Este documento apresenta uma análise de desempenho de quatro diferentes implementações de And-Inverter Graph (AIG). AIGs são estruturas de dados normalmente utilizadas em programas que são utilizados para design de circuitos digitais. Diferentes implementações da mesma estrutura de dados pode afetar o desempenho. Isto é demonstrado em trabalhos anteriores que avaliam o desempenho de diferentes pacotes BDD (Binary Decision Diagram), que é outra estrutura de dados largamente utilizada em síntese lógica. Foram implementadas quatro estruturas de dados diferentes utilizando grafos unidirecionais ou bidirecionais aos quais os nodos são referenciados utilizando ponteiros ou índices de inteiros não-negativos. Utilizando estas diferentes estruturas de dados de AIG, medimos como diferentes aspectos das implementações afetam o desempenho da execução de um algoritmo básico. / This document presents a performance analysis of four different And-Inverter Graph (AIG) implementations. AIG is a data structure commonly used in programs used for digital circuits design. Different implementations of the same data structure can affect performance. This is demonstrated by previous works that evaluate performance for different Binary Decision Diagram (BDD) packages, another data structure widely used in logic synthesis. We have implemented four distinct AIG data structures using a choice of unidirectional or bidirectional graphs in which the references to nodes are made using pointers or indexed using non-negative integers. Using these different AIG data structures, we measure how different implementation aspects affect performance in running basic algorithm.

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

Submitted by Setor de Tratamento da Informa??o - BC/PUCRS (tede2@pucrs.br) on 2016-04-19T18:32:43Z No. of bitstreams: 1 DIS_MATHEUS_GIBILUKA_COMPLETO.pdf: 3498426 bytes, checksum: 534aec97d6aa9dfc7b535a7f65087ae1 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-19T18:32:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DIS_MATHEUS_GIBILUKA_COMPLETO.pdf: 3498426 bytes, checksum: 534aec97d6aa9dfc7b535a7f65087ae1 (MD5) Previous issue date: 2016-03-04 / Although the advancement of semiconductor technology enable the fabrication of devices with increasingly reduced propagation delay, potentially leading to higher operating frequencies, manufacturing process variability grows very aggressively in modern processes. To cope with growing variability phenomena, significant delay margins need to be added to clock signal?s periods, to ensure timing closure, which limits performance gains and constrains power efficiency. Among the several techniques that have been explored in the last decades to address these problems, three are quite relevant and promising either in isolation or combined: voltage scaling, asynchronous circuits and resilient architectures. This work investigates how voltage scaling affects circuit path delays, and produces three sets of original contributions. The first set establishes a technique to ensure that circuits synthesized with a reduced library achieve results comparable to the full library, while keeping functionality at low supply voltages. The second set of contributions composes a method to extend the voltage corners supported by standard cell libraries. This takes place through new library characterization techniques. The third set of contributions provides insights on the effects of voltage scaling in the design of resilient circuits. This analysis evaluates supply voltages in super- and sub-threshold levels. / Embora o avan?o da tecnologia de semicondutores permita a fabrica??o de dispositivos com atrasos de propaga??o reduzidos, potencialmente habilitando o aumento da frequ?ncia de opera??o, as varia??es em processos de fabrica??o modernos crescem de forma muito agressiva. Para lidar com este problema, significativas margens de atraso devem ser adicionadas ao per?odo de sinais de rel?gio, limitando os ganhos em desempenho e a efici?ncia energ?tica do circuito. Entre as diversas t?cnicas exploradas nas ?ltimas d?cadas para amenizar esta dificuldade, tr?s se destacam como relevantes e promissoras, isoladas ou combinadas: a redu??o da tens?o de alimenta??o, o uso de projeto ass?ncrono e arquiteturas resilientes. Este trabalho investiga como a redu??o de tens?o de alimenta??o afeta os atrasos de caminhos em circuitos digitais, e produz tr?s contribui??es originais. A primeira ? a defini??o uma t?cnica para garantir que circuitos sintetizados com um conjunto reduzido de c?lulas atinjam resultados comparaveis aos da biblioteca completa, mantendo a sua funcionalidade mesmo quando alimentados por tens?es reduzidas. A segunda ? a composi??o de um m?todo para estender o suporte a n?veis de tens?o de alimenta??o para bibliotecas de c?lulas padr?o providas por fabicantes de CIs, atrav?s de novas t?cnicas de caracteriza??o de bibliotecas. A terceira ? a an?lise dos efeitos do escalamento de tens?o no projeto de circuitos resilientes, considerando tens?es de alimenta??o superiores e inferiores ? tens?o de limiar dos transistores.

