Design and Validation of an Optimized MB-OFDM Ultra Wideband Transceiver System

Esta tesis está incluida dentro del campo del campo de Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra Wideband (MB-OFDM UWB), el cual ha adquirido una gran importancia en las comunicaciones inalámbricas de alta tasa de datos en la última década. UWB surgió con el objetivo de satisfacer la creciente demanda de conexiones inalámbricas en interiores y de uso doméstico, con bajo coste y alta velocidad. La disponibilidad de un ancho de banda grande, el potencial para alta velocidad de transmisión, baja complejidad y bajo consumo de energía, unido al bajo coste de implementación, representa una oportunidad única para que UWB se convierta en una solución ampliamente utilizada en aplicaciones de Wireless Personal Area Network (WPAN). UWB está definido como cualquier transmisión que ocupa un ancho de banda de más de 20% de su frecuencia central, o más de 500 MHz. En 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) definió que el rango de frecuencias de transmisión de UWB legal es de 3.1 a 10.6 GHz, con una energía de transmisión de -41.3 dBm/Hz. Bajo las directrices de FCC, el uso de la tecnología UWB puede aportar una enorme capacidad en las comunicaciones de corto alcance. Considerando las ecuaciones de capacidad de Shannon, incrementar la capacidad del canal requiere un incremento lineal en el ancho de banda, mientras que un aumento similar de la capacidad de canal requiere un aumento exponencial en la energía de transmisión. En los últimos años, s diferentes desarrollos del UWB han sido extensamente estudiados en diferentes áreas, entre los cuales, el protocolo de comunicaciones inalámbricas MB-OFDM UWB está considerado como la mejor elección y ha sido adoptado como estándar ISO/IEC para los WPANs. Combinando la modulación OFDM y la transmisión de datos utilizando las técnicas de salto de frecuencia, el sistema MB-OFDM UWB es capaz de soportar tasas de datos con que pueden variar de los 55 a los 480 Mbps, alcanzando una distancia máxima de hasta 10 metros. Se esperara que la tecnología MB-OFDM tenga un consumo energético muy bajo copando un are muy reducida en silicio, proporcionando soluciones de bajo coste que satisfagan las demandas del mercado. Para cumplir con todas estas expectativas, el desarrollo y la investigación del MBOFDM UWB deben enfrentarse a varios retos, como son la sincronización de alta sensibilidad, las restricciones de baja complejidad, las estrictas limitaciones energéticas, la escalabilidad y la flexibilidad. Tales retos requieren un procesamiento digital de la señal de última generación, capaz de desarrollar sistemas que puedan aprovechar por completo las ventajas del espectro UWB y proporcionar futuras aplicaciones inalámbricas en interiores. Esta tesis se centra en la completa optimización de un sistema de transceptor de banda base MB-OFDM UWB digital, cuyo objetivo es investigar y diseñar un subsistema de comunicación inalámbrica para la aplicación de las Redes de Sensores Inalámbricas Visuales. La complejidad inherente de los procesadores FFT/IFFT y el sistema de sincronización así como la alta frecuencia de operación para todos los elementos de procesamiento, se convierten en el cuello de la botella para el diseño y la implementación del sistema de UWB digital en base de banda basado en MB-OFDM de baja energía. El objetivo del transceptor propuesto es conseguir baja energía y baja complejidad bajo la premisa de un alto rendimiento. Las optimizaciones están realizadas tanto a nivel algorítmico como a nivel arquitectural para todos los elementos del sistema. Una arquitectura hardware eficiente en consumo se propone en primer lugar para aquellos módulos correspondientes a núcleos de computación. Para el procesado de la Transformada Rápida de Fourier (FFT/IFFT), se propone un algoritmo mixed-radix, basado en una arquitectura con pipeline y se ha desarrollado un módulo de Decodificador de Viterbi (VD) equilibrado en coste-velocidad con el objetivo de reducir el consumo energético e incrementar la velocidad de procesamiento. También se ha implementado un correlador signo-bit simple basado en la sincronización del tiempo de símbolo es presentado. Este correlador es usado para detectar y sincronizar los paquetes de OFDM de forma robusta y precisa. Para el desarrollo de los subsitemas de procesamiento y realizar la integración del sistema completo se han empleado tecnologías de última generación. El dispositivo utilizado para el sistema propuesto es una FPGA Virtex 5 XC5VLX110T del fabricante Xilinx. La validación el propuesta para el sistema transceptor se ha implementado en dicha placa de FPGA. En este trabajo se presenta un algoritmo, y una arquitectura, diseñado con