Nesta dissertação, é apresentado o projeto de uma interface que permite o controle e monitoramento de cargas de alta tensão alimentadas na faixa de 8,5V a 35V. A interface fornece duas funções básicas: a primeira é permitir que circuitos alimentados no domínio dos 5V controlem o chaveamento de transistores de potência PMOS com uma tensão de porta 5V abaixo da tensão de alimentação; a segunda é realizar o monitoramento de sobrecorrentes na carga de alta tensão, alertando, com um sinal de baixa tensão, estas ocorrências. A interface foi projetada e fabricada no processo CMOS XC06 - 0,6µm da XFAB, com a inclusão de módulos que permitem o uso de transistores de alta tensão. Como parte da solução proposta, foi analisado, implementado e caracterizado um regulador de tensão flutuante que gera uma tensão de saída 5V abaixo da tensão de alimentação. A área de silício do regulador é de 599µm x 330µm, e as medidas da tensão de saída gerada apresentam variações menores que 10%. Também foi projetado e integrado no mesmo circuito integrado um sensor para medir o nível da tensão flutuante do regulador e comunicar seu estado com um sinal de 5V, este bloco ocupa uma área de 599µm x µm. Este sensor apresentou um desvio padrão de 7% nas medidas da sua tensão limiar. A interface foi integrada em um sensor de proximidade indutivo, permitindo o chaveamento de uma carga de 430pF a 1,2kHz em toda a faixa de alimentação. / This work presents the design of an interface that allow to control and monitoring high voltage loads in the range of 8,5V to 35V. The interface provides two main features, the first one is to allow low voltage circuits supplied with 5V to control the switching of power PMOS transistors with a gate voltage 5V bellow the supply voltage. The second one is monitoring overcurrents on the high voltage load alerting with a low voltage signal these occurences. The interface was designed and fabricated on the CMOS XC06 - 0,6µm process from XFAB with the inclusion of modules that allow the use of high voltage transistors. As part of the proposed solution it was analyzed, implemented and measured a floating voltage regulator wich provides an output voltage 5V bellow the supply voltage. The area of the regulator is 599µm x 330µm and the measures of the output voltage presents variations under the 10%. Also it was designed and integrates in the same integrated circuit a sensor to measure the output level of the floating regulator and communicate the state of this output with a 5V signal, this block occupies an area of 599µm x 579µm. This sensor presented a 7% standard desviation on the measured voltage threashold. The interface was integrated on an inductive proximity sensor allowing the switching of a 430pF load at 1,2kHz for the entire all supply range.

Several algorithms for Public Key Cryptography (PKC), such as RSA, Diffie-Hellman, and Elliptic Curve Cryptography, require modular multiplication of very large operands (sizes from 160 to 4096 bits) as their core arithmetic operation. To perform this operation reasonably fast, general purpose processors are not always the best choice. This is why specialized hardware, in the form of cryptographic co-processors, become more attractive. Based upon the analysis of recent publications on hardware design for modular multiplication, this M.S. thesis presents a new architecture that is scalable with respect to word size and pipelining depth. To our knowledge, this is the first time a word based algorithm for Montgomery's method is realized using high-radix bit-parallel multipliers working with two different types of finite fields (unified architecture for GF(p) and GF(2n)). Previous approaches have relied mostly on bit serial multiplication in combination with massive pipelining, or Radix-8 multiplication with the limitation to a single type of finite field. Our approach is centered around the notion that the optimal delay in bit-parallel multipliers grows with logarithmic complexity with respect to the operand size n, O(log3/2 n), while the delay of bit serial implementations grows with linear complexity O(n). Our design has been implemented in VHDL, simulated and synthesized in 0.5μ CMOS technology. The synthesized net list has been verified in back-annotated timing simulations and analyzed in terms of performance and area consumption.

