o tempo de vida de grandes circuitos integrados. Um algoritmo eficiente baseado em grafos é desenvolvido para acelerar a caracterização da EM no interior das células através do cálculos dos valores de corrente média e RMS. Os valores de corrente computados por esse algoritmo produzem um erro médio de 0.53% quando comparado com os valores dados por simulações SPICE. Um método para otimizar a posição dos pinos de saída, Vdd e Vss das células e consequentemente otimizar o tempo de vida do circuito usando pequenas modificações no leiaute é proposto. Para otimizar o TTF dos circuitos somente o arquivo LEF é alterado para evitar as posições de pino críticas, o leiaute da célula não é alterado. O tempo de vida do circuito pode ser melhorado em até 62.50% apenas evitando as posições de pino críticas da saída da célula, 78.54% e 89.89% evitando as posições críticas do pino de Vdd e Vss, respectivamente Quando as posições dos pinos de saída, Vdd e Vss são otimizadas juntas, o tempo de vida dos circuitos pode ser melhorado em até 80.95%. Além disso, nós também mostramos o maior e o menor tempo de vida sobre todos as posições candidatas de pinos para um conjunto de células, onde pode ser visto que o tempo de vida de uma célula pode ser melhorado em até 76 pelo posicionamento do pino de saída. Além disso, alguns exemplos são apresentados para explicar porque algumas células possuem uma melhora maior no TTF quando a posição do pino de saída é alterada. Mudanças para otimizar o leiaute das células são sugeridas para melhorar o tempo de vida das células que possuem uma melhora muito pequena no TTF através do posicionamento dos pinos. A nível de circuito, uma análise dos efeitos da EM é apresentada para as diferentes camadas de metal e para diferentes comprimentos de fios para os sinais (nets) que conectam as células. / Electromigration (EM) in on-chip metal interconnects is a critical reliability failure mechanism in nanometer-scale technologies. Usually works in the literature that address EM are concerned with power network EM and cell to cell interconnection EM. This work deals with another aspect of the EM problem, the cell-internal EM. This work specifically addresses the problem of electromigration on signal interconnects and on Vdd and Vss rails within a standard cell. Where there are few studies in the literature addressing this problem. To our best knowledge we just found two works in the literature that talk about the EM within a cell. (DOMAE; UEDA, 2001) found void formed due to electromigration in the interconnection portion in a CMOS inverter and then proposes some ideas to reduce the current through the wire segments where the voids were formed. The second work, (JAIN; JAIN, 2012), just cites that the standard-cell-internal-EM should be checked and the safe frequency of the cells at different operating points must be modeled. No previous work analyzed and/or modeled the EM effects on the signals inside the cells. In this way, our work is the first one to use the pin placement to reduce the EM effects inside of the cells. In this work, cell-internal EM is modeled incorporating Joule heating effects and current divergence and is used to analyze the lifetime of large benchmark circuits. An efficient graph-based algorithm is developed to speed up the characterization of cell-internal EM. This algorithm estimates the currents when the pin position is moved avoiding a new characterization for each pin position, producing an average error of just 0.53% compared to SPICE simulation. A method for optimizing the output, Vdd and Vss pin placement of the cells and consequently to optimize the circuit lifetime using minor layout modifications is proposed. To optimize the TTF of the circuits just the LEF file is changed avoiding the critical pin positions, the cell layout is not changed. The circuit lifetime could be improved up to 62.50% at the same area, delay, and power because changing the pin positions affects very marginally the routing. This lifetime improvement is achieved just avoiding the critical output pin positions of the cells, 78.54% avoiding the critical Vdd pin positions, 89.89% avoiding the critical Vss pin positions and up to 80.95% (from 1 year to 5.25 years) when output, Vdd, and Vss pin positions are all optimized simultaneously. We also show the largest and smallest lifetimes over all pin candidates for a set of cells, where the lifetime of a cell can be improved up to 76 by the output pin placement. Moreover, some examples are presented to explain why some cells have a larger TTF improvement when the output pin position is changed. Cell layout optimization changes are suggested to improve the lifetime of the cells that have a very small TTF improvement by pin placement. At circuit level, we present an analysis of the EM effects on different metal layers and different wire lengths for signal wires (nets) that connect cells.

