Energy and speed exploration in digital CMOS circuits in the near-threshold regime for very-wide voltage-frequency scaling

Abstract

This thesis assesses the benefits and drawbacks associated with a very wide range of frequency when operation at near-threshold is considered. Scaling down the supply voltage in digital CMOS circuits presents great benefits in terms of power reduction. Such scaling comes with a performance penalty, hence in digital synchronous circuits the reduction in frequency of operation follows, for a given circuit layout, the VDD reduction. Minimum-energy operation of digital CMOS circuits is commonly associated to the sub-VT regime, carrying huge performance and variability penalties. This thesis shows that it is possible to achieve 8X higher energy-efficiency with a very-wide range of dynamic voltage-frequency scaling, from nominal voltages down to the lower boundary of near-VT operation. As part of this study, a CMOS digital cell-library for such wide range of frequencies was developed. The cell-library is exercised in a 65nm commercial PDK and targets near-VT operation, mitigating the variability effects without compromising the design in terms of area and energy at strong inversion. For near-VT or sub-VT operation the cells have to be designed with few stacked transistors. Our study shows that acceptable performance in terms of static-noise margins is obtained for a constrained set of cells, for which a maximum of 2-stacked transistors are allowed. In this set we include master-slave registers. We report results for medium complexity designs which include a 25kgates notch filter, a 20kgates 8051 compatible core, and 4-combinational/4-sequential ISCAS benchmark circuits. In this work the maximum frequency attainable at each supply for a wide variation of voltage is studied from 150mV up to nominal voltage (1.2V). The sub-VT operation is shown to hold the minimum energy-point at roughly 0.29V, which represents a 2X energy-saving compared to the near-VT regime. Although energy-efficiency peaks in sub-VT for the circuits studied, we also show that in this ultra-low VDD the circuit timing and power suffer from substantially increased variability impact and a 30X performance drawback, with respect to near-VT.

Esta tese avalia os benefícios e desafios associados com a operação em uma ampla faixa de frequências e tensões próximas ao limiar do transistor. A diminuição da tensão de alimentação em circuitos digitais CMOS apresenta grandes vantagens em termos de potência consumida pelo circuito. Esta diminuição da potência é acompanhada por uma redução da performance, reflexo da diminuição na tensão de alimentação. A operação de circuitos digitais no ponto de energia mínima é comumente associada ao regime de operação abaixo do limiar do transistor, trazendo enormes penalidades em performance e variabilidade. Esta dissertação mostra que é possível obter 8X mais eficiência energética com uma ampla faixa dinâmica de tensão e frequência, da tensão nominal até o limite inferior da operação próximo ao limiar do transistor. Como parte deste estudo, uma biblioteca de células digitais CMOS para esta ampla faixa de frequências foi desenvolvida. A biblioteca de células lógicas foi exercitada em um PDK comercial de 65nm para operação próximo ao limiar do transistor, reduzindo os efeitos da variabilidade sem comprometer o projeto em termos de área e energia quando operando em inversão forte. Para operar próximo e abaixo do limiar do transistor as células devem ser desenvolvidas com um número limitado de transistores em série. Nosso estudo mostra que uma performance aceitável em termos de margens de ruído estático é obtida para um conjunto restrito de células, onde são empregados no máximo dois transistores em série. Reportamos resultados para projetos de média complexidade que incluem um filtro notch de 25kgates, um microcontrolador 8051 de 20kgates, e 4 circuitos combinacionais/ sequenciais do conjunto de avaliação ISCAS. Neste trabalho, é estudada a máxima frequência atingida em cada tensão de alimentação, desde 0.15V até 1.2V. O ponto de mínima energia é demonstrado em operação abaixo do limiar do transistor, aproximadamente 0.29V, oque representa um ganho de 2X em eficiência energética comparado ao regime de operação próximo ao limiar do transistor. Embora o pico de eficiência energética ocorra abaixo do limiar do transistor para os circuitos estudados, nós também demonstramos que nesta tensão de alimentação ultra-baixa o atraso e a potência sofrem um impacto substancial devido ao aumento na variabilidade, atigindo uma degradação em performance de 30X, com respeito à operação próxima ao limiar do transistor.