Evaluation of variability using schmitt trigger on full adders layout

Abstract

The aggressive technology and voltage scaling which CMOS-based modern digital circuits are facing introduce challenges as short-channel effects, higher radiation and variability impact. As CMOS technology approaches its scaling limit, novel technology nodes, as FinFET, emerged to address such challenges. Although, even when shortchannel and radiation effects are mitigated due to technology instrinsic characteristics, the variability impact escalates with technology scaling and the lack of manufacturing precision. To mitigate that, novel techniques are proposed and tested in the literature. This work analyzes the impact on variability robustness using a technique based on the replacement of full adders internal inverters by Schmitt Triggers. Some works point that the given technique helps to improve the variability robustness at the electrical level. Therefore, analysis has been performed at layout level using the 7nm FinFET technology node from ASAP7 library and the technique was applied on four full adder designs. Performance, energy and area are taken into account. Results show up to 65% improvement on average delay and energy variability robustness, being necessary a trade-off analysis between robustness improvements and the impact on delays, power consumption and area.

A miniaturização da tecnologia e diminuição das tensões de alimentação ao qual os circuitos digitais baseados na tecnologia CMOS estão enfrentando introduzem desafios como os efeitos de canal-curto e o maior impacto da radiação e da variabilidade. Como a tecnologia CMOS se aproxima de seus limites, novos nodos tecnologicos, como o FinFET, emergem para enfrentar esses desafios. Contudo, mesmo quando efeitos de canal-curto e efeitos de radiação são mitigados devido à características intrínsecas do nodo, o impacto da variabilidade escala com a miniatuarização da tecnologia e a falta de precisão de fabricação. Para mitigar esta variabilidade, novas técnicas são propostas e testadas na literatura. Este trabalho analiza o impacto na robustez à variabilidade de uma técnica baseada na substituição dos inversores internos de somadores completos por Schmitt Triggers. Alguns trabalhos apontam que esta técnica ajuda a melhorar a robustez à variabilidade no nível elétrico. Portanto, a análize foi efetuada em nível de leiaute utilizando o nodo tecnológico de 7nm FinFET da biblioteca ASAP7 e a técnica foi aplicada em quatro somadores completos diferentes. Desempenho, consumo de energia e area foram levados em conta. Resultados mostram melhorias de até 65% na robustez à variabilidade no atraso de propagação médio e energia. Contudo, é necessário realizar uma análise de custo-benefício entre as melhorias e o seu impacto nos atrasos de propagação, energia e área.