Em circuitos integrados complexos, potência e desempenho têm caminhado em direções opostas tornando o desenvolvimento de dispositivos de baixo consumo uma tarefa altamente custosa. Tradicionalmente, empresas de desenvolvimento de circuitos integrados utilizam variadas técnicas para garantir os requisitos de potência, no entanto, técnicas baseadas em biblioteca de células tem se tornado um gargalo para o processo de desenvolvimento. À medida que os projetos aumentam de complexidade e densidade, maior tende a ser a potência dissipada por estes dispositivos, e assim, mais importante torna-se sua redução. Buscando aumentar a capacidade de redução de potência, projetistas tem aplicado diferentes técnicas para cada nível de abstração do fluxo de projeto. No nível físico, de maneira a contornar os limites das bibliotecas de células, o desenvolvimento de células especificamente projetadas tem se tornado uma rotina em projetos com grandes restrições de potência. Observando este requisito, este trabalho visa pesquisar a implementação e otimização de células digitais CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) estática em nível de transistores, e o emprego de metodologia de projeto livre de biblioteca como um recurso para a concepção de sistemas de baixa potência. De um modo geral, menos transistores são desejáveis para reduzir a dissipação de potência, no entanto, longas cadeias de transistores, necessários para implementar funções lógicas específicas, conduz ao aumento do tempo de transição, e, portanto, maior dissipação de energia. A fim de evitar este efeito, construímos uma função de mapeamento, com base no tamanho dos transistores, de forma a evitar um tempo de transição lento e minimizar o número de transistores. O uso deste método demonstrou ser eficaz para o ajuste fino de circuitos de baixa potência, resultando em uma redução média de 6.35% no consumo dinâmico e de 8.26% no consumo estático em comparação com a metodologia baseada em biblioteca de células. Como trabalho adicional, é apresentado um fluxo automatizado de mapeamento lógico e capaz de gerar redes de transistores específicas para cada projeto, tornando possível sua utilização em ferramentas de desenvolvimento tradicionais. / In complex integrated circuits, power and performance have moved in opposite directions making the design of low-power devices a highly costly task. Traditionally, integrated circuit design companies adopt many techniques to ensure power requirements, however, techniques based on cell library has become a bottleneck for the development process. As the design complexity and density increase, greater will be the power dissipated, and thus its reduction becomes more important. Seeking to increase the power reduction capability, designers have applied different techniques for each level of the design flow abstraction. At the physical level, so as to bypass the limits of cell libraries, the development of specifically designed cells has become a routine for designs with large power constraints. Observing this requirement, this work aims to investigate the implementation and optimization of digital static CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) cell at transistors level, and the use of library free design methodology as a resource for designing low power systems. In general, fewer transistors are desirable to reduce power dissipation, however, long chains of transistors, necessary for implementing specific logical functions, leads to the increase of the transition time, and hence greater energy dissipation. In order to avoid this effect, we constructed a mapping function, based on transistor size, in order to avoid slow transition time and minimize the number of transistors. The use of this method has proven effective for fine adjustment low power circuits, resulting in an average reduction of 6.35% in dynamic power and 8.26% in static power as compared with the cell library based methodology. As further work, an automated flow set is presented for the logical mapping able to generate specific networks of transistors for each design, making possible their use in traditional design tools.

Esta dissertação explora os desafios agravados pela miniaturização da tecnologia na fabricação e projeto de circuitos integrados digitais. Os efeitos físicos do regime nanométrico reduzem o rendimento da produção e encurtam a vida útil dos dispositivos, restringindo a utilidade dos padrões de projeto convencionais e ameaçando a evolução da tecnologia CMOS como um todo. Nesta dissertação é exposta uma consistente revisão bibliográfica dos principais efeitos físicos parasitas presentes no regime nanométrico. Como o NBTI tem recebido destaque na literatura relacionada à confiabilidade de circuitos, este efeito de envelhecimento recebe destaque também neste texto, sendo explorado mais detalhadamente. Diversas técnicas de avaliação de redução do NBTI são demonstradas, sendo apresentados, em cada um destes tópicos, trabalhos desenvolvidos no âmbito desta dissertação e seus resultados. O circuito proposto como técnica de avaliação de NBTI permite uso de simulações elétricas para análise de degradação de circuitos. A análise da influência do rearranjo da estrutura de transistores para reduzir a degradação quanto ao NBTI apresenta bons resultados e não impede o uso de outras técnicas combinadas. / This thesis explores the challenges worsened by the technology miniaturization in fabrication and design of digital integrated circuits. The physical effects of nanometric regime reduce the production yield and shorten the devices lifetime, restricting the usefulness of standard design flows and threatening the evolution of CMOS technologies. This thesis exposes a consistent bibliographic review about the main aggressive physical effects of nanometric regime. NBTI has received special attention in reliability literature, so this text follows the same strategy, deeply exploring this aging effect. A broad set of NBTI evaluation and mitigation techniques are explained, including developed works in each one of these categories. The proposed circuit as NBTI evaluation technique allows the use of electrical simulation for circuit degradation analysis. The analysis of the transistors arrangement restructuring as a technique for NBTI degradation reduction shows satisfactory results, while does not restrict the use of other combined techniques.