Esta dissertação de mestrado introduz um conjunto de algoritmos baseados em grafos para a obtenção de circuitos VLSI com um número reduzido de transistores utilziando células simples. Esses algoritmos têm um foco principal na minimização do número de nodos em representações AIG e mapear essa estrutura otimizada utilizando células simples (NAND2 e NOR2) com um número mínimo de inversores. Devido à minimização de nodos, o AIG tem um alto compartilhamento lógico, o que pode derivar circuitos intermediários contendo células com fanouts infactíveis para os nodos tecnológicos atuais. De forma a resolver essas ocorrências, o circuito intermediário é submetido a um algoritmo para limitação de fanout. Os algoritmos propostos foram aplicados num conjunto de circuitos de benchmark e os resultados obtidos mostram a utilidade do método. Os circuitos resultantes tiveram, em média, 32% menos transistores do que as referências anteriores em números de transistores utilizando células simples. Adicionalmente, quando comparando esses resultados com trabalhos que utilizam células complexas, nossos números demonstraram que abordagens anteriores estão algumas vezes longe do número mínimo de transistores que pode ser obtido com o uso eficiente de uma biblioteca reduzida de células, composta por poucas células simples. Os circuitos baseados em células simples obtidos com a aplicação dos algoritmos proposto neste trabalho apresentam um menor número de transistores em muitos casos quando comparados aos resultados previamente publicados utilizando células complexas (CMOS estático e PTL). / This master’s thesis introduces a set of graph-based algorithms for obtaining reduced transistor count VLSI circuits using simple cells. These algorithms are mainly focused on minimizing node count in AIG representations and mapping this optimized AIG using simple cells (NAND2 and NOR2) with a minimal number of inverters. Due to the AIG node count minimization, the logic sharing is probably highly present in the optimized AIG, what may derive intermediate circuits containing cells with unfeasible fanout in current technology nodes. In order to fix these occurrences, this intermediate circuit is subjected to an algorithm for fanout limitation. The proposed algorithms were applied over a set of benchmark circuits and the obtained results have shown the usefulness of the method. The circuits generated by the methods proposed herein have, in average, 32% less transistor than the previous reference on transistor count using simple cells. Additionally, when comparing the presented results in terms of transistor count against works advocating for complex cells, our results have demonstrated that previous approaches are sometimes far from the minimum transistor count that can be obtained with the efficient use of a reduced cell library composed by only a few number of simple cells. The simple-cells-based circuits obtained after applying the algorithms proposed herein have presented a lower transistor count in many cases when compared to previously published results using complex (static CMOS and PTL) cells.

Essa tese introduz um conjunto de algoritmos baseados em grafos para o mapeamento eficiente de circuitos VLSI com células simples. Os algoritmos propostos se baseiam em minimizar de maneira eficiente o número de elementos lógicos usados na implementação do circuito. Posteriormente, uma quantidade significativa de esforço é aplicada na minimização do número de inversores entre esses elementos lógicos. Por fim, essa representação lógica é mapeada para circuitos compostos somente por células NAND e NOR de duas entradas, juntamente com inversores. Células XOR e XNOR de duas entradas também podem ser consideradas. Como nós também consideramos circuitos sequenciais, flips-flops também são levados em consideração. Com o grande esforço de minimização de elementos lógicos, o circuito gerado pode conter algumas células com um fanout impraticável para os nodos tecnológicos atuais. Para corrigir essas ocorrências, nós propomos um algoritmo de limitação de fanout que considera tanto a área sendo utilizada pelas células quanto a sua profundidade lógica. Os algoritmos propostos foram aplicados sobre um conjunto de circuitos de benchmark e os resultados obtidos demonstram a utilidade dos métodos. Essa tese introduz um conjunto de algoritmos baseados em grafos para o mapeamento eficiente de circuitos VLSI com células simples. Os algoritmos propostos se baseiam em minimizar de maneira eficiente o número de elementos lógicos usados na implementação do circuito. Posteriormente, uma quantidade significativa de esforço é aplicada na minimização do número de inversores entre esses elementos lógicos. Por fim, essa representação lógica é mapeada para circuitos compostos somente por células NAND e NOR de duas entradas, juntamente com inversores. Células XOR e XNOR de duas entradas também podem ser consideradas. Como nós também consideramos circuitos sequenciais, flips-flops também são levados em consideração. Com o grande esforço de minimização de elementos lógicos, o circuito gerado pode conter algumas células com um fanout impraticável para os nodos tecnológicos atuais. Para corrigir essas ocorrências, nós propomos um algoritmo de limitação de fanout que considera tanto a área sendo