Sub-threshold operation of a timing error detection latch

Matthew J. Turnquist, Lauri Koskinen
2009 2009 Ph.D. Research in Microelectronics and Electronics  
Ajoitusvirheentunnistus (TED) mahdollistaa energian kulutuksen vähentämisen mikroprosessoreissa. Tässä diplomityössä on kaksi versiota ajoitusvirheentunnistavasta salvasta (esim. TDTBsubI ja TDTBsubII) ja systeemitason testipiiri (Sys-temTest), joka käyttää TDTBsub salpaa, mikä on suunniteltu toimimaan kynnysalueen alapuolella. Diplomityö esittelee ensin dynaamisen jännitteen skaalauksen (DVS), koska TED käytetään sellaisissa järjestelmissä. Seuraavaksi esitellään teoriaa kynnysalueen alapuolen
more » ... nysalueen alapuolen suunnittelun haasteista. Sitten esitellään molempien TDTBsub salpojen ja SystemTest-lohkojen suunnittelu. Simulaatiotuloksia esitellään keskittyen operaatiotaajuuteen, energian kulutukseen ja toimintavarmuuteen variaatiot huomioon ottaen. Operoitaessa kynnysalueen alapuolella TDTB-piirillä keskityttiin koon mitoittamiseen ja suunnittelutyyliin. Ennen kaikkea kaikkien komponenttien mitoituksen piti olla suurempi kuin minimi CMOS-tekniikan leveydet. Vaikka mitoittamisella saavutettiin toimintavarmuutta kynnysalueen alapuolella toimittaessa myös energian kulutus kasvoi siellä toimittaessa. Perinteisiä vuotovirtojen vähentäviä mitoitustoimenpiteitä tehtiin suurimmalle osalle komponenteista. Logiikkatyyli on tärkeää kynnysalueen alapuolella operoitaessa. TDTBsubII salvassa uuden tekniikan näytetään antavan systeemitason suorituskykyä. Simulaatioilla näytettiin kuinka ajoitusvirheentunnistus kykeni toimimaan kynnystason alapuolella. TDTBsubI:n ja yhteenlaskun testipiirin piirinkuvio tehtiin 65nm CMOS-prosessilla. TDTBsubII salpaa ei tehty, koska se suunniteltiin piirin määräajan jälkeen. Piiriä tarkasteltaessa osoittautui, että piiri ei toiminut. Piirin toimimattomuus johtui tuotantovaiheessa tapahtuneesta virheestä eikä suunnittelusta. Timing error detection (TED) is used to enable the reduction the energy consumption of microprocessors. In this thesis work, two versions of TED latches (i.e. TDTBsubI and TDTBsubII) and a system-level test circuit (SystemTest) that utilizes the TDTBsubI latch have been designed to operate in sub-threshold. The thesis first introduces dynamic voltage scaling (DVS) since TED is utilized with such a system. Next, theory is given to highlight the challenges within sub-threshold. The design of the both TDTBsub latches and SystemTest are then given. Simulation results follow with a focus on operation frequency, energy consumption, and robustness in the presence of variations. To operate TDTBsub into sub-threshold, attention was given to sizing and logic style. In general, the sizing of all components was required to be larger than the minimum CMOS width. Although this provided robustness in sub-threshold, the energy consumption in above sub-threshold was much higher. General leakage reduction sizing techniques were also applied to the majority of components. The choice of logic style is important for sub-threshold operation. In the TDTBsubII latch, a new technique is shown to provide system-level capability. Simulations displayed the capability of TED in sub-threshold. The layout of TDTBsubI and an adder test circuit were constructed in 65 nm CMOS. The TDTBsubII latch was not built since it was designed after the chip deadline. Upon inspection of the chip, it was determined to be inoperative. This mistake was a result of the manufacturering process and not the design in this work.
doi:10.1109/rme.2009.5201304 fatcat:unt27dhxrzdpbagq7gkh3vi7fq