Este trabalho apresenta o projeto, a verificação funcional e a síntese dos módulos funcionais de um comutador Gigabit Ethernet. As funções destes módulos encontramse definidas nos padrões IEEE 802.1D, IEEE 802.1Q, IEEE 802.3 e nos seguintes RFCs (Request for Comments): RFC 2697, RFC 2698 e RFC 4115. Estes módulos formam o núcleo funcional do comutador e implementam as principais funções dele. Neste trabalho quatro módulos são desenvolvidos e validados. Estes módulos foram projetados para serem inseridos na plataforma NetFPGA, formando o chamado “User Data Path”. Esta plataforma foi desenvolvida pela universidade de Stanford para permitir a prototipagem rápida de hardware para redes. O primeiro módulo chamado de “Árbitro de entrada” decide qual das portas de entrada do comutador ele vai atender, para que os quadros que ingressam por essa porta sejam processados. Este módulo utiliza um algoritmo Deficit Round Robin (DRR). Este algoritmo corrige um problema encontrado no módulo original desenvolvido na plataforma NetFPGA. O segundo módulo é o “Pesquisador da porta de saída”. O bloco principal deste módulo é o motor de classificação. A função principal do motor de classificação e aprendizagem de endereços MAC é encaminhar os quadros à suas respectivas portas de saída. Para cumprir esta tarefa, ele armazena o endereço MAC de origem dos quadros em uma memória SRAM e é associado a uma das portas de entrada. Este motor de classificação utiliza um mecanismo de hashing que foi provado que é eficaz em termos de desempenho e custo de implementação. São apresentadas duas propostas para implementar o motor de classificação. Os resultados da segunda proposta permite pesquisar efetivamente 62,5 milhões de quadros por segundo, que é suficiente para trabalhar a uma taxa wire-speed em um comutador Gigabit de 42 portas. O maior desafio foi conseguir a taxa de wire-speed durante o processo de “aprendizagem” usando uma memória SRAM externa. O terceiro módulo é o marcador de quadros. Este módulo faz parte do mecanismo de qualidade de serviço (QoS). Com este módulo é possível definir uma taxa máxima de transferência para cada uma das portas do comutador. O quarto módulo (Output Queues) implementa as filas de saída do comutador. Este módulo faz parte de plataforma NetFPGA, mas alguns erros foram encontrados e corrigidos durante o processo de verificação. Os blocos foram projetados utilizando Verilog HDL e visando as suas implementações em ASIC, baseado em uma tecnologia de 180 nanômetros da TSMC com a metodologia Semi-Custom baseada em standard cells. Para a verificação funcional foi utilizada a linguagem SystemVerilog. Uma abordagem de estímulos aleatórios restritos é utilizada em um ambiente de testbench com capacidade de verificação automática. Os resultados da verificação funcional indicam que foi atingido um alto porcentual de cobertura de código e funcional. Estes indicadores avaliam a qualidade e a confiabilidade da verificação funcional. Os resultados da implementação em ASIC amostram que os quatro módulos desenvolvidos atingem a freqüência de operação (125 MHz) definida para o funcionamento completo do comutador. Os resultados de área e potência mostram que o módulo das Filas de saída possui a maior área e consumo de potência. Este módulo representa o 92% da área (115 K portas lógicas equivalentes) e o 70% da potência (542 mW) do “User Data Path”. / This work presents the design, functional verification and synthesis of the functional modules of a Gigabit Ethernet switch. The functions of these modules are defined in the IEEE 802.1D, IEEE 802.1Q, IEEE 802.3 standards and the following RFCs (Request for Comments): RFC 2697, RFC 2698 and RFC 4115. These modules are part of the functional core of the switch and implement the principal functions of it. In this work four modules are developed and validated. These modules were designed to be inserted in the NetFPGA platform, as part of the “User Data Path”. This platform was developed at Stanford University to enable the fast prototype of networking hardware. The first module called “input arbiter” decides which input port to serve next. This module uses an algorithm Deficit Round Robin (DRR). This algorithm corrects a problem found in the original module developed in the NetFPGA platform. The second module is the classification engine. The main function of the MAC address classification engine is to forward Ethernet frames to their corresponding output ports. To accomplish this task, it stores the source MAC address from frames in a SRAM memory and associates it to one of the input ports. This classification engine uses a hashing scheme that has been proven to be effective in terms of performance and implementation cost. It can search effectively 62.5 million frames per second, which is enough to work at wire-speed rate in a 42-port Gigabit switch. The main challenge was to achieve wire-speed rate during the “learning” process using external SRAM memory. The third module is the frame marker. This module is part of the quality of service mechanism (QoS). With this module is possible to define a maximum transmission rate for each port of the switch. The fourth module (Output Queues) implements the output queues of the switch. This module is part of the NetFPGA platform, but some errors were found and corrected during the verification