filosofía de co-diseño hardware/software para el desarrollo de sistemas de FPGA complejos. El objetivo principal de la estrategia propuesta es de encontrar una metodología eficiente para el diseño de un sistema de FPGA configurable optimizado con el empleo del mínimo esfuerzo posible en el sistema de procedimiento de verificación, por tanto acelerar el periodo de desarrollo del sistema. La metodología de co-diseño presentada tiene la ventaja de ser fácil de usar, contiene todos los pasos desde la propuesta del algoritmo hasta la verificación del hardware, y puede ser ampliamente extendida para casi todos los tipos de desarrollos de FPGAs. En este trabajo se ha desarrollado sólo el sistema de transceptor digital de banda base por lo que la comprobación de señales transmitidas a través del canal inalámbrico en los entornos reales de comunicación sigue requiriendo componentes RF y un front-end analógico. No obstante, utilizando la metodología de co-simulación hardware/software citada anteriormente, es posible comunicar el sistema de transmisor y el receptor digital utilizando los modelos de canales propuestos por IEEE 802.15.3a, implementados en MATLAB. Por tanto, simplemente ajustando las características de cada modelo de canal, por ejemplo, un incremento del retraso y de la frecuencia central, podemos estimar el comportamiento del sistema propuesto en diferentes escenarios y entornos. Las mayores contribuciones de esta tesis son: • Se ha propuesto un nuevo algoritmo 128-puntos base mixto FFT usando la arquitectura pipeline multi-ruta. Los complejos multiplicadores para cada etapa de procesamiento son diseñados usando la arquitectura modificada shiftadd. Los sistemas word length y twiddle word length son comparados y seleccionados basándose en la señal para cuantización del SQNR y el análisis de energías. • El desempeño del procesador IFFT es analizado bajo diferentes situaciones aritméticas de bloques de punto flotante (BFP) para el control de desbordamiento, por tanto, para encontrar la arquitectura perfecta del algoritmo IFFT basado en el procesador FFT propuesto. • Para el sistema de receptor MB-OFDM UWB se ha empleado una sincronización del tiempo innovadora, de baja complejidad y esquema de compensación, que consiste en funciones de Detector de Paquetes (PD) y Estimación del Offset del tiempo. Simplificando el cross-correlation y maximizar las funciones probables solo a sign-bit, la complejidad computacional se ve reducida significativamente. • Se ha propuesto un sistema de decodificadores Viterbi de 64 estados de decisión-débil usando velocidad base-4 de arquitectura suma-comparaselecciona. El algoritmo Two-pointer Even también es introducido en la unidad de rastreador de origen con el objetivo de conseguir la eficiencia en el hardware. • Se han integrado varias tecnologías de última generación en el completo sistema transceptor basebanda , con el objetivo de implementar un sistema de comunicación UWB altamente optimizado. • Un diseño de flujo mejorado es propuesto para el complejo sistema de implementación, el cual puede ser usado para diseños de Cadena de puertas de campo programable general (FPGA). El diseño mencionado no sólo reduce dramáticamente el tiempo para la verificación funcional, sino también provee un análisis automático como los errores del retraso del output para el sistema de hardware implementado. • Un ambiente de comunicación virtual es establecido para la validación del propuesto sistema de transceptores MB-OFDM. Este método es provisto para facilitar el uso y la conveniencia de analizar el sistema digital de basebanda sin parte frontera analógica bajo diferentes ambientes de comunicación. Esta tesis doctoral está organizada en seis capítulos. En el primer capítulo se encuentra una breve introducción al campo del UWB, tanto relacionado con el proyecto como la motivación del desarrollo del sistema de MB-OFDM. En el capítulo 2, se presenta la información general y los requisitos del protocolo de comunicación inalámbrica MBOFDM UWB. En el capítulo 3 se habla de la arquitectura del sistema de transceptor digital MB-OFDM de banda base . El diseño del algoritmo propuesto y la arquitectura para cada elemento del procesamiento está detallado en este capítulo. Los retos de diseño del sistema que involucra un compromiso de discusión entre la complejidad de diseño, el consumo de energía, el coste de hardware, el desempeño del sistema, y otros aspectos. En el capítulo 4, se ha descrito la co-diseñada metodología de hardware/software. Cada parte del flujo del diseño será detallado con algunos ejemplos que se ha hecho durante el desarrollo del sistema. Aprovechando esta estrategia de diseño, el procedimiento de comunicación virtual es llevado a cabo para probar y analizar la