Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2006. / Vita. Includes bibliographical references.

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη τεχνικών θερμικής διαχείρισης ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Μελετώνται διαφορετικοί τρόποι βέλτιστης απαγωγής της θερμότητας καθώς και μέθοδοι μέτρησης θερμοκρασίας με την χρήση ψηφιακών κυκλωμάτων. / Subject of this diploma thesis is the research of various methods of integrated circuit thermal management. Different methods of optimal heat removal have been compared and digital temperature sensing techniques have been studied.

Este trabalho apresenta um gerenciador de ferramentas para projeto de circuitos integrados, o sistema TENTOS, agora desenvolvido para o ambiente MS-WINDOWSTM. O ambiente TENTOS é um sistema aberto, isto é, permite a fácil inclusão de novas ferramentas em tempo de execução do gerenciador, tornando-o desta forma sempre atual em relação as ferramentas existentes. Inicialmente será feita uma breve descrição de alguns dos gerenciadores existentes, tanto os desenvolvidos com finalidades comerciais como os do meio acadêmico Em seguida, será apresentado um histórico sobre a evolução do sistema TENTOS, da sua versão inicial até a sua versão atual. Em uma etapa seguinte será descrito o estado atual do sistema TENTOS, isto é, suas características principais a estrutura dos menus, os arquivos de configuração do sistema. como incluir novas ferramentas, arquivos de tecnologia, a configuração standard do sistema, quais ferramentas acompanham o TENTOS; como funciona a execução das ferramentas. Concluída a apresentação do sistema TENTOS, sendo apresentados exemplos que ilustram as etapas de desenvolvimento de um projeto de circuito integrado utilizando o sistema TENTOS. / This dissertation presents a tool mana ger for integrated circuit design, the TENTOS system, now developed for the MS-WINDOWSTM environment. The TENTOS package is an open system. that allows an eas y inclusion of new tools in the execution time of the manager, allowing an easy and constant updating of tools that are integrated into the package. Firstly, a short description of existing frameworks will be shown b y including commercial and academics systems. Secondly, a brief historical of TENTOS evolution system will be presented. Following thet description the present state of the TENTOS s ystem will be described which comprises: its main characteristics: the structure of menus; system configuration files; how to include new tools and technology files; the standard system configuration, which tools are available into the TENTOS and how they are executed. Finally some examples on how to use the TENTOS system will be shown.

Theoretical and numerical modeling of optical systems are increasingly being utilized in a wide range of areas in physics and engineering for characterizing and improving existing systems or developing new methods. This dissertation focuses on determining and improving the performance of imaging and non-imaging optical systems through modeling and developing model-aware enhancement methods. We evaluate the performance, demonstrate enhancements in terms of resolution and light collection efficiency, and improve the capabilities of the systems through changes to the system design and through post-processing techniques. We consider application areas in integrated circuit (IC) imaging for fault analysis and malicious circuitry detection, and free-form lens design for creating prescribed illumination patterns. The first part of this dissertation focuses on sub-surface imaging of ICs for fault analysis using a solid immersion lens (SIL) microscope. We first derive the Green's function of the microscope and use it to determine its resolution limits for bulk silicon and silicon-on-insulator (SOI) chips. We then propose an optimization framework for designing super-resolving apodization masks that utilizes the developed model and demonstrate the trade-offs in designing such masks. Finally, we derive the full electromagnetic model of the SIL microscope that models the image of an arbitrary sub-surface structure. With the rapidly shrinking dimensions of ICs, we are increasingly limited in resolving the features and identifying potential modifications despite the resolution improvements provided by the state-of-the-art microscopy techniques and enhancement methods described here. In the second part of this dissertation, we shift our focus away from improving the resolution and consider an optical framework that does not require high resolution imaging for detecting malicious circuitry. We develop a classification-based high-throughput gate identification method that utilizes the physical model of the optical system. We then propose a lower-throughput system to increase the detection accuracy, based on higher resolution imaging to supplement the former method. Finally, we consider the problem of free-form lens design for forming prescribed illumination patterns as a non-imaging application. Common methods that design free-form lenses for forming patterns consider the input light source to be a point source, however using extended light sources with such lenses lead to significant blurring in the resulting pattern. We propose a deconvolution-based framework that utilizes the lens geometry to model the blurring effects and eliminates this degradation, resulting in sharper patterns.

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.

