CMOS digital cells and VLSI circuits design for ultra-low voltage operation

Este trabalho propõe uma estratégia para projeto de circuitos VLSI operando em amplo ajuste de tensão e frequência (VFS), desde o regime em Near-threshold, onde uma tensão de VDD caracteriza-se por permitir o funcionamento do circuito com o mínimo dispêndio de energia por operação (MEP), até tensões nominais, dependendo da carga de trabalho exigida pela aplicação. Nesta dissertação é proposto o dimensionamento de transistores para três bibliotecas de células utilizando MOSFETs com tensões de limiar distintas: Regular-VT (RVT), High-VT (HVT) e Low-VT (LVT). Tais bibliotecas possuem cinco células combinacionais: INV, NAND, NOR, OAI21 e AOI22 em múltiplos strengths. A regra para dimensionamento dos transistores das células lógicas foi adaptada de trabalhos relacionados, e fundamenta-se na equalização dos tempos de subida e descida na saída de cada célula, objetivando à redução dos efeitos de variabilidade em baixas tensões de operação. Dois registradores também foram incluídos na biblioteca RVT e sua caracterização foi realizada considerando os parâmetros de processo CMOS 65 nm typical, fast e slow; nas temperaturas de operação de -40°C, 25°C e 125°C, e para tensões variando de 200 mV até 1,2V, para incluir a região de interesse, próxima ao MEP. Os experimentos foram realizados utilizando dez circuitos VLSI de teste: filtro digital notch, um núcleo compatível com o micro-controlador 8051, quatro circuitos combinacionais e quatro sequenciais do benchmark ISCAS. Em termos de economia de energia, operar no MEP resulta em uma redução média de 54,46% em relação ao regime de sub-limiar e até 99,01% quando comparado com a tensão nominal, para a temperatura de 25°C e processo típico. Em relação ao desempenho, operar em regime de VFS muito amplo propicia frequências máximas que variam de centenas de kHz até a faixa de centenas de MHz a GHz, para as temperaturas de -40°C e 25°C, e de MHz até GHz em 125°C. Os resultados desta dissertação, quando comparados a trabalhos relacionados, demonstraram, em média, redução de energia e ganho de desempenho de 24,1% e 152,68%, respectivamente, considerando os mesmos circuitos de teste, operando no ponto de mínima energia (MEP).This work proposes a strategy for designing VLSI circuits to operate in a very-wide Voltage-Frequency Scaling (VFS) range , from the supply voltage at which the minimum energy per operation (MEP) is achieved, at the Near-Threshold regime, up to the nominal supply voltage for the processes, if so demanded by applications workload. This master thesis proposes the sizing of transistors for three library cells using MOSFETs with different threshold voltages: Regular-VT (RVT), High-VT (HVT), and Low-VT (LVT). These libraries have five combinational cells: INV, NAND, NOR, OAI21, and AOI22 with multiple strengths. The sizing rule for the transistors of the digital cells was an adapted version from related works and it is directly driven by requiring equal rise and fall times at the output for each cell in order to attenuate variability effects in the low supply voltage regime. Two registers were also included in the RVT library cell. This library cell was characterized for typical, fast, and slow processes conditions of a CMOS 65nm technology; for operation at -40ºC, 25ºC, and 125ºC temperatures, and for supply voltages varying from 200 mV up to 1.2V, to include the region of interest, for VDD near the MEP. Experiments were performed with ten VLSI circuit benchmarks: notch filter, 8051 compatible core, four combinational and four sequential ISCAS benchmark circuits. From the energy savings point of view, to operate in MEP results on average reduction of 54.46% and 99.01% when compared with the sub-threshold and nominal supply voltages, respectively. This analysis was performed for 25⁰C and typical process. When considered the performance, the very-wide VFS regime enables maximum operating frequencies varying from hundreds of kHz up to MHz/GHz at -40ºC and 25ºC, and from MHz up to GHz at 125ºC. This master thesis results, when compared with related works, showed on average an energy reduction and performance gain of 24.1% and 152.68%, respectively, for the same circuit benchmarks operating with VDD at the minimum energy point (MEP)