Evaluation of using MIGFET devices in digital integrated circuit design

Abstract

The scaling of MOS transistor has been the main manufacturing strategy for improving integrated circuit (IC) performance. However, as the device dimensions shrink, the scaling becomes harder to be achieved. In this context, much effort has been done in order to develop alternative devices that may allow further progress in computation capability. Among the promising emerging technologies is the multiple independent-gate field effect transistors (MIGFETs). MIGFETs are switch-based devices, which allow more logic capability in a single device. In general, switch networks built through MIGFET devices tend to be more compact than the traditional switch networks. However, there is a tradeoff between the number of logic switches merged and the area and performance of a given MIGFET. Thus, we aim to explore such a tradeoff in order to evaluate the MIGFET impacts in the building digital integrated circuits. To achieve this goal, in this work, we present an area and performance evaluation based on digital circuit built using MIGFET devices, where each MIGFET is represented through RC modelling. In particular, such an evaluation is applied on full-custom design of binary adder circuits and on standard-cell design flow targeting in a set of benchmark circuits. Through the experiments, it is possible have an insight, even superficial and pessimist, about how big can be the layout of a given MIGFET than the single-gate FinFET and still show a reduction in the final circuit area due to the logic compaction.

A diminuição das dimensões do transistor MOS tem sido a principal estratégia adotada para alcançar otimizações de desempenho na fabricação de circuitos integrados. Contudo, reduzir as dimensões dos transistores tem se tornado uma tarefa cada vez mais difícil de ser alcançada. Nesse contexto, vários esforços estão sendo feitos para encontrar dispositivos alternativos que permitam futuros avanços em relação à capacidade computacional. Entre as mais promissoras tecnologias emergentes estão os transistores de efeito de campo com múltiplos e independentes gates (MIGFETs). MIGFETs são dispositivos controlados por mais que um terminal de controle permitindo que funções Booleanas com mais de uma variável sejam implementadas por um único dispositivo. Redes de chaves construídas com dispositivos MIGFET tendem a ser mais compactas do que as redes de chaves tradicionais. No entanto existe um compromisso em relação a redução no número de chaves, devido à maior capacidade lógica, e um maior tamanho e pior desempenho do dispositivo. Neste trabalho, pretendemos explorar tal balanceamento no sentido de avaliar os impactos do uso de MIGFETs na construção de circuitos integrados digitais. Dessa forma, alguns critérios de avaliação são apresentados no sentido de analisar área e atraso de circuitos construídos a partir de dispositivos MIGFET, onde cada transistor é representado por um modelo RC. Em particular, tal avaliação de área e desempenho é aplicada no projeto de circuitos somadores binários específicos (metodologia full-custom). Além do mais, bibliotecas de células construídas a partir de dispositivos MIGFET são utilizadas na síntese automática de circuitos de referência através da metodologia standard-cell. Através dos experimentos, é possível ter-se uma ideia, mesmo que inicial e pessimista, do quanto o layout de um dado MIGFET pode ser maior do que um single-gate FinFET e ainda apresentar redução na área do circuito devido à compactação lógica.