process. These module were designed using Verilog HDL, targeting the NetFPGA prototype board and an ASIC based on a 180 nm process from TSMC with the Semi-custom methodology based on standard cells. For the functional verification stage is used the SystemVerilog language. A constrained-random stimulus approach is used in a layered-testbench environment with self-checking capability. The results from the functional verification indicate that it was reached a high percentage of functional and code coverage. These indicators evaluate the quality and reliability of the functional verification. The results from the ASIC implementation show that the four modules developed achieve the operation frequency (125 MHz) defined for the overall switch operation. The area and power results demonstrate that the Output Queues module has the largest area and power consumption. This module represents the 92% of area (115 K equivalent logic gates) and the 70% of power (542 mW) from the User Data Path.

Este trabalho propõe e avalia uma nova abordagem para projeto de circuitos dedicados utilizando matrizes pré-difundidas. A principal vantagem desta abordagem, denominada Marcela, reside na decomposição lógica do circuito a ser implementado em termos de primitivas disponíveis na matriz escolhida. Aplicando-se tal procedimento, alcança-se grande flexibilidade em termos de posicionamento e roteamento, levando a uma melhor taxa de ocupação. Primeiramente, é feito um levantamento das abordagens para pré-difundidos correntemente encontradas e uma taxonomia baseada nas características mais relevantes é definida. As principais características da metodologia TRANCA são também mostradas. Leiautes gerados com os módulos TRAMO e TRAGO são analisados e algumas modificações na metodologia são sugeridas, visando uma exploração mais eficiente dos dois níveis de metal. As bases para o desenvolvimento da abordagem Marcela são então descritas. A abordagem consiste de uma nova arquitetura para pré-difundidos e uma estratégia específica de ocupação. As principais características da matriz de propósito geral Marcela, primeira a ser definida, são a ausência de canais de roteamento, com as conexões sendo realizadas sobre as células, e a utilização de quatro tipos de células básicas, cada uma dedicada à implementação de uma função lógica primitiva. As células básicas estão organizadas em unidades básicas, as quais são repetidas regularmente para formar a matriz, numa abordagem denominada mar de células. O problema do assinalamento de células e suas particularidades são solucionados utilizando-se uma combinação entre alocação sequencial e técnicas de particionamento. Primeiro, é alocada a mínima superfície da matriz capaz de comportar o circuito em questão, numa fase chamada pré-assinalamento. Na fase de otimização, partições são geradas respeitando a integridade das unidades básicas e trocas de células são realizadas entre os blocos de cada nova partição, em dois passos: trocas individuais, enquanto o bloco de destino não estiver cheio, e trocas de pares. Para o roteamento, foi desenvolvida no CPGCC/UFRGS uma ferramenta específica para ser utilizada em leiautes gerados segundo a metodologia TRANCA. Esta ferramenta, denominada MARTE [JOH 92a][JOH 92b], emprega o algoritmo de Lee básico com algumas modificações, tal como a geração de doglegs para trocas entre trilhas adjacentes. Com a finalidade de validar a abordagem, foram implementados alguns circuitos utilizando a abordagem Marcela e uma abordagem sea-of-gates tradicional. Para circuitos pequenos, tal como um flip-flop D, Marcela produziu uma melhor distribuição de conexões, a qual resulta em aumento da transparência. Porém, a taxa de ocupação encontrada foi menor do que a do circuito projetado com sea-of-gates. Por outro lado, para circuitos de complexidade maior, a área ocupada pode resultar bem menor do que no caso de se usar sea-of-gates, desde que sejam realizadas transformações lógicas apropriadas sobre a descrição equivalente Marcela ou uma matriz conveniente seja escolhida. Exemplos de leiautes desenvolvidos mostram que taxas de ocupação tão altas quanto 75% são atingidas. Finalmente, da observação de circuitos gerados automaticamente, foram tiradas conclusões sobre modificações na arquitetura da matriz e nos algoritmos, de forma a melhorar as taxas de ocupação para qualquer tipo de circuito. / This work proposes and evaluates a new approach for the design of ASICs using prediffused masterslices. The main advantage of this approach, called Marcela, relles on logic decomposition of the circuit to be implemented into the chosen masterslice available primitives. By applying this procedure, a great placement and routing flexibility is achieved, thus leading to a better transistor utilization rate. First, a survey on current prediffused approaches is done and an specific taxonomy is defined based on the main important features encountered. Also the main features of TRANCA methodology are shown. Layouts generated using TRAGO and TRAMO modules are analyzed and some modifications in the methodology are suggested, in order to better exploit both first and second metal layers. Marcela approach development basis are described. The approach consists of a new prediffused architecture and an specific occupation strategy. The main architectural features