utilizada pelas células quanto a sua profundidade lógica. Os algoritmos propostos foram aplicados sobre um conjunto de circuitos de benchmark e os resultados obtidos demonstram a utilidade dos métodos. Adicionalmente, algumas aplicações Morethan-Moore, tais como circuitos baseados em eletrônica impressa, também podem ser beneficiadas pela abordagem proposta. / This thesis introduces a set of graph-based algorithms for efficiently mapping VLSI circuits using simple cells. The proposed algorithms are concerned to, first, effectively minimize the number of logic elements implementing the synthesized circuit. Then, we focus a significant effort on minimizing the number of inverters in between these logic elements. Finally, this logic representation is mapped into a circuit comprised of only two-input NANDs and NORS, along with the inverters. Two-input XORs and XNORs can also be optionally considered. As we also consider sequential circuits in this work, flip-flops are taken into account as well. Additionally, with high-effort optimization on the number of logic elements, the generated circuits may contain some cells with unfeasible fanout for current technology nodes. In order to fix these occurrences, we propose an area-oriented, level-aware algorithm for fanout limitation. The proposed algorithms were applied over a set of benchmark circuits and the obtained results have shown the usefulness of the method. We show that efficient implementations in terms of inverter count, transistor count, area, power and delay can be generated from circuits with a reduced number of both simple cells and inverters, combined with XOR/XNOR-based optimizations. The proposed buffering algorithm can handle all unfeasible fanout occurrences, while (i) optimizing the number of added inverters; and (ii) assigning cells to the inverter tree based on their level criticality. When comparing with academic and commercial approaches, we are able to simultaneously reduce the average number of inverters, transistors, area, power dissipation and delay up to 48%, 5%, 5%, 5%, and 53%, respectively. As the adoption of a limited set of simple standard cells have been showing benefits for a variety of modern VLSI circuits constraints, such as layout regularity, routability constraints, and/or ultra low power constraints, the proposed methods can be of special interest for these applications. Additionally, some More-than-Moore applications, such as printed electronics designs, can also take benefit from the proposed approach.

Nesta dissertação, é apresentado o projeto de uma interface que permite o controle e monitoramento de cargas de alta tensão alimentadas na faixa de 8,5V a 35V. A interface fornece duas funções básicas: a primeira é permitir que circuitos alimentados no domínio dos 5V controlem o chaveamento de transistores de potência PMOS com uma tensão de porta 5V abaixo da tensão de alimentação; a segunda é realizar o monitoramento de sobrecorrentes na carga de alta tensão, alertando, com um sinal de baixa tensão, estas ocorrências. A interface foi projetada e fabricada no processo CMOS XC06 - 0,6µm da XFAB, com a inclusão de módulos que permitem o uso de transistores de alta tensão. Como parte da solução proposta, foi analisado, implementado e caracterizado um regulador de tensão flutuante que gera uma tensão de saída 5V abaixo da tensão de alimentação. A área de silício do regulador é de 599µm x 330µm, e as medidas da tensão de saída gerada apresentam variações menores que 10%. Também foi projetado e integrado no mesmo circuito integrado um sensor para medir o nível da tensão flutuante do regulador e comunicar seu estado com um sinal de 5V, este bloco ocupa uma área de 599µm x µm. Este sensor apresentou um desvio padrão de 7% nas medidas da sua tensão limiar. A interface foi integrada em um sensor de proximidade indutivo, permitindo o chaveamento de uma carga de 430pF a 1,2kHz em toda a faixa de alimentação. / This work presents the design of an interface that allow to control and monitoring high voltage loads in the range of 8,5V to 35V. The interface provides two main features, the first one is to allow low voltage circuits supplied with 5V to control the switching of power PMOS transistors with a gate voltage 5V bellow the supply voltage. The second one is monitoring overcurrents on the high voltage load alerting with a low voltage signal these occurences. The interface was designed and fabricated on the CMOS XC06 - 0,6µm process from XFAB with the inclusion of modules that allow the use of high voltage transistors. As part of the proposed solution it was analyzed, implemented and measured a floating voltage regulator wich provides an output voltage 5V bellow the supply voltage. The area of the regulator is 599µm x 330µm and the measures of the output voltage presents variations under the 10%. Also it was designed and integrates in the same integrated circuit a sensor to measure the output level of the floating regulator and communicate the state of this output with a 5V signal, this block occupies an area of 599µm x 579µm. This sensor presented a 7% standard desviation on the measured voltage threashold. The interface was integrated on an inductive proximity sensor allowing the switching of a 430pF load at 1,2kHz for the entire all supply range.