arquitectura del transceptor propuesto. Los resultados experimentales de la co-simulación y el informe sintético de la implementación del sistema FPGA son reflejados en el capítulo 5. Finalmente, en el capítulo 6 se incluye las conclusiones y los futuros proyectos, y también los resultados derivados de este proyecto de doctorado. ABSTRACT In recent years, the Wireless Visual Sensor Network (WVSN) has drawn great interest in wireless communication research area. They enable a wealth of new applications such as building security control, image sensing, and target localization. However, nowadays wireless communication protocols (ZigBee, Wi-Fi, and Bluetooth for example) cannot fully satisfy the demands of high data rate, low power consumption, short range, and high robustness requirements. New communication protocol is highly desired for such kind of applications. The Ultra Wideband (UWB) wireless communication protocol, which has increased in importance for high data rate wireless communication field, are emerging as an important topic for WVSN research. UWB has emerged as a technology that offers great promise to satisfy the growing demand for low-cost, high-speed digital wireless indoor and home networks. The large bandwidth available, the potential for high data rate transmission, and the potential for low complexity and low power consumption, along with low implementation cost, all present a unique opportunity for UWB to become a widely adopted radio solution for future Wireless Personal Area Network (WPAN) applications. UWB is defined as any transmission that occupies a bandwidth of more than 20% of its center frequency, or more than 500 MHz. In 2002, the Federal Communications Commission (FCC) has mandated that UWB radio transmission can legally operate in the range from 3.1 to 10.6 GHz at a transmitter power of －41.3 dBm/Hz. Under the FCC guidelines, the use of UWB technology can provide enormous capacity over short communication ranges. Considering Shannon’s capacity equations, increasing the channel capacity requires linear increasing in bandwidth, whereas similar channel capacity increases would require exponential increases in transmission power. In recent years, several different UWB developments has been widely studied in different area, among which, the MB-OFDM UWB wireless communication protocol is considered to be the leading choice and has recently been adopted in the ISO/IEC standard for WPANs. By combing the OFDM modulation and data transmission using frequency hopping techniques, the MB-OFDM UWB system is able to support various data rates, ranging from 55 to 480 Mbps, over distances up to 10 meters. The MB-OFDM technology is expected to consume very little power and silicon area, as well as provide low-cost solutions that can satisfy consumer market demands. To fulfill these expectations, MB-OFDM UWB research and development have to cope with several challenges, which consist of high-sensitivity synchronization, low- complexity constraints, strict power limitations, scalability, and flexibility. Such challenges require state-of-the-art digital signal processing expertise to develop systems that could fully take advantages of the UWB spectrum and support future indoor wireless applications. This thesis focuses on fully optimization for the MB-OFDM UWB digital baseband transceiver system, aiming at researching and designing a wireless communication subsystem for the Wireless Visual Sensor Networks (WVSNs) application. The inherent high complexity of the FFT/IFFT processor and synchronization system, and high operation frequency for all processing elements, becomes the bottleneck for low power MB-OFDM based UWB digital baseband system hardware design and implementation. The proposed transceiver system targets low power and low complexity under the premise of high performance. Optimizations are made at both algorithm and architecture level for each element of the transceiver system. The low-power hardwareefficient structures are firstly proposed for those core computation modules, i.e., the mixed-radix algorithm based pipelined architecture is proposed for the Fast Fourier Transform (FFT/IFFT) processor, and the cost-speed balanced Viterbi Decoder (VD) module is developed, in the aim of lowering the power consumption and increasing the processing speed. In addition, a low complexity sign-bit correlation based symbol timing synchronization scheme is presented so as to detect and synchronize the OFDM packets robustly and accurately. Moreover, several state-of-the-art technologies are used for developing other processing subsystems and an entire MB-OFDM digital baseband transceiver system is integrated. The target device for the proposed transceiver system is Xilinx Virtex 