Este trabalho apresenta um gerenciador de ferramentas para projeto de circuitos integrados, o sistema TENTOS, agora desenvolvido para o ambiente MS-WINDOWSTM. O ambiente TENTOS é um sistema aberto, isto é, permite a fácil inclusão de novas ferramentas em tempo de execução do gerenciador, tornando-o desta forma sempre atual em relação as ferramentas existentes. Inicialmente será feita uma breve descrição de alguns dos gerenciadores existentes, tanto os desenvolvidos com finalidades comerciais como os do meio acadêmico Em seguida, será apresentado um histórico sobre a evolução do sistema TENTOS, da sua versão inicial até a sua versão atual. Em uma etapa seguinte será descrito o estado atual do sistema TENTOS, isto é, suas características principais a estrutura dos menus, os arquivos de configuração do sistema. como incluir novas ferramentas, arquivos de tecnologia, a configuração standard do sistema, quais ferramentas acompanham o TENTOS; como funciona a execução das ferramentas. Concluída a apresentação do sistema TENTOS, sendo apresentados exemplos que ilustram as etapas de desenvolvimento de um projeto de circuito integrado utilizando o sistema TENTOS. / This dissertation presents a tool mana ger for integrated circuit design, the TENTOS system, now developed for the MS-WINDOWSTM environment. The TENTOS package is an open system. that allows an eas y inclusion of new tools in the execution time of the manager, allowing an easy and constant updating of tools that are integrated into the package. Firstly, a short description of existing frameworks will be shown b y including commercial and academics systems. Secondly, a brief historical of TENTOS evolution system will be presented. Following thet description the present state of the TENTOS s ystem will be described which comprises: its main characteristics: the structure of menus; system configuration files; how to include new tools and technology files; the standard system configuration, which tools are available into the TENTOS and how they are executed. Finally some examples on how to use the TENTOS system will be shown.

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.

abstract: A single solar cell provides close to 0.5 V output at its maximum power point, which is very low for any electronic circuit to operate. To get rid of this problem, traditionally multiple solar cells are connected in series to get higher voltage. The disadvantage of this approach is the efficiency loss for partial shading or mismatch. Even as low as 6-7% of shading can result in more than 90% power loss. Therefore, Maximum Power Point Tracking (MPPT) at single solar cell level is the most efficient way to extract power from solar cell. Power Management IC (MPIC) used to extract power from single solar cell, needs to start at 0.3 V input. MPPT circuitry should be implemented with minimal power and area overhead. To start the PMIC at 0.3 V, a switch capacitor charge pump is utilized as an auxiliary start up circuit for generating a regulated 1.8 V auxiliary supply from 0.3 V input. The auxiliary supply powers up a MPPT converter followed by a regulated converter. At the start up both the converters operate at 100 kHz clock with 80% duty cycle and system output voltage starts rising. When the system output crosses 2.7 V, the auxiliary start up circuit is turned off and the supply voltage for both the converters is derived from the system output itself. In steady-state condition the system output is regulated to 3.0 V. A fully integrated analog MPPT technique is proposed to extract maximum power from the solar cell. This technique does not require Analog to Digital Converter (ADC) and Digital Signal Processor (DSP), thus reduces area and power overhead. The proposed MPPT techniques includes a switch capacitor based power sensor which senses current of boost converter without using any sense resistor. A complete system is designed which starts from 0.3 V solar cell voltage and provides regulated 3.0 V system output. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Electrical Engineering 2015

abstract: Time-interleaved analog to digital converters (ADCs) have become critical components in high-speed communication systems. Consumers demands for smaller size, more bandwidth and more features from their communication systems have driven the market to use modern complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technologies with shorter channel-length transistors and hence a more compact design. Downscaling the supply voltage which is required in submicron technologies benefits digital circuits in terms of power and area. Designing accurate analog circuits, however becomes more challenging due to the less headroom. One way to overcome this problem is to use calibration to compensate for the loss of accuracy in analog circuits. Time-interleaving increases the effective data conversion rate in ADCs while keeping the circuit requirements the same. However, this technique needs special considerations as other design issues associated with using parallel identical channels emerge. The first and the most important is the practical issue of timing mismatch between channels, also called sample-time error, which can directly affect the performance of the ADC. Many techniques have been developed to tackle this issue both in analog and digital domains. Most of these techniques have high complexities especially when the number of channels exceeds 2 and some of them are only valid when input signal is a single tone sinusoidal which limits the application. This dissertation proposes a sample-time error calibration technique which bests the previous techniques in terms of simplicity, and also could be used with arbitrary input signals. A 12-bit 650 MSPS pipeline ADC with 1.5 GHz analog bandwidth for digital beam forming systems is designed in IBM 8HP BiCMOS 130 nm technology. A front-end sample-and-hold amplifier (SHA) was also designed to compare with an SHA-less design in terms of performance, power and area. Simulation results show that the proposed technique is able to improve the SNDR by 20 dB for a mismatch of 50% of the sampling period and up to 29 dB at 37% of the Nyquist frequency. The designed ADC consumes 122 mW in each channel and the clock generation circuit consumes 142 mW. The ADC achieves 68.4 dB SNDR for an input of 61 MHz. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2017