of the general purpose Marcela masterslice are the absence of routing channels, with the connections running over the cells, and the utilization of four types of basic cells, each of them dedicated to perform one primitive logic function. Basic cells are organized into basic units, which are spread a11 over the masterslice, in a so called sea-of-cells approach. The assignment problem and its peculiarities are solved by using a combination of sequential cell allocation and quadrature partition techniques. But first of all, a minimum masterslice area is allocated in a phase called preassignment. In the optimization phase, partitions are generated respecting basic units integrity and cell interchanges are applied to each new partition, following two steps: individual changes, while the target block is not, full. and pairwise interchange. For the routing problem, an specific tool has been developed at CPGCC/UFRGS for any module generator in which TRANCA methodology is applied. This tool, called MARTE [JOH 92a][JOH 92b], employs a basic Lee algorithm with some modifications as dogleg generation for changes between adjacent tracks. In order to validate the approach, some circuits have been implemented using a traditional sea-of-gates and Marcela approaches. For small circuits, as a D flip-flop, Marcela approach has produced a better wiring distribution, which results in increase of transparency. But the occupation rate was found to be smaller than that of the sea-of-gates approach. On the other hand, for more complex circuits the amount of used area can be smaller than that of sea-of-gates case, since appropriate logic transformations are applied to the Marcela logic equivalent or a well suit masterslice is used. Implemented examples show that utilization rates as high as 0.75 are achieved. Finally, from the observation of automatically generated layouts some modifications in masterslice architecture and in the algorithms are figured out.

Neste trabalho é desenvolvida uma ferramenta de dimensionamento de portas lógicas para circuitos integrados, utilizando técnicas de otimização de problemas baseadas em Programação Geométrica (PG). Para dimensionar as portas lógicas de um circuito, primeiramente elas são modeladas usando o modelo de chaves RC e o atraso é calculado usando o modelo de Elmore, que produz funções posinomiais possibilitando a resolução do problema por programação geométrica. Para cada porta é utilizado um fator de escala que multiplica a largura dos seus transistores, onde as variáveis que representam os fatores de escala são as variáveis de otimização do problema. O dimensionador de portas desenvolvido neste trabalho é para circuitos CMOS e é parametrizável para diversas tecnologias de fabricação CMOS. Além disso, a otimização pode ser feita de duas maneiras, minimizando o atraso restringindo a área do circuito ou, minimizando a área e restringindo o atraso do circuito. Para testar o dimensionador de portas foram consideradas duas tecnologias de fabricação diferentes, 45nm e 350nm, onde os resultados foram comparados com o dimensionamento fornecido em uma típica biblioteca de células. Para a tecnologia de 45nm, o dimensionamento de portas minimizando o atraso, fornecido pelo método proposto neste trabalho, obteve uma redução, em média, de 21% no atraso, mantendo a mesma área e potência do dimensionamento fornecido pela biblioteca de standard cells. Após, fez-se uma otimização de área, ainda considerando a tecnologia de 45nm, onde o atraso é restrito ao valor encontrado na minimização de atraso. Essa otimização secundária resultou em uma redução média de 28,2% em área e 27,3% em potência, comparado aos valores dados pela minimização de atraso. Isso mostra que, ao fazer a minimização de atraso seguida da minimização de área, ou vice-versa, encontra-se o menor atraso e a menor área para o circuito, onde uma otimização não impede a outra. As mesmas otimizações foram feitas para a tecnologia de 350nm, onde o dimensionamento de portas considerando a minimização de atraso obteve uma redução, em média, de 4,5% no atraso, mantendo os valores de consumo de potência e área semelhantes aos valores dados pelo dimensionamento fornecido em uma biblioteca comercial de células em 350nm. A minimização de área, feita em seguida, restringindo o atraso ao valor dado pela minimização de atraso foi capaz de reduzir a área em 29,9%, em média, e a potência em 28,5%, em média. / In this work a gate sizing tool is developed using problem optimization techniques based on Geometric Programming. To size the gates in a circuit, first, the logic gates are modeled using the RC switch model and the delay is calculated using Elmore delay model, which produces posynomial functions, enabling the problem solution by geometric programming. For each port a scale factor is set that multiplies the transistors width, where the variables that represent the scale factors are the problem optimization variables. Gate sizing developed in this work is for CMOS circuits and is configurable to several CMOS manufacturing technologies. Moreover, the optimization can be done in two ways, minimizing delay restricting area or by minimizing area restricting circuit delay. In this work, gate sizing tests were made considers two different technologies, 45nm and 350nm, where the results were compared with the