5 XC5VLX110T FPGA board. In order to validate the proposed transceiver system in the FPGA board, a unified algorithm-architecture-circuit hardware/software co-design environment for complex FPGA system development is presented in this work. The main objective of the proposed strategy is to find an efficient methodology for designing a configurable optimized FPGA system by using as few efforts as possible in system verification procedure, so as to speed up the system development period. The presented co-design methodology has the advantages of easy to use, covering all steps from algorithm proposal to hardware verification, and widely spread for almost all kinds of FPGA developments. Because only the digital baseband transceiver system is developed in this thesis, the validation of transmitting signals through wireless channel in real communication environments still requires the analog front-end and RF components. However, by using the aforementioned hardware/software co-simulation methodology, the transmitter and receiver digital baseband systems get the opportunity to communicate with each other through the channel models, which are proposed from the IEEE 802.15.3a research group, established in MATLAB. Thus, by simply adjust the characteristics of each channel model, e.g. mean excess delay and center frequency, we can estimate the transmission performance of the proposed transceiver system through different communication situations. The main contributions of this thesis are: • A novel mixed radix 128-point FFT algorithm by using multipath pipelined architecture is proposed. The complex multipliers for each processing stage are designed by using modified shift-add architectures. The system wordlength and twiddle word-length are compared and selected based on Signal to Quantization Noise Ratio (SQNR) and power analysis. • IFFT processor performance is analyzed under different Block Floating Point (BFP) arithmetic situations for overflow control, so as to find out the perfect architecture of IFFT algorithm based on the proposed FFT processor. • An innovative low complex timing synchronization and compensation scheme, which consists of Packet Detector (PD) and Timing Offset Estimation (TOE) functions, for MB-OFDM UWB receiver system is employed. By simplifying the cross-correlation and maximum likelihood functions to signbit only, the computational complexity is significantly reduced. • A 64 state soft-decision Viterbi Decoder system by using high speed radix-4 Add-Compare-Select architecture is proposed. Two-pointer Even algorithm is also introduced into the Trace Back unit in the aim of hardware-efficiency. • Several state-of-the-art technologies are integrated into the complete baseband transceiver system, in the aim of implementing a highly-optimized UWB communication system. • An improved design flow is proposed for complex system implementation which can be used for general Field-Programmable Gate Array (FPGA) designs. The design method not only dramatically reduces the time for functional verification, but also provides automatic analysis such as errors and output delays for the implemented hardware systems. • A virtual communication environment is established for validating the proposed MB-OFDM transceiver system. This methodology is proved to be easy for usage and convenient for analyzing the digital baseband system without analog frontend under different communication environments. This PhD thesis is organized in six chapters. In the chapter 1 a brief introduction to the UWB field, as well as the related work, is done, along with the motivation of MBOFDM system development. In the chapter 2, the general information and requirement of MB-OFDM UWB wireless communication protocol is presented. In the chapter 3, the architecture of the MB-OFDM digital baseband transceiver system is presented. The design of the proposed algorithm and architecture for each processing element is detailed in this chapter. Design challenges of such system involve trade-off discussions among design complexity, power consumption, hardware cost, system performance, and some other aspects. All these factors are analyzed and discussed. In the chapter 4, the hardware/software co-design methodology is proposed. Each step of this design flow will be detailed by taking some examples that we met during system development. Then, taking advantages of this design strategy, the Virtual Communication procedure is carried out so as to test and analyze the proposed transceiver architecture. Experimental results from the co-simulation and synthesis report of the implemented FPGA system are given in the chapter 5. The chapter 6 includes conclusions and future work, as well as the results derived from this PhD work.