Desde os anos 80 a evolução dos processos de fabricação de circuitos integrados MOS tem buscado a redução da tensão de alimentação, como forma de se reduzir o consumo de energia dos circuitos. Partiu-se dos antigos 5 V, padrão estabelecido pela lógica TTL nos anos 70, até os circuitos modernos que operam com alimentação pouco abaixo de 1 V. Entretanto, desde os primeiros anos da década de 2000, a tensão de alimentação está estabilizada neste patamar, devido a limitações tecnológicas que tem se mostrado difíceis de serem transpostas. Tal desafio tem sido estudado por grupos de pesquisa ao redor do mundo, e diversas estratégias tem sido propostas para se chegar a circuitos analógicos e digitais que operem sob tensão de alimentação bem inferior a 1 V. De fato estes grupos têm focado seus estudos em circuitos que operam com tensão de alimentação inferior a 0,5 V, alguns chegando à casa de 200 ou 100 mV, ou até menor. Dentre as diversas classes de circuitos, os conversores de dados dos tipos digital-analógico (DAC) e analógicodigital (ADC) são circuitos fundamentais ao processo de integração entre os módulos que processam sinais analogicamente e os que processam sinais digitalmente, sendo assim essenciais à implementação dos complexos SoCs (System-on-Chips) da atualidade. Este trabalho apresenta um estudo sobre o desempenho da configuração MOSFET em rede M-2M (similar à rede R-2R que emprega resistores), utilizada como circuito conversor digital-analógico, quando dimensionada para operar sob tensão de alimentação muito baixa, da ordem de 200 mV ou inferior. Tal estudo se baseia no emprego de um modelo para os MOSFETs que é contínuo desde a condição de inversão fraca (subthreshold) até a inversão forte, e inclui o uso de um modelo de descasamento entre MOSFETs que é válido para qualquer condição de operação. Com base neste estudo foi desenvolvida uma metodologia de projeto, capaz de estabelecer as relações de compromisso entre “tensão de alimentação”, “resolução efetiva” e “área ocupada em silício”, fundamentais para se atingir um circuito otimizado. Resultados de simulação elétrica são apresentados e confrontados com os resultados analíticos, visando a comprovação da metodologia. O circuito já foi enviado para fabricação, e deve começar a ser testado em breve.

O ruído de baixa frequência é um limitador de desempenho em circuitos analógicos, digitais e de radiofrequência, introduzindo ruído de fase em osciladores e reduzindo a estabilidade de células SRAM, por exemplo. Transistores de efeito de campo de metalóxido- semicondutor (MOSFETs) são conhecidos pelos elevados níveis de ruído 1= f e telegráfico, cuja potência pode ser ordens de magnitude maior do que a observada para ruído térmico para frequências de até dezenas de kHz. Além disso, com o avanço da tecnologia, a frequência de corner —isto é, a frequência na qual as contribuições dos ruídos térmico e shot superam a contribuição do ruído 1= f — aumenta, tornando os ruídos 1= f e telegráfico os mecanismos dominantes de ruído na tecnologia CMOS para frequências de até centenas de MHz. Mais ainda, o ruído de baixa frequência em transistores nanométricos pode variar significativamente de dispositivo para dispositivo, o que torna a variabilidade de ruído um aspecto importante para tecnologias MOS modernas. Para assegurar o projeto adequado de circuitos do ponto de vista de ruído, é necessário, portanto, identificar os mecanismos fundamentais responsáveis pelo ruído de baixa frequência em MOSFETs e desenvolver modelos capazes de considerar as dependências do ruído com geometria, polarização e temperatura. Neste trabalho é proposta uma técnica para análise de ruído de baixa frequência baseada na autocorrelação dos espectros de ruído em função de parâmetros como frequência, polarização e temperatura. A metodologia apresentada revela informações importantes sobre os mecanismos responsáveis pelo ruído 1= f que são difíceis de obter de outras formas. As análises de correlação realizadas em três tecnologias CMOS comerciais (140 nm, 65 nm e 45 nm) fornecem evidências contundentes de que o ruído de baixa frequência em transistores MOS tipo-n e tipo-p é composto por um somatório de sinais telegráficos termicamente ativados. / Low-frequency noise (LFN) is a performance limiter for analog, digital and RF circuits, introducing phase noise in oscillators and reducing the stability of SRAM cells, for example. Metal-oxide-semiconductor field-effect-transistors (MOSFETs) are known for their particularly high 1= f and random telegraph noise levels, whose power may be orders of magnitude larger than thermal noise for frequencies up to dozens of kHz. With the technology scaling, the corner frequency — i.e. the frequency at which the contributions of thermal and shot noises to noise power overshadow that of the 1= f noise — is increased, making 1= f and random telegraph signal (RTS) the dominant noise mechanism in CMOS technologies for frequencies up to several MHz. Additionally, the LFN levels from device-to-device can vary several orders of magnitude in deeply-scaled devices, making LFN variability a major concern in advanced MOS technologies. Therefore, to assure proper circuit design in this scenario, it is necessary to identify the fundamental mechanisms responsible for MOSFET LFN, in order to provide accurate LFN models that account not only for the average noise power, but also for its variability and dependences on geometry, bias and temperature. In this work, a new variability-based LFN analysis technique is introduced, employing the autocorrelation of multiple LFN spectra in terms of parameters such as frequency, bias and temperature. This technique reveals information about the mechanisms responsible for the 1= f noise that is difficult to obtain otherwise. The correlation analyses performed on three different commercial mixed-signal CMOS technologies (140-nm, 65-nm and 40-nm) provide strong evidence that the LFN of both n- and p-type MOS transistors is primarily composed of the superposition of thermally activated random telegraph signals (RTS).

