Solutions for the self-adaptation of wireless systems

La demande courante de connectivité instantanée impose un cahier des charges très strict sur la fabrication des circuits Radio-Fréquences (RF). Les circuits doivent donc être transférées vers les technologies les plus avancées, initialement introduites pour augmenter les performances des circuits purement numériques. De plus, les circuits RF sont soumis à de plus en plus de variations et cette sensibilité s’accroît avec l’avancées des technologies. Ces variations sont par exemple les variations du procédé de fabrication, la température, l’environnement, le vieillissement… Par conséquent, la méthode classique de conception de circuits “pire-cas” conduit à une utilisation non-optimale du circuit dans la vaste majorité des conditions, en termes de performances et/ou de consommation. Ces variations doivent donc être compensées, en utilisant des techniques d’adaptation.De manière plus importante encore, le procédé de fabrication des circuits introduit de plus en plus de variabilité dans les performances des circuits, ce qui a un impact important sur le rendement de fabrication des circuits. Pour cette raison, les circuits RF sont difficilement fabriqués dans les technologies CMOS les plus avancées comme les nœuds 32nm ou 22nm. Dans ce contexte, les performances des circuits RF doivent êtres calibrées après fabrication pour prendre en compte ces variations et retrouver un haut rendement de fabrication.Ce travail de these présente une méthode de calibration post-fabrication pour les circuits RF. Cette méthodologie est appliquée pendant le test de production en ajoutant un minimum de coût, ce qui est un point essentiel car le coût du test est aujourd’hui déjà comparable au coût de fabrication d’un circuit RF et ne peut être augmenté d’avantage. Par ailleurs, la puissance consommée est aussi prise en compte pour que l’impact de la calibration sur la consommation soit minimisé. La calibration est rendue possible en équipant le circuit avec des nœuds de réglages et des capteurs. L’identification de la valeur de réglage optimale du circuit est obtenue en un seul coup, en testant les performances RF une seule et unique fois. Cela est possible grâce à l’utilisation de capteurs de variations du procédé de fabrication qui sont invariants par rapport aux changements des nœuds de réglage. Un autre benefice de l’utilisation de ces capteurs de variation sont non-intrusifs et donc totalement transparents pour le circuit sous test. La technique de calibration a été démontrée sur un amplificateur de puissance RF utilisé comme cas d’étude. Une première preuve de concept est développée en utilisant des résultats de simulation.Un démonstrateur en silicium a ensuite été fabriqué en technologie 65nm pour entièrement démontrer le concept de calibration. L’ensemble des puces fabriquées a été extrait de trois types de wafer différents, avec des transistors aux performances lentes, typiques et rapides. Cette caractéristique est très importante car elle nous permet de considérer des cas de procédé de fabrication extrêmes qui sont les plus difficiles à calibrer. Dans notre cas, ces circuits représentent plus des deux tiers des puces à disposition et nous pouvons quand même prouver notre concept de calibration. Dans le détails, le rendement de fabrication passe de 21% avant calibration à plus de 93% après avoir appliqué notre méthodologie. Cela constitue une performance majeure de notre méthodologie car les circuits extrêmes sont très rares dans une fabrication industrielle.The current demand on ubiquitous connectivity imposes stringent requirements on the fabrication of Radio-Frequency (RF) circuits. Designs are consequently transferred to the most advanced CMOS technologies that were initially introduced to improve digital performance. In addition, as technology scales down, RF circuits are more and more susceptible to a lot of variations during their lifetime, as manufacturing process variability, temperature, environmental conditions, aging… As a result, the usual worst-case circuit design is leading to sub-optimal conditions, in terms of power and/or performance most of the time for the circuit. In order to counteract these variations, increasing the performances and also reduce power consumption, adaptation strategies must be put in place.More importantly, the fabrication process introduces more and more performance variability, which can have a dramatic impact on the fabrication yield. That is why RF designs are not easily fabricated in the most advanced CMOS technologies, as 32nm or 22nm nodes for instance. In this context, the performances of RF circuits need to be calibrated after fabrication so as to take these variations into account and recover yield loss.This thesis work is presenting on a post-fabrication calibration technique for RF circuits. This technique is performed during production testing with minimum extra cost, which is critical since the cost of test can be comparable to the cost of fabrication concerning RF circuits and cannot be further raised. Calibration is enabled by equipping the circuit with tuning knobs and sensors. Optimal tuning knob identification is achieved in one-shot based on a single test step that involves measuring the sensor outputs once. For this purpose, we rely on variation-aware sensors which provide measurements that remain invariant under tuning knob changes. As an auxiliary benefit, the variation-aware sensors are non-intrusive and totally transparent to the circuit.Our proposed methodology has first been demonstrated with simulation data with an RF power amplifier as a case study. Afterwards, a silicon demonstrator has then been fabricated in a 65nm technology in order to fully demonstrate the methodology. The fabricated dataset of circuits is extracted from typical and corner wafers. This feature is very important since corner circuits are the worst design cases and therefore the most difficult to calibrate. In our case, corner circuits represent more than the two third of the overall dataset and the calibration can still be proven. In details, fabrication yield based on 3 sigma performance specifications is increased from 21% to 93%. This is a major performance of the technique, knowing that worst case circuits are very rare in industrial fabrication