Contribución a los arrays de antenas activos en microondas = Contribution to active array antennas at microwave bands

Esta tesis que tiene por título "Contribución a los arrays de antenas activos en banda X", ha sido desarrollada por el estudiante de doctorado Gonzalo Expósito Domínguez, ingeniero de telecomunicación en el Grupo de Radiación del Departamento de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones de la ETSI de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid bajo la dirección de los doctores Manuel Sierra Castañer y José Manuel Fernández González. Esta tesis contiene un profundo estudio del arte en materia de antenas activas en el campo de apuntamiento electrónico. Este estudio comprende desde los fundamentos de este tipo de antenas, problemas de operación y limitaciones hasta los sistemas actuales más avanzados. En ella se identifican las partes críticas en el diseño y posteriormente se llevan a la práctica con el diseño, simulación y construcción de un subarray de una antena integrada en el fuselaje de un avión para comunicaciones multimedia por satélite que funciona en banda X. El prototipo consta de una red de distribución multihaz de banda ancha y una antena planar. El objetivo de esta tesis es el de aplicar nuevas técnicas al diseño de antenas de apuntamiento electrónico. Es por eso que las contribuciones originales son la aplicación de barreras electromagnéticas entre elementos radiantes para reducir los acoplamientos mutuos en arrays de exploración electrónica y el diseño de redes desfasadoras sencillas en las que no son necesarios complejos desfasadores para antenas multihaz. Hasta la fecha, las barreras electromagnéticas, Electronic Band Gap (EBG), se construyen en sustratos de permitividad alta con el fin de aumentar el espacio disponible entre elementos radiantes y reducir el tamaño de estas estructuras. Sin embargo, la utilización de sustratos de alta permitividad aumenta la propagación por ondas de superficie y con ellas el acoplo mutuo. Utilizando sustratos multicapa y colocando la vía de las estructuras en su borde, en vez de en su centro, se consigue reducir el tamaño sin necesidad de usar sustratos de alta permitividad, reducir la eficiencia de radiación de la antena o aumentar la propagación por ondas de superficie. La última parte de la tesis se dedica a las redes conmutadoras y desfasadoras para antenas multihaz. El diseño de las redes de distribución para antenas son una parte crítica ya que se comportan como un atenuador a la entrada de la cadena receptora, modificando en gran medida la figura de ruido del sistema. Las pérdidas de un desfasador digital varían con el desfase introducido, por ese motivo es necesario caracterizar y calibrar los dispositivos correctamente. Los trabajos presentados en este manuscrito constan de un desfasador reflectivo con un conmutador doble serie paralelo para igualar las pérdidas de inserción en los dos estados y también un conmutador de una entrada y dos salidas cuyos puertos están adaptados en todo momento independientemente del camino del conmutador para evitar las reflexiones y fugas entre redes o elementos radiantes. El tomo finaliza con un resumen de las publicaciones en revistas científicas y ponencias en congresos, nacionales e internacionales, el marco de trabajo en el que se ha desarrollado, las colaboraciones que se han realizado y las líneas de investigación futuras. ABSTRACT This thesis was carried out in the Radiation Group of the Signals, Systems and Radiocomunications department of ETSI de Telecomunicación from Technical University of Madrid. Its title is "Contribution to active array antennas at X band" and it is developed by Gonzalo Expósito Domínguez, Electrical Engineer MsC. under the supervision of Prof. Dr. Manuel Sierra Castañer and Dr. José Manuel Fernández González. This thesis is focused on active antennas, specifically multibeam and electronic steering antenas. In the first part of the thesis a thorough description of the state of the art is presented. This study compiles the fundamentals of this antennas, operation problems and limits, up to the breakthrough applications. The critical design problems are described to use them eventually in the design, simulation and prototyping of an airborne steering array antenna for satellite communication at X band. The