Impacto da variabilidade PVT em somadores construídos com XORs

Abstract

A operação de soma é a mais usada em Unidades Lógicas e Aritméticas (ULA). A ULA é a unidade mais importante no processamento de dados. Em sistemas digitais, é desejado um somador completo com baixo consumo de energia e um alto desempenho. O somador completo faz parte do caminho crítico em sistemas computacionais, ele pode ser implementado de diversas maneiras, a maioria delas tendo como seu principal sub-circuito a porta lógica OU-exclusivo (XOR). Consequentemente, o estudo de somadores completos compostos por combinações de portas lógicas XOR é de grande valia para pesquisas na literatura. Melhorias nos módulos aritméticos pode reduzir significativamente o consumo de potência dos sistemas, mas em tecnologias nanométricas é necessário considerar o impacto da variabilidade. Esse trabalho tem como objetivo analisar projetos de somadores completos que quando submetidos aos efeitos de variabilidade devem ser robustos, ter um bom desempenho e mostrar bons resultados em consumo de energia, quando estão operando em tensão nominal e em tensão de quase limiar. Além disso, foi utilizada uma técnica chamada de célula de desacoplamento (Dcell) visando uma alternativa para a redução da variabilidade de processo. Esse trabalho analisa e compara 4 somadores tradicionais e 9 somadores completos construídos através de 3 blocos lógicos, dos quais 2 deles são substituídos por portas lógicas XOR, em uma tecnologia FinFET de 7nm. Foi observado que circuitos somadores que foram construídos usando a XOR da família lógica CMOS, especialmente no segundo bloco, obtiveram piores resultados de desempenho e consumo energético. Somadores operando em tensão nominal são cerca de 80% mais robustos quanto ao impacto da variabilidade de processo no consumo máximo. A operação em quase limiar implica em uma alta sensibilidade no desempenho e consumo, alcançando mais de 300% nos piores casos. Em relação à variabilidade de processo, foi verificado um aumento de sensibilidade de cerca de 40% no desempenho quando foram utilizadas a XOR V5 e a XOR V8 no segundo bloco dos somadores quando operando em tensão nominal. Para a operação em tensão de quase limiar o uso da metodologia proposta nesse trabalho mostrou ser uma boa opção para alcançar uma maior robustez quanto ao consumo dos circuitos. Considerando o uso da Dcell, na operação em tensão nominal, foi verificado uma redução no desempenho juntamente com uma redução na variabilidade. O melhor caso foi o somador FAV5V8 que para um aumento de 20% no atraso, obteve uma redução de 20% na variabilidade. Em relação ao consumo, houve uma redução de 16% na potência dinâmica, juntamente com uma redução de quase 30% na variabilidade, como o que ocorreu com o somador FAV8V1. Foi possível observar casos de redução da variabilidade em mais de 40% com um pequeno aumento no consumo dinâmico. O uso dessa técnica teve um alto impacto nos resultados de circuitos que operavam em tensão de quase limiar, chegando em alguns casos a mais de 40% de redução do desempenho para uma pequena redução na variabilidade. Quanto ao consumo, nesse caso, os somadores tradicionais foram os menos afetados, e novamente o uso da XOR V8 no segundo bloco para construção dos somadores mostrou ser uma boa opção para aumento da robustez dos circuitos.

The sum operation is the most used in the Arithmetic and Logic Units (ALU). In digital systems, a complete adder with low energy consumption and high performance is desired. The full adder is part of the critical path in computer systems. It can be implemented in several ways, most of them having the OR-exclusive logic gate (XOR) as its main sub-circuit. Consequently, the study of full adders composed of combinations of XOR logic gates has a great value in the literature. Improvements in arithmetic modules can significantly reduce the power consumption of systems, however, in nanometric technologies it is necessary to consider the impact of variability. This work aims to analyse designs of full adders considering variability effects, comparing performance and energy consumption when operating at nominal voltage and also at near threshold voltage. In addition, a technique called decoupling cell (Dcell) was used to provide an alternative for reducing process variability. This work analyses and compares four traditional adders and nine adders built using three logic blocks, where two of them are replaced by XOR logic gates, in a 7nm FinFET technology. It was observed that full adders that were built using the XOR of the CMOS logic family, especially in the second block, had worse results in performance and energy consumption. Full adders operating at nominal voltage regime are about 80% more robust in terms of the impact of process variability on maximum consumption. The near threshold operation implies a high sensitivity in performance and consumption, reaching more than 300% in the worst cases. Regarding the process variability, there was an increase in sensitivity of about 40% in performance when the XOR V5 and XOR V8 were used in the second block of the adder when operating at nominal voltage. For the voltage operation of near threshold, the use of the methodology proposed in this work demonstrate to be a good option to achieve greater robustness regarding the consumption of the circuits. Considering the use of Dcell, in the operation at nominal voltage, a reduction in performance was verified together with a reduction in variability. The best case was the adder FAV5V8 which for a 20% increase in delay, obtained a reduction of 20% in variability. In relation to dynamic consumption, there was a 16% reduction in power, together with a reduction of almost 30% in variability, as occurred with the FAV8V1 adder. It was possible to observe cases of reduced variability by more than 40% with a small increase in dynamic consumption. The use of this technique had a high impact on the results of circuits operating at near threshold voltage, in some cases reaching more than 40% reduction in performance for a small reduction in variability. For consumption, in this case, the traditional full adders were the least affected, and again the use of the XOR V8 in the second block for the construction of the adder proved to be a good option for increasing the robustness of the circuits.