Ajoitusvirheentunnistus (TED) mahdollistaa energian kulutuksen vähentämisen mikroprosessoreissa. Tässä diplomityössä on kaksi versiota ajoitusvirheentunnistavasta salvasta (esim. TDTBsubI ja TDTBsubII) ja systeemitason testipiiri (SystemTest), joka käyttää TDTBsub salpaa, mikä on suunniteltu toimimaan kynnysalueen alapuolella. Diplomityö esittelee ensin dynaamisen jännitteen skaalauksen (DVS), koska TED käytetään sellaisissa järjestelmissä. Seuraavaksi esitellään teoriaa kynnysalueen alapuolen suunnittelun haasteista. Sitten esitellään molempien TDTBsub salpojen ja SystemTest-lohkojen suunnittelu. Simulaatiotuloksia esitellään keskittyen operaatiotaajuuteen, energian kulutukseen ja toimintavarmuuteen variaatiot huomioon ottaen. Operoitaessa kynnysalueen alapuolella TDTB-piirillä keskityttiin koon mitoittamiseen ja suunnittelutyyliin. Ennen kaikkea kaikkien komponenttien mitoituksen piti olla suurempi kuin minimi CMOS-tekniikan leveydet. Vaikka mitoittamisella saavutettiin toimintavarmuutta kynnysalueen alapuolella toimittaessa myös energian kulutus kasvoi siellä toimittaessa. Perinteisiä vuotovirtojen vähentäviä mitoitustoimenpiteitä tehtiin suurimmalle osalle komponenteista. Logiikkatyyli on tärkeää kynnysalueen alapuolella operoitaessa. TDTBsubII salvassa uuden tekniikan näytetään antavan systeemitason suorituskykyä. Simulaatioilla näytettiin kuinka ajoitusvirheentunnistus kykeni toimimaan kynnystason alapuolella. TDTBsubI:n ja yhteenlaskun testipiirin piirinkuvio tehtiin 65nm CMOS-prosessilla. TDTBsubII salpaa ei tehty, koska se suunniteltiin piirin määräajan jälkeen. Piiriä tarkasteltaessa osoittautui, että piiri ei toiminut. Piirin toimimattomuus johtui tuotantovaiheessa tapahtuneesta virheestä eikä suunnittelusta.
Avainsanat:sub-threshold,weak inversion,low power,low voltage,digital CMOS To operate TDTBsub into sub-threshold, attention was given to sizing and logic style. In general, the sizing of all components was required to be larger than the minimum CMOS width. Although this provided robustness in sub-threshold, the energy consumption in above sub-threshold was much higher. General leakage reduction sizing techniques were also applied to the majority of components. The choice of logic style is important for sub-threshold operation. In the TDTBsubII latch, a new technique is shown to provide system-level capability. Simulations displayed the capability of TED in sub-threshold. The layout of TDTBsubI and an adder test circuit were constructed in 65 nm CMOS. The TDTBsubII latch was not built since it was designed after the chip deadline. Upon inspection of the chip, it was determined to be inoperative. This mistake was a result of the manufacturering process and not the design in this work.
Keywords:sub-threshold, weak inversion, low power, low voltage, digital CMOS ii
ForewordThe work for this thesis was carried out at the Electronic Circuit Design Laboratory (ECDL) of TKK. The financial support of this project was provided by the Academy of Finland. The project was coordinated with University of Turku ...