sizing available in a typical standard-cell library. For 45nm technology, the gate sizing proposed in this work considering delay minimization, obtained a reduction, in average, of 21% in delay, keeping the same area and power values of the sizing provided by standard-cells library. After, it was made an area optimization restricting delay to the value found at delay minimization. This optimization allowed an average reduction of 28.2% in area and 27.3% in power consumption, compared to the values obtained by delay minimization. This shows that by making the minimization of delay followed by the minimization of area, the smallest delay and the smallest area for the circuit is found, where an optimization does not prevent the other. The same optimizations were made for 350nm technology, where gate sizing considering delay minimization achieved a reduction, on average, of 4.5% in delay, keeping power consumption and area values similar to the values given using the sizes found in a commercial standard-cell library in 350nm. The area minimization, restricting delay to the value given by delay minimization, was able to reduce the area in 29.9% and power at 28.5%, on average.

Em circuitos integrados complexos, potência e desempenho têm caminhado em direções opostas tornando o desenvolvimento de dispositivos de baixo consumo uma tarefa altamente custosa. Tradicionalmente, empresas de desenvolvimento de circuitos integrados utilizam variadas técnicas para garantir os requisitos de potência, no entanto, técnicas baseadas em biblioteca de células tem se tornado um gargalo para o processo de desenvolvimento. À medida que os projetos aumentam de complexidade e densidade, maior tende a ser a potência dissipada por estes dispositivos, e assim, mais importante torna-se sua redução. Buscando aumentar a capacidade de redução de potência, projetistas tem aplicado diferentes técnicas para cada nível de abstração do fluxo de projeto. No nível físico, de maneira a contornar os limites das bibliotecas de células, o desenvolvimento de células especificamente projetadas tem se tornado uma rotina em projetos com grandes restrições de potência. Observando este requisito, este trabalho visa pesquisar a implementação e otimização de células digitais CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) estática em nível de transistores, e o emprego de metodologia de projeto livre de biblioteca como um recurso para a concepção de sistemas de baixa potência. De um modo geral, menos transistores são desejáveis para reduzir a dissipação de potência, no entanto, longas cadeias de transistores, necessários para implementar funções lógicas específicas, conduz ao aumento do tempo de transição, e, portanto, maior dissipação de energia. A fim de evitar este efeito, construímos uma função de mapeamento, com base no tamanho dos transistores, de forma a evitar um tempo de transição lento e minimizar o número de transistores. O uso deste método demonstrou ser eficaz para o ajuste fino de circuitos de baixa potência, resultando em uma redução média de 6.35% no consumo dinâmico e de 8.26% no consumo estático em comparação com a metodologia baseada em biblioteca de células. Como trabalho adicional, é apresentado um fluxo automatizado de mapeamento lógico e capaz de gerar redes de transistores específicas para cada projeto, tornando possível sua utilização em ferramentas de desenvolvimento tradicionais. / In complex integrated circuits, power and performance have moved in opposite directions making the design of low-power devices a highly costly task. Traditionally, integrated circuit design companies adopt many techniques to ensure power requirements, however, techniques based on cell library has become a bottleneck for the development process. As the design complexity and density increase, greater will be the power dissipated, and thus its reduction becomes more important. Seeking to increase the power reduction capability, designers have applied different techniques for each level of the design flow abstraction. At the physical level, so as to bypass the limits of cell libraries, the development of specifically designed cells has become a routine for designs with large power constraints. Observing this requirement, this work aims to investigate the implementation and optimization of digital static CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) cell at transistors level, and the use of library free design methodology as a resource for designing low power systems. In general, fewer transistors are desirable to reduce power dissipation, however, long chains of transistors, necessary for implementing specific logical functions, leads to the increase of the transition time, and hence greater energy dissipation. In order to avoid this effect, we constructed a mapping function, based on transistor size, in order to avoid slow transition time and minimize the number of transistors. The use of this method has proven effective for fine adjustment low power circuits, resulting in an average reduction of 6.35% in dynamic power and 8.26% in static power as compared with the cell library based methodology. As further work, an automated flow set is presented for the logical mapping able to generate specific networks of transistors for each design, making possible their use in traditional design tools.