main objective of this thesis is to apply new techniques to the design of electronically steering antennas. Therefore the new original contributions are the application of Electromagnetic Band Gap materials (EBG) between radiating elements to reduce the mutual coupling when phase shift between elements exist and phase shifting networks where special characteristics are required. So far, the EBG structures have been constructed with high permitivity substrates in order to increase the available space between radiating elements and reduce the size of the structures. However, the surface wave propagation modes are enhanced and therefore the mutual coupling increases when high permitivity substrates are used. By using multilayered substrates and edge location via, the size is reduced meanwhile low permitivity substrates are used without reducing the radiation efficiency or enhancing the surface propagation modes. The last part of the thesis is focused on the phase shifting distribution networks for multibeam antennas. This is a critical part in the antenna design because the insertion loss in the distribution network behaves as an attenuator located in the first place in a receiver chain. The insertion loss will affect directly to the receiver noise figure and the insertion loss in a phase shifter vary with the phase shift. Therefore the devices must be well characterized and calibrated in order to obtain a properly operation. The work developed in this thesis are a reflective phase shifter with a series-shunt switch in order to make symmetrical the insertion loss for the two states and a complex Single Pole Double Through (SPDT) with matched ports in order to reduce the reflections and leakage between feeding networks and radiating elements. The end of this Ph D. dissertation concludes with a summary of the publications in national and international conferences and scientific journals, the collaborations carried out along the thesis and the future research lines.

A scalable evolvable hardware processing array

Evolvable hardware (EH) is an interesting alternative to conventional digital circuit design, since autonomous generation of solutions for a given task permits self-adaptivity of the system to changing environments, and they present inherent fault tolerance when evolution is intrinsically performed. Systems based on FPGAs that use Dynamic and Partial Reconfiguration (DPR) for evolving the circuit are an example. Also, thanks to DPR, these systems can be provided with scalability, a feature that allows a system to change the number of allocated resources at run-time in order to vary some feature, such as performance. The combination of both aspects leads to scalable evolvable hardware (SEH), which changes in size as an extra degree of freedom when trying to achieve the optimal solution by means of evolution. The main contributions of this paper are an architecture of a scalable and evolvable hardware processing array system, some preliminary evolution strategies which take scalability into consideration, and to show in the experimental results the benefits of combined evolution and scalability. A digital image filtering application is used as use case.

An autostereoscopic device for mobile applications based on a liquid crystal microlens array and an OLED display

In recent years, many experimental and theoretical research groups worldwide have actively worked on demonstrating the use of liquid crystals (LCs) as adaptive lenses for image generation, waveform shaping, and non-mechanical focusing applications. In particular, important achievements have concerned the development of alternative solutions for 3D vision. This work focuses on the design and evaluation of the electro-optic response of a LC-based 2D/3D autostereoscopic display prototype. A strategy for achieving 2D/3D vision has been implemented with a cylindrical LC lens array placed in front of a display; this array acts as a lenticular sheet with a tunable focal length by electrically controlling the birefringence. The performance of the 2D/3D device was evaluated in terms of the angular luminance, image deflection, crosstalk, and 3D contrast within a simulated environment. These measurements were performed with characterization equipment for autostereoscopic 3D displays (angular resolution of 0.03 ).

