Variability and voltage scaling aware FinFET design

Abstract

Technology scaling alongside the increasing process variability impact in modern technology nodes are the main reasons to control deviations over metrics in IC nanometer designs. Also, given the increasing set of devices working in battery-oriented environments, energy consumption should be minimal and the operation regime reliable. Schmitt Triggers are traditionally used for noise immunity enhancement, and have been recently applied to mitigate radiation effects and process variability impact. However, Schmitt Trigger operation at the nominal voltage introduces higher power consumption, in comparison to an inverter, making the application of Schmitt Trigger in ultra low power applications difficult. Thus, this work main contribution is to trace the relationship between transistor sizing, supply voltage, and process variability to get a low energy consumption circuit while still keeping low levels of deviations due to the impact of process-induced variability. The results are extracted from three different designs of inverters. All simulations are performed upon the extracted layouts design at 7-nm with the FinFET technology. Each layout presents a different number of fins, where each simulation presents a different level of variability and supply voltage. Amongst the several metrics considered - propagation times, energy, hysteresis interval, current ratios, voltage gains, and slopes - the energy is the prioritized metrics with an analysis considering different kinds of applications - low energy, low sensibility, and cost-benefit - being performed. Given so, it is shown that a cost-benefit analysis can highlight sets of sizing and supply voltage where it can provide a 37.51% decrease on energy consumption while only increasing its sensibility by 7.42%. Furthermore, it is presented that the dependence of supply voltage and sensibility to process variability is not directly related, with slight decreases in the supply voltages bringing better results. Considering the average measures, the inverter is still the fastest and most energy-efficient circuit, presenting the highest performance, lowest energy consumption, and smallest area. Although, when comparing noise immunity characteristics, the 6-Transistor Schmitt Trigger presents the highest noise margins and slopes, with higher current ratios, and gains. The TIST designs present the highest current ratios, gains, and hysteresis ratios. The improvements, although, may increase propagations times, energy consumption, and area.

A miniaturização da tecnologia de trasistores, juntamente com o crescente impacto da variabilidade de processo nos nodos tecnológicos modernos são a principal razão para o esforço da indústria em investir nos métodos para controle dos efeitos de variabilidade nas métricas dos circuitos integrados. Além disso, dado o crescimento exponencial do número de aplicações dependendes de bateria, o consumo de energia deve-se manter mínimo e o regime de operação estável. Circuitos Schmitt Trigger são tradicionalmente aplicados para melhora da resistência de circuitos integrados ao ruído e foram recentemente aplicados para mitigar os efeitos da radiação e do impacto da variabilidade. Contudo, a operação de Schmitt Triggers em tensão nominal introduz alto consumo de potência, tornando a adoção de Schmitt Triggers em cenários de ultra baixa potência, díficil. Assim, a principal contribuição deste trabalho é traçar a relação entre dimensionamento dos transistores, tensão de alimentação e variabilidade de processo, para alcançar o menor possível consumo de energia, mas mantendo a robustez aos efeitos de variabilidade em níveis aceitáveis. Os resultados são extraídos de três tipos de inversores, entre eles Schmitt Triggers. Todas as simulações são realizadas considerando os leiautes extraídos projetados em 7nm com a tecnologia de transistores FinFET. Cada leiaute apresenta um numero diferente de fins, onde cada simulação apresenta um nível diferente de variabilidade de processo e tensão de alimentação. Entre diversas métricas consideradas - tempos de propagação, energia, intervalo de histerese, razões entre as correntes dinâmica e estática, ganhos de tensão e inclinação dos sinais - as medidas de energia são priorizadas, com uma análise considerando diferentes tipos de aplicações - baixa energia, máxima robustez e custo-benefício. A partir dos resultados, é demonstrado que uma análise de custo-benefício pode destacar conjuntos de dimensionamentos e tensões de alimentação que podem prover uma redução de até 37.51% no consumo de energia com um aumento de somente 7.42% na sensibilidade aos efeitos de variabilidade. Além disso, é demonstrado que a dependência da tensão de alimentação e a robustez aos efeitos da variabilidade de processo não é direta, com pequenas diminuições na tensão de alimentação resultando em ganhos na robustez. Nas medidas médias das métricas, o inversor tradicional ainda é o circuito mais rápido e mais energéticamente eficiente, apresentando o melhor desempenho, menor consumo de energia e menor área. Porém, quando comparando características que provêem imuidade ao ruído, o Schmitt Trigger de seis transistores apresentou as maiores margens de ruído, com maiores razões das correntes e ganhos. Já o circuito TIST apresentou as maiores razões entre correntes, ganhos e intervalos de histerese. Entretanto, estas melhorias não vem sem as respectivas penalidades nos tempos de propagação, consumo de energia e area.