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

Tanto nos circuitos integrados para processamento de sinais digitais quanto em microprocessadores, a parte operativa é o núcleo onde a computação dos dados é realizada. A geração deste bloco costuma ser crítica para o desempenho global dos dispositivos. Ferramentas específicas para a geração de parte operativa costumam tirar proveito da regularidade estrutural do circuito para produzir leiautes mais densos e com melhor desempenho. Este trabalho apresenta um novo fluxo de projeto para geração de parte operativa onde foi desenvolvido um gerador automático de leiaute de células CMOS com suporte à lógica não-complementar e um compilador de parte operativa. O uso destas duas ferramentas permite a rápida prototipação de uma biblioteca inteira de células lógicas otimizadas, para atender diferentes requisitos de desempenho, que em seguida são utilizadas para montagem de cada um dos blocos funcionais da parte operativa pelo compilador. Comparações feitas com a ferramenta de síntese de células lógicas mostraram que a metodologia desenvolvida é capaz de produzir resultados similares em área e tempo de geração que métodos exatos e ainda possui a vantagem de suportar o uso de múltiplas métricas de qualidade durante o posicionamento dos transistores. As células geradas automaticamente apresentaram acréscimo de área médio de apenas 14% quando comparado às standard-cells e com resultado de atraso e consumo de potência muito próximos ou melhores. Circuitos de parte operativa foram gerados automaticamente pelo compilador e apresentaram na média, menor área, consumo de potência e atraso que circuitos gerados com um fluxo de síntese automático para standard-cells. / Datapath is the core where all the computations are performed in circuits for digital signal processing and also in microprocessors. The performance of the whole system is frequently determined by the implementation of the datapath. Tools dedicated for synthesis of this unit are called datapath compilers and use to take advantage on the structural regularity of the circuit to produce dense layouts and with good performance. This work presents a new flow for datapath generation. An automatic cell synthesis tool with support to non-complementary logic is used in conjunction with a datapath compiler to achieve timing optimization and technology independence. The cell library produced as result of the synthesis process is used by the compiler to place the cells and generate each one of the datapath operators. Comparisons with other cell sythesis tools shown that our approach was able to produce results comparable in area and generation time. Automatically generated cells were compared to standard-cell layouts and presented an average area overhead of just 14% while our circuits presented better or very close delay and power consumption. The datapaths produced by the compiler were compared to a traditional standard-cell based synthesis design flow and presented smaller area, delay and power consumption in average than this approach.