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.

O efeito das variações intrínsecas afetando parâmetros elétricos de circuitos fabricados com tecnologia CMOS de escala nanométrica apresenta novos desafios para o yield de circuitos integrados. Este trabalho apresenta modelos para representar variações físicas que afetam transistores projetados em escala sub-micrônica e metodologias computacionalmente eficientes para simular estes dispositivos utilizando ferramentas de Electronic Design Automation (EDA). O trabalho apresenta uma investigação sobre o estado-da-arte de modelos para variabilidade em nível de simulação de transistor. Modelos de variações no processo de fabricação (RDF, LER, etc) e confiabilidade (NBTI, RTS, etc) são investigados e um novo modelo estatístico para a simulação de Random Telegraph Signal (RTS) e Bias Temperature Instability (BTI) para circuitos digitais é proposta. A partir desses modelos de dispositivo, o trabalho propõe modelos eficientes para analisar a propagação desses fenômenos para o nível de circuito através de simulação. As simulações focam no impacto de variabilidade em três diferentes aspectos do projeto de circuitos integrados digitais: caracterização de biblioteca de células, análise de violações de tempo de hold e células SRAM. Monte Carlo é a técnica mais conhecida e mais simples para simular o impacto da variabilidade para o nível elétrico do circuito. Este trabalho emprega Monte Carlo para a análise do skew em redes de distribuição do sinal de relógio e em caracterização de células SRAM considerando RTS. Contudo, simulações Monte Carlo exigem tempo de execução elevado. A fim de acelerar a análise do impacto de variabilidade em biblioteca de células este trabalho apresenta duas alternativas aMonte Carlo: 1) propagação de erros usando aproximação linear de primeira ordem e 2)Metodologia de Superfície de Resposta (RSM). As técnicas são validados usando circuitos de nível comercial, como a rede de clock de um chip comercial utilizando a tecnologia de 90nm e uma biblioteca de células usando um nó tecnológico de 32nm. / In nanometer scale complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) parameter variations pose a challenge for the design of high yield integrated circuits. This work presents models that were developed to represent physical variations affecting Deep- Submicron (DSM) transistors and computationally efficient methodologies for simulating these devices using Electronic Design Automation (EDA) tools. An investigation on the state-of-the-art of computer models and methodologies for simulating transistor variability is performed. Modeling of process variability and aging are investigated and a new statistical model for simulation of Random Telegraph Signal (RTS) in digital circuits is proposed. The work then focuses on methodologies for simulating these models at circuit level. The simulations focus on the impact of variability to three relevant aspects of digital integrated circuits design: library characterization, analysis of hold time violations and Static Random Access Memory (SRAM) cells. Monte Carlo is regarded as the "golden reference" technique to simulate the impact of process variability at the circuit level. This work employs Monte Carlo for the analysis of hold time and SRAM characterization. However Monte Carlo can be extremely time consuming. In order to speed-up variability analysis this work presents linear sensitivity analysis and Response Surface Methodology (RSM) for substitutingMonte Carlo simulations for library characterization. The techniques are validated using production level circuits, such as the clock network of a commercial chip using 90nm technology node and a cell library using a state-of-theart 32nm technology node.

