FEATS: Framework for Explorative Analog Topology Synthesis

Markus Meissner, Lars Hedrich
2015 IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems  
The presented work inside this thesis aims to raise the degree of automation in analog circuit design. Therefore, a framework was developed to provide the necessary mechanisms in order to carry out a fully automated analog circuit synthesis, i.e., the construction of an analog circuit fulfilling all previously defined (electrical) specifications. Nowadays, analog circuit design in general is a very time consuming process compared to a digital design flow. Due to its discrete nature, the digital
more » ... design process is highly automated and thus very efficient compared to analog circuit design. In modern Very-Large-Scale integration (VLSI) circuits the analog parts are mostly just a small portion of the overall chip area. Although this small portion is known to consume a major part of the needed workforce. Paired with product cycles which constantly get shorter, the time needed to develop the analog parts of an integrated circuit (IC) becomes a determinant factor. Apart from this, the ongoing progress in semiconductor processing technologies promises more speed with less power consumption on smaller areas, forcing the IC developers to keep track with the technology nodes in order to maintain competitiveness. Analog circuitry exhibits the inherent property of being hard to reuse, as porting from one technology node to another imposes critical changes for operating conditions (e.g., supply voltage) -mostly leading to a full redesign for most of the analog modules. This productivity gap between digital and analog design resembles the primary motivation for this thesis. Due to the availability of commercial sizing tools, this work deliberately focuses on the construction of circuit topologies in distinction to parameter synthesis, which can be obtained with a dedicated sizing tool. The focus on circuit construction allows the development of a framework which allows a full design space exploration. This thesis describes the needed concepts and methods to realize a deterministic, explorative analog synthesis framework. Despite this, a reference implementation is presented, which demonstrates the applicability in current analog design flows. i Abstract ii ZUSAMMENFASSUNG (GERMAN ABSTRACT) Die in dieser Dissertation vorgestellten Arbeiten verfolgen das Ziel, den Grad der Automatisierung des Entwurfs von integrierten analogen Schaltungen zu erhöhen. Hierfür wurde ein Framework entwickelt, welches die benötigten Mechanismen bereitstellt, um eine voll automatisierte analoge Schaltungssynthese durchführen zu können, d.h. die Konstruktion einer analogen Schaltung, welche alle zuvor definierten (elektrischen) Spezifikationen erfüllt. Der analoge Entwurfsprozess ist heutzutage ein sehr zeitintensives Unterfangen, insbesondere im Vergleich mit dem digitalen Entwurfsprozess. Durch seine diskrete und damit etwas abstraktere Natur ist der digitale Entwurfsprozess sehr effizient, u.a. da dem Designer Werkzeuge zur Verfügung stehen, die ein hohes Maß an Automatisierung ermöglichen. In modernen integrierten Schaltungen mit einem hohen Integrationsgrad machen die analogen Schaltungsteile zumeist nur einen kleinen Anteil der gesamten Fläche aus. Trotzdem sind der Aufwand und somit die Kosten des Entwurfs unverhältnismäßig groß verglichen mit den digitalen Teilen. Einhergehend mit immer kürzer werdenden Entwurfszeiten wird der analoge Teil auf einem Mikrochip zunehmend der beherrschende Kosten-und Zeitfaktor. Darüber hinaus verspricht der Fortschritt der Prozesstechnologien höhere Geschwindigkeiten mit geringerem Energieverbrauch bei kleinerer Fläche, was die Hersteller dazu zwingt, Schritt zu halten, um weiterhin konkurrenzfähig zu bleiben. Analoge Schaltungen haben die inhärente Eigenschaft schwer wiederverwertbar zu sein, da das Portieren von einem Technologieknoten zum Nächsten nicht selten einher geht mit veränderten Betriebsbedingungen, wie