Este trabalho apresenta o estudo, a definição e a simulação elétrica e lógica de um microprocessador CMOS de 32 bits, com arquitetura tipo RISC - o Risco. Dentre as principais características do Risco destacam-se: dados, instruções e endereços são palavras de 32 bits; a unidade de endereçamento é a palavra, permitindo um acesso a 4 Giga palavras (16 Gbytes); a comunição com a memória é feita por um barramento multiplexado de 32 bits para dados e endereços; possui 32 registradores de 32 bits, incluídos nestes o contador de programa, o apontador de pilha, a palavra de status do processador e um registrador constante zero; possui um pipeline de instruções de 3 estágios, atingindo no pico de execução uma instrução por ciclo de máquina; e as instruções de salto têm sua execução retardada de uma instrução. A Arquitetura de Computadores é analisada, em especial as Arquiteturas RISC (Reduced Instruction Set Computer - Processador com Conjunto de Instruções Reduzido) e CISC (Complex...), mostrando suas características e comparando-as. Algumas máquinas RISC importantes são vistas e o tema de Arquiteturas VLSI e suas implicações tecnológicas no projeto também é abordado. A arquitetura do Risco é descrita dando-se ênfase aos objetivos do projeto e construindo uma visão geral do processador. O tratamento de exceções é apresentado e o conjunto de instruções é analisado quanto ao formato, aos tipos e ao processamento no pipeline. A organização interna do Risco 6 tratada em detalhes, descrevendo-se a Parte Operativa (barramentos, o banco de registradores, a unidade de tratamento da constante, o contador de programa e incrementador associado, a unidade lógico-aritmética, a unidade de deslocamento/rotação) e a Parte de Controle to funcionamento do pipeline de instrug6es, a decodificação, o autômato de controle, a geração e a validação dos comandos). A simulação funcional do Risco, feita em HDC, também é reportada, incluindo o modelamento, os vetores de testa e os resultados. A implementação do Risco é discutida enfatizando-se alguns blocos críticos quanto A Área e ao desempenho. Os barramentos e o banco de registradores, a ULA e a unidade de deslocamento/rotação são estudados em detalhes pela sua importância no desempenho da maquina. Um teste chip contendo a maior parte dos blocos funcionais da parte operativa foi construído, tendo sido aprovado nos testes funcionais. Por fim, faz-se comentários sobre os resultados obtidos, os problemas encontrados e as etapas futuras no desenvolvimento do Risco, alem de serem expostas as conclusões finais. / This work presents the study, the definition, the electric and logic simulation, and the implementation of some blocks of a 32-bit CMOS microprocessor, with RISC architecture - the Risco. Among Risco's main characteristics it is highlighted that data, instructions and addresses are 32-bit words; the address unit is the word, allowing an access to 4-Giga words (16 GBytes); communication with memory is made through a data and address bus of 32 bits; it has 32 registers of 32 bits, including program counter, stack pointer, processor status word, and a zero constant register; it also has an instruction pipeline of three stages, fully capable of issuing one instruction at the execution peak per every machine cycle; and control flow instructions are implemnted as delayed branches. A study on computer architecture is carried out, and special attention is given to the RISC (Reduced Instruction Set Computer) and CISC (Complex...) architectures by means of making comparisons between them, showing their main characteristics and listing some important RISC machines. The VLSI architectures are also discussed, giving emphasis to their technological importance for the Risco's project. Risco's architecture is described, bringing into prominence the aims of the project and an overview of the processor. Exception handling is presented and the instruction set is analysed with regard to format, type and pipeline processing. Risco's internal organization is dealt with in detail, providing descriptions of the data path (buses, register bank, constant unit, program counter and associated incrementer, barrel shifter) and of the control part (operation of pipeline instruction, as well as decodification, control automaton, generation and validation of commands). Risco's functional simulation, through HDC, is mentioned, including modeling, test vectors, and results. Risco's implementation is also discussed giving emphasis to some critical blocks in regard to area and performance. Buses, register bank, arithmetic-logic unit, and barrel shifter are dealt with in detail because of their importance concerning the machine performance. A test-chip, containing most of the functional blocks of the data path, was made and successfully passed the functional tests. Finally, some comments are made with regard to results, main problems, and next stages in the development of Risco.