Este trabalho trata de pesquisa de soluções para a síntese física de circuitos integrados menos susceptíveis aos efeitos de variabilidade decorrentes do uso de tecnologias de fabricação com dimensões nanométricas. Também apresenta a pesquisa e o desenvolvimento de uma ferramenta para a geração de leiautes regulares denominada R-CAT. A regularidade geométrica é explorada pela repetição de padrões básicos de leiaute ao longo de uma matriz. A regularidade é apontada como uma das melhores alternativas para lidar com os atuais problemas de fabricação em tecnologias submicrônicas. Projetos regulares são menos suscetíveis aos problemas de litografia, aumentam o yield e diminuem o tempo gasto em re-projeto. Além disso, circuitos regulares apresentam maior previsibilidade de resultados de potência, atraso e yield, principalmente pelo fato das células estarem pré-caracterizadas. A ferramenta desenvolvida visa o trabalho com dois tipos de síntese física para leiautes regulares, produzindo circuitos integrados personalizáveis por todas as máscaras ou circuitos personalizáveis por algumas máscaras. O principal objetivo deste gerador é a facilidade de conversão e adaptação dependendo da abordagem de matriz escolhida. Isso facilitará a comparação entre diferentes alternativas de matrizes, a adoção de blocos lógicos diversos e de novas tecnologias. O gerador de leiautes R-CAT identifica células adjacentes com conexões em comum entre elas e realiza a conexão entre essas células em metal 1, reduzindo o número de conexões a ser realizado pelo roteador em até 10%. A ferramenta R-CAT está inserida em um fluxo de projeto e depende do método de síntese lógica adotado. Duas ferramentas de síntese lógica foram utilizadas: SIS e OrBDDs, oferecendo duas linhas de projeto: a primeira priorizando a área e a segunda priorizando timing e interconexões curtas. Ambas respeitando a mesma regularidade geométrica imposta pela matriz. Os resultados obtidos demonstram que as matrizes SIS ocupam 53% menos área do que a estratégia orBDD e reduzem o wire length em 30%. Uma área menor é obtida devido ao fato da ferramenta SIS gerar descrições com a metade de células lógicas e nets. Entretanto, as matrizes R-CAT OrBDD apresentam menor wire length médio, menor fan-out (redução de 15%), menor delay e maior roteabilidade. As sínteses OrBDD apresentam poucas nets não roteadas sem a inserção de trilhas extras. Além disso, as matrizes R-CAT atingiram resultados até 40% menores em wire length e reduções de área de até 46% em relação às matrizes MARTELO. / This work presents a research for physical synthesis of integrated circuits, which are less susceptible to the effects of variability observed in fabrication technologies using nanometers scale. Moreover, it presents a CAD tool developed to generate regular layouts, which is called R-CAT. The geometric regularity is achieved using basic patterns repeated along one matrix structure. Regularity is pointed like one of the best alternatives to deal with submicron technologies issues. Regular designs are less susceptible to lithographic problems, improve the yield and decrease the time to re-spin. Furthermore, regular circuits improve predictability of power consumption, timing and yield results, because the cells are pre-characterized. The developed tool focuses on two types of physical synthesis for regular layouts, producing either integrated circuit customized using all masks or integrated circuits customized using some masks. The main goal is the facility of conversion and adaptation depending on the chosen matrix approach. This will make easier the comparison of different matrix approaches, besides the adoption of several logic blocks and new technologies. R-CAT layout generator identifies adjacent cells that are placed in a same row and have common connections between them. In this case, the generator can make these connections in Metal 1. This technique reduces the number of connections to be done by the router. The experiments showed that this technique is able to reduce about 10% the number of connections to be done. This tool is inserted into a design flow and it is dependent of the logic synthesis methodology adopted. Two logical syntheses tools were used in the flow: SIS and OrBDDs. R-CAT SIS and R-CAT orBDD Matrices were generated for a set of circuits. The use of R-CAT tool with SIS and orBDD logical synthesis offers two design lines: the first one highlights area and the second one emphasize timing and short connections. Both of them respect the same geometric regularity. The results demonstrate that SIS matrices present 53% less area than orBDD approach and reduce the wire length by 30%. The area reduction is achieved because the SIS tool generates descriptions with the half of logic cells and nets. Nevertheless, the R-CAT orBDD matrices decreased the medium wire length, reduced the fan-out in 15%, reduced the delay and improved the routability. orBDD synthesis presents few non-routed nets without extra tracks insertion. Moreover, the R-CAT matrices obtained about 40% better results in wire length and they reduced area in 46% when compared to MARTELO matrices.