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Metodologie di Polarizzazione del Substrato di Dispositivi CMOS per la Riduzione del Ritardo e della Potenza Dissipata

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Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica A.A. 2005/2006 Tesi di Laurea Specialistica (sintesi) 3 fanno parte dei Berkeley Predictive Technology Models. Dai risultati ottenuti con le simulazioni, effettuate in ambiente HSPICE, è stato possibile fare un confronto tra il comportamento dei circuiti in condizioni standard di polarizzazione del substrato (Zero Body Bias – ZBB) e quelli con il RBB ed il FBB, in termini di potenza statica dissipata, velocità ed energia dissipata durante le commutazioni dei segnali, a 27°C ed a 100°C e per tre diverse tensioni di alimentazione (V DD =1V, 0.8V, 0.6V). Per il FBB è stata utilizzata V B =0.4V e per il RBB V B =-0.6V. Per l’inverter è stato osservato un incremento della potenza statica nel passare da ZBB a FBB che cresce all’aumentare della temperatura ed al diminuire di V DD ed è maggiore della riduzione di potenza statica che si ha nel passaggio da ZBB ad RBB (che comunque aumenta pure al diminuire di V DD ). Per il full adder e per il sommatore ad 8–bit l’aumento di potenza statica nel passaggio ZBB→FBB si riduce notevolmente rispetto all’inverter grazie al maggiore effetto stack che si ha nei circuiti dinamici, in questo caso tale incremento è simile alla riduzione di potenza che si ha nel passaggio ZBB→RBB. La riduzione del tempo di propagazione dell’inverter, nel passaggio ZBB→FBB, è simile a quella che si ha per il full adder per il ritardo del carry e del bit di somma (t carry e t SUM ) ed aumenta al diminuire di V DD . Per il sommatore la riduzione percentuale del t carry è di poco superiore a quella del full adder. È stato osservato come, a parità di ritardi, il FBB permette di utilizzare una V DD inferiore a quella necessaria per ZBB, ad esempio, a 100°C per il sommatore ad 8–bit il ritardo misurato (t carry ) che si ha con il FBB e V DD =0.8V è molto simile (è maggiore solo del 4.2%) a quello che si ha con ZBB e V DD =1V. Un’ulteriore misura effettuata durante le commutazioni delle uscite è stata quella dell’energia dissipata dall’alimentazione al variare della polarizzazione del substrato ed al variare dell’alimentazione (è stato osservato che l’energia dissipata nelle commutazioni dai riferimenti di tensione per i substrati di NMOS e PMOS è trascurabile rispetto a quella dissipata dall’alimentazione). 0.6 0.8 1.0 -30 -15 0 15 30 E D P v a r i a t i o n % f r o m Z B B t o F B B V DD - [V] EDP variation @ 27°C EDP variation @ 100°C 8-bit Domino Adder Figura 5 – Variazione % dell’EDP per il sommatore ad 8–bit Domino nel passaggio da ZBB a FBB L’energia dissipata nelle transizioni è sempre maggiore per il FBB rispetto allo ZBB a causa della maggiore corrente in FBB. Per effettuare un confronto tra FBB e ZBB che tenga conto sia dell’energia dissipata che dei ritardi durante le commutazioni, è stato considerato l’Energy Delay Product (EDP), il prodotto tra l’energia dissipata nelle transizioni ed il tempo di propagazione. Per l’inverter l’EDP in FBB migliora rispetto a quello in ZBB solo per V DD =0.6V sia a 27°C che a 100°C. Per il full adder e per il sommatore, invece, l’EDP migliora sempre con il FBB e si riduce sempre di più al diminuire di V DD , a 27°C, mentre a 100°C la situazione è simile a quella osservata per l’inverter, il FBB migliora l’EDP rispetto a ZBB solo per V DD =0.6V (fig. 5). IV. CONCLUSIONI In questo lavoro di Tesi è stata studiata la polarizzazione variabile del substrato dei dispositivi MOSFET per conoscerne vantaggi e limiti di applicabilità nei circuiti CMOS. L’analisi degli effetti della polarizzazione variabile del substrato (VBB) è stata effettuata inizialmente sui singoli dispositivi e successivamente su circuiti digitali combinatori di diversa complessità. Dalle misure fatte sui singoli MOSFET, con due diverse lunghezze di canale, è stato possibile quantificare lo shift della tensione di soglia che si ha con il VBB e l’aumento della corrente di drain in saturazione dei dispositivi relativo alla polarizzazione diretta del substrato (FBB). Il VBB non influenza solo il leakage sottosoglia, attraverso la modulazione della tensione di soglia, ma anche quello delle giunzioni di source e drain (polarizzate direttamente con il FBB e inversamente con il RBB). Dall’analisi delle correnti di perdita dei dispositivi in esame, anche a temperature diverse da quella ambiente, è stato possibile individuare un range di tensioni di polarizzazione utilizzabili per forward e reverse body bias, in grado di sfruttare i vantaggi della polarizzazione variabile del substrato senza peggiorare eccessivamente i leakage dei dispositivi. Inoltre è stato osservato che con il FBB si riduce il campo elettrico longitudinale (e quindi l’energia degli hot carriers) nel canale di inversione dei transistor. Dalle simulazioni effettuate su circuiti digitali è stato dimostrato che i vantaggi offerti dal VBB migliorano al diminuire della tensione di alimentazione, è stato osservato che il miglioramento delle performance che si ha con il FBB, rispetto alle condizioni standard, è ottenuto al costo di un incremento della potenza statica dissipata, tale incremento, però, si riduce all’aumentare della complessità delle porte logiche (a causa dell’effetto stack), mentre la riduzione percentuale della potenza statica dissipata che si ha con il RBB è simile per tutti i circuiti esaminati. Infine, per quanto riguarda la scalabilità delle metodologie di polarizzazione del substrato esaminate, il FBB è sicuramente un ottimo candidato per estendere il limite dello scaling della tecnologia CMOS in quanto permette di ridurre gli effetti di canale corto e migliora l’hot carrier reliability. Inoltre è stato osservato come il FBB, rispetto alla polarizzazione standard del substrato dei dispositivi, a parità di performance, permette di ridurre la tensione di alimentazione e quindi la potenza di switching dissipata (∝V DD 2 ) che rappresenta ancora una frazione notevole della potenza totale dissipata nei microprocessori attuali.
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Metodologie di Polarizzazione del Substrato di Dispositivi CMOS per la Riduzione del Ritardo e della Potenza Dissipata

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Informazioni tesi

  Autore: Luca Magnelli
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2005-06
  Università: Università degli Studi della Calabria
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria elettronica
  Relatore: Felice Crupi
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 215

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