Broadband active differential array for the mid-frequency SKA band

This paper presents the design and characterization process of an active array demonstrator for the mid-frequency range (i.e., 300 MHz-1000 MHz) of the future Square Kilometre Array (SKA) radio telescope. This demonstrator, called FIDA3 (FG-IGN: Fundación General Instituto Geográfico Nacional - Differential Active Antenna Array), is part of the Spanish contribution for the SKA project. The main advantages provided by this design include the use of a dielectric-free structure, and the use of a fully-differential receiver in which differential low-noise amplifiers (LNAs) are directly connected to the balanced tapered-slot antennas (TSAs). First, the radiating structure and the differential low-noise amplifiers were separately designed and measured, obtaining good results (antenna elements with low voltage standing-wave ratios, array scanning capabilities up to 45°, and noise temperatures better than 52 K with low-noise amplifiers at room temperature). The potential problems due to the differential nature of the proposed solution are discussed, so some effective methods to overcome such limitations are proposed. Second, the complete active antenna array receiving system was assembled, and a 1 m2 active antenna array tile was characterized.

Design and Simulation of Deep Nanometer SRAM Cells under Energy, Mismatch, and Radiation Constraints

La fiabilidad está pasando a ser el principal problema de los circuitos integrados según la tecnología desciende por debajo de los 22nm. Pequeñas imperfecciones en la fabricación de los dispositivos dan lugar ahora a importantes diferencias aleatorias en sus características eléctricas, que han de ser tenidas en cuenta durante la fase de diseño. Los nuevos procesos y materiales requeridos para la fabricación de dispositivos de dimensiones tan reducidas están dando lugar a diferentes efectos que resultan finalmente en un incremento del consumo estático, o una mayor vulnerabilidad frente a radiación. Las memorias SRAM son ya la parte más vulnerable de un sistema electrónico, no solo por representar más de la mitad del área de los SoCs y microprocesadores actuales, sino también porque las variaciones de proceso les afectan de forma crítica, donde el fallo de una única célula afecta a la memoria entera. Esta tesis aborda los diferentes retos que presenta el diseño de memorias SRAM en las tecnologías más pequeñas. En un escenario de aumento de la variabilidad, se consideran problemas como el consumo de energía, el diseño teniendo en cuenta efectos de la tecnología a bajo nivel o el endurecimiento frente a radiación. En primer lugar, dado el aumento de la variabilidad de los dispositivos pertenecientes a los nodos tecnológicos más pequeños, así como a la aparición de nuevas fuentes de variabilidad por la inclusión de nuevos dispositivos y la reducción de sus dimensiones, la precisión del modelado de dicha variabilidad es crucial. Se propone en la tesis extender el método de inyectores, que modela la variabilidad a nivel de circuito, abstrayendo sus causas físicas, añadiendo dos nuevas fuentes para modelar la pendiente sub-umbral y el DIBL, de creciente importancia en la tecnología FinFET. Los dos nuevos inyectores propuestos incrementan la exactitud de figuras de mérito a diferentes niveles de abstracción del diseño electrónico: a nivel de transistor, de puerta y de circuito. El error cuadrático medio al simular métricas de estabilidad y prestaciones de células SRAM se reduce un mínimo de 1,5 veces y hasta un máximo de 7,5 a la vez que la estimación de la probabilidad de fallo se mejora en varios ordenes de magnitud. El diseño para bajo consumo es una de las principales aplicaciones actuales dada la creciente importancia de los dispositivos móviles dependientes de baterías. Es igualmente necesario debido a las importantes densidades de potencia en los sistemas actuales, con el fin de reducir su disipación térmica y sus consecuencias en cuanto al envejecimiento. El método tradicional de reducir la tensión de alimentación para reducir el consumo es problemático en el caso de las memorias SRAM dado el creciente impacto de la variabilidad a bajas tensiones. Se propone el diseño de una célula que usa valores negativos en la bit-line para reducir los fallos de escritura según se reduce la tensión de alimentación