bespielsweise verringerten Versorgungsspannungen. Dies führt zumeist zu einem vollständigen Neuentwurf der meisten analogen Schaltungsteile. Diese daraus entstehende Produktivitätslücke bei der Synthese zwischen analogen und digitalen Schaltungen ist die Hauptmotivation für diese Arbeit. In Letzterer werden neuartige, deterministische Verfahren zur vollautomatischen Synthese von analogen Schaltungen vorgestellt und demonstriert. Dabei konzentriert sich das hier vorgestellte Framework mit dem Namen FEATSüberwiegend auf die Topologiesynthese. Die in Abbildung 2 dargestellte Relation zwischen eingebrachtem Expertenwissen und der Anzahl der Schaltungen ist eine weitere Kernmotivation für den Entwurf des hier vorgestellten Frameworks. Hierbei werden verschiedene vorgestellte Konzepte in Bezug zueinander gesetzt. Wichtig ist insbesondere der Handentwurf von Schaltungen, der sich am linken Rand der Abbildung befindet; dabei kommt ausschließlich Expertenwissen in Form eines Analogdesigners zum Einsatz. Dem gegenüber steht der absolut naive Ansatz (Bellsche Zahl), welcher alle möglichen iii Zusammenfassung (German Abstract) Expertenwissen Biblothek [MCR95] Klumperink [KBN01] Geometrische [dMH04] Erste Evolutionäre [KL95] FEATS Hierarchisch Evolutionär [MPSG09] Erweit. Evolutionäre [AII03] Assistent [SKP05] Von Hand Bellsche Zahl Anzahl der Schaltungen Abbildung 1: Illustration des Zusammenhangs zwischen eingebrachtem Expertenwissen und der Anzahl der generierten Schaltungen. FEATS bezeichnet das hier vorgestellte Syntheseframework. Schaltungen generiert und die richtige in dieser Menge zu finden versucht. Dieser rein theoretische Ansatz wird ausführlich beleuchtet und definiert zusätzlich den sogenannten Entwurfsraum für Schaltungen. Die Abbildung soll darüber hinaus das Ziel veranschaulichen, welches in dieser Dissertation verfolgt wird. Eine Diskussion der Konzepte, welche sich darüber hinaus in der Abbildung befinden, ist auch der vorliegenden Arbeit zu entnehmen. Im Mittelteil werden die wesentlichen Konzepte und Algorithmen präsentiert, die Verwendung finden. Dabei werden zunächst die benötigten Eingabedaten beleuchtet: Komponenten entsprechen den atomaren Bauteilen einer elektrischen Schaltung. Diese werden in einer abstrakten Form beschrieben (z.B.: hochohmiger Widerstand, präzise Kapazität oder Schalttransistor) und für die Synthese mit einem entsprechend Bauteil aus der Zieltechnologie verknüpft. Basisblöcke bestehen aus einer oder mehreren Komponenten und können auch als funktionale Blöcke gesehen werden. Diese können ebenfalls vom Benutzer frei angepasst, hinzugefügt und ersetzt werden. Schaltungstemplates repräsentieren die Hierarchien in dem vorgestellten Framework. Dieses sehr ausdrucksstarke Element des Framework erlaubt die Beschreibung von beliebig tiefen Hierarchien, hierbei liegt der Fokus auf der Wiederverwendbarkeit, d.h. ein zuvor entwickeltes Schaltungstemplate kann ohne weitere Anpassungen in ein anderes Schaltungstemplate eingebettet werden, um so beliebig komplexe analoge Module zu beschreiben und zu synthetisieren. Der Syntheseablauf ist im Wesentlichen in drei Schritte unterteilt, welche man in Abbildung 2 sehen kann. Zunächst werden die Eingabedaten für die Synthese vorbereitet. Hierbei iv LIST OF ABBREVIATIONS AAHS analog artificial hormone system ABB abstract basic block AC alternating current, also analysis type in SPICE simulators ADC analog to digital converter API application programming interface BB basic block BLR block length rule CAP capacitor CAS computer algebra system CMFB common-mode feedback amplifier CMOS a technolgy or configuration utilizing nMOS and pMOS devices CMRR common-mode rejection ratio CNT carbon nanotubes CPU central processing unit CTR circuit template rule DAC digital to analog converter DC directed current, also analysis type in SPICE simulators DUT device under test List of Symbols xii CONTENTS Abstract i Zusammenfassung (German Abstract) iii List of Abbreviations ix
doi:10.1109/tcad.2014.2376987 fatcat:paqpx4vhxrba5dwczcoewyg7ry