O avanço da microeletrônica nas últimas décadas trouxe maior densidade aos circuitos integrados, possibilitando a implementação de funções de alta complexidade em uma menor área de silício. Como efeito desta integração em larga escala, as latências dos fios passaram a representar uma maior fração do atraso de propagação de dados em um design, tornando a tarefa de “timing closure” mais desafiadora e demandando mais iterações entre etapas do design. Por meio de uma revisão na teoria dos circuitos insensíveis a latência (Latency-Insensitive theory), este trabalho explora a metodologia de designs elásticos (Elastic Design methodology) em circuitos síncronos, com o objetivo de solucionar o impacto que a latência adicional dos fios insere no fluxo de design de circuitos integrados, sem demandar uma grande mudança de paradigma por parte dos designers. A fim de exemplificar o processo de “elasticização”, foi implementada uma versão síncrona da arquitetura do microprocessador Neander que posteriormente foi convertida a um Circuito Elástico utilizando um protocolo insensível a latência nas transferências de dados entre os processos computacionais do design. Ambas as versões do Neander foram validadas em uma plataforma FPGA utilizando ferramentas e fluxo de design síncrono bem estabelecidos. A comparação das características de timing e área entre os designs demonstra que a versão Elástica pode apresentar ganhos de performance para sistemas complexos ao custo de um aumento da área necessária. Estes resultados mostram que a metodologia de designs elásticos é uma boa candidata para projetar circuitos integrados complexos sem demandar custosas iterações entre fases de design e reutilizando as já estabelecidas ferramentas de design síncrono, resultando em uma alternativa economicamente vantajosa para os designers. / The advance of microelectronics brought increased density to integrated circuits, allowing high complexity functions to be implemented in smaller silicon areas. As a side effect of this large-scale integration, the wire latencies became a higher fraction of a design’s data propagation latency, turning timing closure into a challenging task that often demand several iterations among design phases. By reviewing the Latency-Insensitive theory, this work presents the exploration of the Elastic Design methodology in synchronous circuits, with the objective of solving the increased wire latency impact on integrated circuits design flow without requiring a big paradigm change for designers. To exemplify the elasticization process, the educational Neander microprocessor architecture is synchronously implemented and turned into an Elastic Circuit by using a latency-insensitive protocol in the design’s computational processes data transfers. Both designs are validated in an FPGA platform, using well known synchronous design tools and flow. The timing and area comparison between the designs demonstrates that the Elastic version can present performance advantages for more complex systems at the price of increased area. These results show that the Elastic Design methodology is a good candidate for designing complex integrated circuits without costly iterations between design phases. This methodology also leverages the reuse of the mostly adopted synchronous design tools, resulting in a cost-effective alternative for designers.