A compressão de vídeo é um tema extremamente relevante no cenário atual, principalmente devido ao crescimento significativo da utilização de vídeos digitais. Sem a compressão, é praticamente impossível enviar ou armazenar vídeos digitais devido à sua grande quantidade de informações, inviabilizando aplicações como televisão digital de alta definição, vídeo conferência, vídeo chamada para celulares etc. O problema vem se tornando maior com o crescimento de aplicações de vídeos de alta definição, onde a quantidade de informação é consideravelmente maior. Diversos padrões de compressão de vídeo foram desenvolvidos nos últimos anos, todos eles podem gerar grandes taxas de compressão. Os padrões de compressão de vídeo atuais obtêm a maior parte dos seus ganhos de compressão explorando a redundância temporal, através da estimação de movimento. No entanto, os algoritmos de estimação de movimento utilizados atualmente não consideram as variações nas características dos vídeos de alta definição. Neste trabalho uma avaliação da estimação de movimento em vídeos de alta definição é apresentada, demonstrando que algoritmos rápidos conhecidos, e largamente utilizados pela comunidade científica, não apresentam os mesmos resultados de qualidade com o aumento da resolução dos vídeos. Isto demonstra a importância do desenvolvimento de novos algoritmos focados em vídeos de altíssima definição, superiores à HD 1080p. Esta tese apresenta o desenvolvimento de novos algoritmos rápidos de estimação de movimento, focados na codificação de vídeos de alta definição. Os algoritmos desenvolvidos nesta tese apresentam características que os tornam menos suscetíveis à escolha de mínimos locais, resultando em ganhos significativos de qualidade em relação aos algoritmos rápidos convencionais, quando aplicados a vídeos de alta definição. Além disso, este trabalho também visa o desenvolvimento de arquiteturas de hardware dedicadas para estes novos algoritmos, igualmente dedicadas a vídeos de alta definição. O desenvolvimento arquitetural é extremamente relevante, principalmente para aplicações de tempo real a 30 quadros por segundo, e também para a utilização em dispositivos móveis, onde requisitos de desempenho e potência são críticos. Todos os algoritmos desenvolvidos foram avaliados para um conjunto de 10 sequências de teste HD 1080p, e seus resultados de qualidade e custo computacional foram avaliados e comparados com algoritmos conhecidos da literatura. As arquiteturas de hardware dedicadas, desenvolvidas para os novos algoritmos, foram descritas em VHDL e sintetizadas para FPGAs e ASIC, em standard cells nas tecnologias 0,18μm e 90nm. Os algoritmos desenvolvidos apresentam ganhos de qualidade para vídeos de alta definição em relação a algoritmos rápidos convencionais, e as arquiteturas desenvolvidas possuem altas taxas de processamento com baixo consumo de recursos de hardware e de potência. / Video compression is an extremely relevant theme in today’s scenario, mainly due to the significant growth in digital video applications. Without compression, it is almost impossible to send or store digital videos, due to the large amount of data that they require, making applications such as high definition digital television, video conferences, mobiles video calls, and others unviable. This demand is increasing since there is a strong growth in high definition video applications, where the amount of information is considerably larger. Many video coding standards were developed in the last few years, all of them can achieve excellent compression rates. A significant part of the compression gains in the current video coding standards are obtained through the exploration of the temporal redundancies by means of the motion estimation process. However, the current motion estimation algorithms do not consider the inherent variations that appear in high and ultra-high definition videos. In this work an evaluation of the motion estimation in high definition videos is presented. This evaluation shows that some well know fast algorithms, that are widely used by the scientific community, do not keep the same quality results when applied to high resolution videos. It demonstrates the relevance of new fast algorithms that are focused on high definition videos. This thesis presents the development of new fast motion estimation algorithms focused in high definition video encoding. The algorithms developed in this thesis show some characteristics that make them more resilient to avoid local minima, when applied to high definition videos. Moreover, this work also aims at the development of dedicated hardware architectures for these new algorithms, focused on high definition videos. The architectural development is extremely relevant, mainly for real time applications at 30 frames per second, and also for mobile applications, where performance and power are critical issues. All developed algorithms were assessed using 10 HD 1080p test video sequences, and the results for quality and computational cost were evaluated and compared against known algorithms from the literature. The dedicated hardware architectures, developed for the new algorithms, were described in VHDL and synthesized for FPGA and ASIC. The ASIC implementation used 0.18μm and 90nm CMOS standard cells technology. The developed algorithms present quality gains in comparison to regular fast algorithms for high definition videos, and the developed architectures presents high processing rate with low hardware resources cost and power consumption.

