Variability and voltage scaling aware FinFET design

• Ano de defesa: 2020
• Autor(a) principal: Moraes, Leonardo Barlette de
• Orientador(a): Reis, Ricardo Augusto da Luz
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Palavras-chave em Português: Microeletrônica; FinFET; Energia; Circuitos integrados; Efeitos da radiação; Transistores
• Palavras-chave em Inglês: Process variability; Schmitt trigger; Full adder
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/219377

A miniaturização da tecnologia de trasistores, juntamente com o crescente impacto da variabilidade de processo nos nodos tecnológicos modernos são a principal razão para o esforço da indústria em investir nos métodos para controle dos efeitos de variabilidade nas métricas dos circuitos integrados. Além disso, dado o crescimento exponencial do número de aplicações dependendes de bateria, o consumo de energia deve-se manter mínimo e o regime de operação estável. Circuitos Schmitt Trigger são tradicionalmente aplicados para melhora da resistência de circuitos integrados ao ruído e foram recentemente aplicados para mitigar os efeitos da radiação e do impacto da variabilidade. Contudo, a operação de Schmitt Triggers em tensão nominal introduz alto consumo de potência, tornando a adoção de Schmitt Triggers em cenários de ultra baixa potência, díficil. Assim, a principal contribuição deste trabalho é traçar a relação entre dimensionamento dos transistores, tensão de alimentação e variabilidade de processo, para alcançar o menor possível consumo de energia, mas mantendo a robustez aos efeitos de variabilidade em níveis aceitáveis. Os resultados são extraídos de três tipos de inversores, entre eles Schmitt Triggers. Todas as simulações são realizadas considerando os leiautes extraídos projetados em 7nm com a tecnologia de transistores FinFET. Cada leiaute apresenta um numero diferente de fins, onde cada simulação apresenta um nível diferente de variabilidade de processo e tensão de alimentação. Entre diversas métricas consideradas - tempos de propagação, energia, intervalo de histerese, razões entre as correntes dinâmica e estática, ganhos de tensão e inclinação dos sinais - as medidas de energia são priorizadas, com uma análise considerando diferentes tipos de aplicações - baixa energia, máxima robustez e custo-benefício. A partir dos resultados, é demonstrado que uma análise de custo-benefício pode destacar conjuntos de dimensionamentos e tensões de alimentação que podem prover uma redução de até 37.51% no consumo de energia com um aumento de somente 7.42% na sensibilidade aos efeitos de variabilidade. Além disso, é demonstrado que a dependência da tensão de alimentação e a robustez aos efeitos da variabilidade de processo não é direta, com pequenas diminuições na tensão de alimentação resultando em ganhos na robustez. Nas medidas médias das métricas, o inversor tradicional ainda é o circuito mais rápido e mais energéticamente eficiente, apresentando o melhor desempenho, menor consumo de energia e menor área. Porém, quando comparando características que provêem imuidade ao ruído, o Schmitt Trigger de seis transistores apresentou as maiores margens de ruído, com maiores razões das correntes e ganhos. Já o circuito TIST apresentou as maiores razões entre correntes, ganhos e intervalos de histerese. Entretanto, estas melhorias não vem sem as respectivas penalidades nos tempos de propagação, consumo de energia e area.