Os avanços na tecnologia de semicondutores possibilitou que se fabricasse dispositivos com atividade de chaveamento mais rápida e com maior capacidade de integração de transistores. Estes avanços, todavia, impuseram novos empecilhos relacionados com a dissipação de potência e energia. Além disso, a crescente demanda por dispositivos portáteis levaram à uma mudança no paradigma de projeto de circuitos para que se priorize energia ao invés de desempenho. Este cenário motivou à reduzir a tensão de alimentação com qual os dispositivos operam para um regime próximo ou abaixo da tensão de limiar, com o objetivo de aumentar sua duração de bateria. Apesar desta abordagem balancear características de performance e energia, ela traz novos desafios com relação a tolerância à ruído. Ao reduzirmos a tensão de alimentação, também reduz-se a margem de ruído disponível e, assim, os circuitos tornam-se mais suscetíveis à falhas funcionais. Somado à este efeito, circuitos com tensões de alimentação nestes regimes são mais sensíveis à variações do processo de fabricação, logo agravando problemas com ruído. Existem também outros aspectos, tais como a miniaturização das interconexões e a relação de fan-out de uma célula digital, que incentivam a avaliação de ruído nas fases iniciais do projeto de circuitos integrados Por estes motivos, este trabalho investiga como aprimorar a margem de ruído estática de circuitos síncronos digitais que irão operar em tensões no regime de tensão próximo ou abaixo do limiar. Esta investigação produz um conjunto de três contribuições originais. A primeira é uma ferramenta capaz de avaliar automaticamente a margem de ruído estática de células CMOS combinacionais. A segunda contribuição é uma metodologia realista para estimar a margem de ruído estática considerando variações de processo, tensão e temperatura. Os resultados obtidos mostram que a metodologia proposta permitiu reduzir até 70% do pessimismo das margens de ruído estática, Por último, a terceira contribuição é um fluxo de projeto de células combinacionais digitais considerando ruído, e uma abordagem para avaliar a margem de ruído estática de circuitos complexos durante a etapa de síntese lógica. A biblioteca de células resultante deste fluxo obteve maior margem de ruído (até 24%) e menor variação entre diferentes células (até 62%). / The advancement of semiconductor technology enabled the fabrication of devices with faster switching activity and chips with higher integration density. However, these advances are facing new impediments related to energy and power dissipation. Besides, the increasing demand for portable devices leads the circuit design paradigm to prioritize energy efficiency instead of performance. Altogether, this scenario motivates engineers towards reducing the supply voltage to the near and subthreshold regime to increase the lifespan of battery-powered devices. Even though operating in these regime offer interesting energy-frequency trade-offs, it brings challenges concerning noise tolerance. As the supply voltage reduces, the available noise margins decrease, and circuits become more prone to functional failures. In addition, near and subthreshold circuits are more susceptible to manufacturing variability, hence further aggravating noise issues. Other issues, such as wire minimization and gate fan-out, also contribute to the relevance of evaluating the noise margin of circuits early in the design Accordingly, this work investigates how to improve the static noise margin of digital synchronous circuits that will operate at the near/subthreshold regime. This investigation produces a set of three original contributions. The first is an automated tool to estimate the static noise margin of CMOS combinational cells. The second contribution is a realistic static noise margin estimation methodology that considers process-voltage-temperature variations. Results show that the proposed methodology allows to reduce up to 70% of the static noise margin pessimism. Finally, the third contribution is the noise-aware cell design methodology and the inclusion of a noise evaluation of complex circuits during the logic synthesis. The resulting library achieved higher static noise margin (up to 24%) and less spread among different cells (up to 62%).

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

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

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2011 / Made available in DSpace on 2012-10-25T22:46:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 296525.pdf: 3238324 bytes, checksum: 6e0d5b2afeaeaa4df0fc4a33caba606c (MD5) / O presente trabalho tem como objetivo analisar os fenômenos eletromagnéticos que podem causar interferência eletromagnética (IEM) em circuitos digitais, como por exemplo: diafonia e reflexões, bem como abordar os aspectos econômicos causados por problemas de compatibilidade eletromagnética (CEM). Para tanto, foi desenvolvido um circuito digital com o software Proteus e foram realizadas simulações numéricas utilizando os softwares SIwave e Designer. Os resultados foram comparados com dados experimentais. / This paper presents the electromagnetic phenomena that can cause electromagnetic interference (EMI) in digital circuits, such as: crosstalk and reflections. Economical aspects caused by electromagnetic compatibility (EMC) issues on the industry are also addressed. A digital circuit was developted using Proteus software and Numerical simulations using the softwares SIwave and Designer were performed and the results were compared to experimental data.