Internet of Things (IoT) is a network of devices that are connected through the Internet to exchange the data for intelligent applications. Though IoT devices provide several advantages to improve the quality of life, they also present challenges related to security. The security issues related to IoT devices include leakage of information through Differential Power Analysis (DPA) based side channel attacks, authentication, piracy, etc. DPA is a type of side-channel attack where the attacker monitors the power consumption of the device to guess the secret key stored in it. There are several countermeasures to overcome DPA attacks. However, most of the existing countermeasures consume high power which makes them not suitable to implement in power constraint devices. IoT devices are battery operated, hence it is important to investigate the methods to design energy-efficient and secure IoT devices not susceptible to DPA attacks. In this research, we have explored the usefulness of a novel computing platform called adiabatic logic, low-leakage FinFET devices and Magnetic Tunnel Junction (MTJ) Logic-in-Memory (LiM) architecture to design energy-efficient and DPA secure hardware. Further, we have also explored the usefulness of adiabatic logic in the design of energy-efficient and reliable Physically Unclonable Function (PUF) circuits to overcome the authentication and piracy issues in IoT devices. Adiabatic logic is a low-power circuit design technique to design energy-efficient hardware. Adiabatic logic has reduced dynamic switching energy loss due to the recycling of charge to the power clock. As the first contribution of this dissertation, we have proposed a novel DPA-resistant adiabatic logic family called Energy-Efficient Secure Positive Feedback Adiabatic Logic (EE-SPFAL). EE-SPFAL based circuits are energy-efficient compared to the conventional CMOS based design because of recycling the charge after every clock cycle. Further, EE-SPFAL based circuits consume uniform power irrespective of input data transition which makes them resilience against DPA attacks. Scaling of CMOS transistors have served the industry for more than 50 years in providing integrated circuits that are denser, and cheaper along with its high performance, and low power. However, scaling of the transistors leads to increase in leakage current. Increase in leakage current reduces the energy-efficiency of the computing circuits,and increases their vulnerability to DPA attack. Hence, it is important to investigate the crypto circuits in low leakage devices such as FinFET to make them energy-efficient and DPA resistant. In this dissertation, we have proposed a novel FinFET based Secure Adiabatic Logic (FinSAL) family. FinSAL based designs utilize the low-leakage FinFET device along with adiabatic logic principles to improve energy-efficiency along with its resistance against DPA attack. Recently, Magnetic Tunnel Junction (MTJ)/CMOS based Logic-in-Memory (LiM) circuits have been explored to design low-power non-volatile hardware. Some of the advantages of MTJ device include non-volatility, near-zero leakage power, high integration density and easy compatibility with CMOS devices. However, the differences in power consumption between the switching of MTJ devices increase the vulnerability of Differential Power Analysis (DPA) based side-channel attack. Further, the MTJ/CMOS hybrid logic circuits which require frequent switching of MTJs are not very energy-efficient due to the significant energy required to switch the MTJ devices. In the third contribution of this dissertation, we have investigated a novel approach of building cryptographic hardware in MTJ/CMOS circuits using Look-Up Table (LUT) based method where the data stored in MTJs are constant during the entire encryption/decryption operation. Currently, high supply voltage is required in both writing and sensing operations of hybrid MTJ/CMOS based LiM circuits which consumes a considerable amount of energy. In order to meet the power budget in low-power devices, it is important to investigate the novel design techniques to design ultra-low-power MTJ/CMOS circuits. In the fourth contribution of this dissertation, we have proposed a novel energy-efficient Secure MTJ/CMOS Logic (SMCL) family. The proposed SMCL logic family consumes uniform power irrespective of data transition in MTJ and more energy-efficient compared to the state-of-art MTJ/ CMOS designs by using charge sharing technique. The other important contribution of this dissertation is the design of reliable Physical Unclonable Function (PUF). Physically Unclonable Function (PUF) are circuits which are used to generate secret keys to avoid the piracy and device authentication problems. However, existing PUFs consume high power and they suffer from the problem of generating unreliable bits. This dissertation have addressed this issue in PUFs by designing a novel adiabatic logic based PUF. The time ramp voltages in adiabatic PUF is utilized to improve the reliability of the PUF along with its energy-efficiency. Reliability of the adiabatic logic based PUF proposed in this dissertation is tested through simulation based temperature variations and supply voltage variations.