Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10923/8192
Type: doctoralThesis
Title: Asynchronous circuits: innovations in components, cell libraries and design templates
Author(s): Moreira, Matheus Trevisan
Advisor: Calazans, Ney Laert Vilar
Beerel, Peter A.
Publisher: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Graduate Program: Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação
Issue Date: 2016
Keywords: CIRCUITOS ASSÍNCRONOS
PROJETO DE CIRCUITOS
ARQUITETURA DE REDES
ENGENHARIA ELÉTRICA
INFORMÁTICA
Abstract: O paradigma síncrono foi, por décadas, a principal escolha da indústria para o projeto de circuitos integrados. Infelizmente, com o desenvolvimento da indústria de semicondutores, restrições de projeto relativas à potência de um circuito e incertezas de atrasos aumentaram, dificultando o projeto síncrono. Alguns dos motivos para isso são o aumento na variabilidade dos processos de fabricação de dispositivo, as perdas de desempenho relativas em fios e as incertezas temporais causadas por variabilidades nas condições operacionais de dispositivos. Dessa forma, o paradigma assíncrono surge como uma alternativa, devido à sua robustez contra variações temporais e suporte ao projeto de circuitos de alto desepenho e baixo consumo. Entretanto, grande parte da indústria de ferramentas de automação de projeto eletrônico foi desenvolvida visando o projeto de circuitos síncronos e atualmente o suporte a circuitos assíncronos é consideravelmente limitado. Esta Tese propõe novas técnicas de projeto para otimizar circuitos assíncronos, desde o nível de células ao nível de sistema. Começamos analisando e otimizando componentes básicos para o projeto desses circuitos e depois apresentamos novas soluções para implementá-los no nível de transistores. As otimizações propostas permitem uma melhor exploração dos parâmetros desses circuitos, incluindo potência, atraso e área. Em um segundo momento, exploramos o uso desses componentes como células para a geração de uma biblioteca de suporte ao projeto semi-dedicado de circuitos assíncronos.Nesse contexto, propomos um fluxo completamente automatizado para projetar tais bibliotecas. O fluxo compreende ferramentas de dimensionamento de transistores e caracterização elétrica, desenvolvidas nesta Tese, e uma ferramenta de projeto de leiaute, desenvolvida por um grupo de pesquisa parceiro. Esse trabalho também apresenta uma biblioteca aberta, com centenas de componentes validados extensivamente através de simulações pós-leiaute. Além disso, usando essa biblioteca desenvolvemos novos templates para o projeto de circuitos assíncronos no nível de sistema, propondo um fluxo automático para síntese e mapeamento tecnológico. Comparado a uma solução assíncrona no estado da arte, nosso mais novo template apresenta uma eficiência energética quase duas vezes maior. As contribuições desta Tese permitiram a construção de uma infraestrutura para o projeto de circuitos assíncronos, abrindo caminho para a exploração do uso de templates assíncronos para solucionar problemas modernos e futuros no projeto de circuitos integrados.
For decades now, the synchronous paradigm has been the major choice of the industry for building integrated circuits. Unfortunately, with the development of semiconductor industry, power budgets got tighter and delay uncertainties increased, making synchronous design a complex task. Some of the reasons behind that are the increase in process variability, the losses in wire performance and the uncertainties in the operating condition of devices. These and other factors significantly impact transistor electrical characteristics, making it more complicated to meet timing closure in synchronous systems and compromising power efficiency. The asynchronous paradigm emerges as an efficient alternative to current design approaches, given its inherent high robustness against delay variations and suitability to low-power and high-performance design. However, while a major segment of the design automation industry was developed to support synchronous design, currently, design automation for asynchronous circuits is limited, to say the least. Furthermore, basic components for semi-custom design approaches, typically available in standard cell libraries were optimized to target synchronous implementations and those necessary to support asynchronous design were also left behind. This Thesis proposes new techniques to optimize asynchronous design, from cell to system level. We start by analyzing and optimizing basic components for asynchronous design and then propose new manners of implementing them at the transistor level. The proposed optimizations and novel components allow better exploring power, delay and area trade-offs, providing a guideline for asynchronous designers. We then explore how to design these components as cells for building a library to support semi-custom design. To that extent, we propose a completely automated flow for designing such libraries.This flow comprises transistors sizing and electrical characterization tools, developed in this Thesis, and a layout generation tool, developed by a fellow research group. We also provide a freely available library, designed with the flow, with hundreds of components that were extensively validated with post-layout simulations. Using this library we devised new templates for designing asynchronous circuits at the system level, exploring an automated synthesis solution and expanding design space exploration. Compared to a similar state-of-the-art solution, our latest template provides almost twice better energy efficiency and comprises an original automated method for technology mapping and synthesis optimizations. The contributions of this Thesis allowed the construction of an infrastructure for building asynchronous designs, paving the way to explore their usage to solve contemporary and future challenges in integrated circuit design.
URI: http://hdl.handle.net/10923/8192
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