principal. A pesar de usar una segunda fuente de alimentación para la tensión negativa en la bit-line, el diseño propuesto consigue reducir el consumo hasta en un 20 % comparado con una célula convencional. Una nueva métrica, el hold trip point se ha propuesto para prevenir nuevos tipos de fallo debidos al uso de tensiones negativas, así como un método alternativo para estimar la velocidad de lectura, reduciendo el número de simulaciones necesarias. Según continúa la reducción del tamaño de los dispositivos electrónicos, se incluyen nuevos mecanismos que permiten facilitar el proceso de fabricación, o alcanzar las prestaciones requeridas para cada nueva generación tecnológica. Se puede citar como ejemplo el estrés compresivo o extensivo aplicado a los fins en tecnologías FinFET, que altera la movilidad de los transistores fabricados a partir de dichos fins. Los efectos de estos mecanismos dependen mucho del layout, la posición de unos transistores afecta a los transistores colindantes y pudiendo ser el efecto diferente en diferentes tipos de transistores. Se propone el uso de una célula SRAM complementaria que utiliza dispositivos pMOS en los transistores de paso, así reduciendo la longitud de los fins de los transistores nMOS y alargando los de los pMOS, extendiéndolos a las células vecinas y hasta los límites de la matriz de células. Considerando los efectos del STI y estresores de SiGe, el diseño propuesto mejora los dos tipos de transistores, mejorando las prestaciones de la célula SRAM complementaria en más de un 10% para una misma probabilidad de fallo y un mismo consumo estático, sin que se requiera aumentar el área. Finalmente, la radiación ha sido un problema recurrente en la electrónica para aplicaciones espaciales, pero la reducción de las corrientes y tensiones de los dispositivos actuales los está volviendo vulnerables al ruido generado por radiación, incluso a nivel de suelo. Pese a que tecnologías como SOI o FinFET reducen la cantidad de energía colectada por el circuito durante el impacto de una partícula, las importantes variaciones de proceso en los nodos más pequeños va a afectar su inmunidad frente a la radiación. Se demuestra que los errores inducidos por radiación pueden aumentar hasta en un 40 % en el nodo de 7nm cuando se consideran las variaciones de proceso, comparado con el caso nominal. Este incremento es de una magnitud mayor que la mejora obtenida mediante el diseño de células de memoria específicamente endurecidas frente a radiación, sugiriendo que la reducción de la variabilidad representaría una mayor mejora. ABSTRACT Reliability is becoming the main concern on integrated circuit as the technology goes beyond 22nm. Small imperfections in the device manufacturing result now in important random differences of the devices at electrical level which must be dealt with during the design. New processes and materials, required to allow the fabrication of the extremely short devices, are making new effects appear resulting ultimately on increased static power consumption, or higher vulnerability to radiation SRAMs have become the most vulnerable part of electronic systems, not only they account for more than half of the chip area of nowadays SoCs and microprocessors, but they are critical as soon as different variation sources are regarded, with failures in a single cell making the whole memory fail. This thesis addresses the different challenges that SRAM design has in the smallest technologies. In a common scenario of increasing variability, issues like energy consumption, design aware of the technology and radiation hardening are considered. First, given the increasing magnitude of device variability in the smallest nodes, as well as new sources of variability appearing as a consequence of new devices and shortened lengths, an accurate modeling of the variability is crucial. We propose to extend the injectors method that models variability at circuit level, abstracting its physical sources, to better model sub-threshold slope and drain induced barrier lowering that are gaining importance in FinFET technology. The two new proposed injectors bring an increased accuracy of figures of merit at different abstraction levels of electronic design, at transistor, gate and circuit levels. The mean square error estimating performance and stability metrics of SRAM cells is reduced by at least 1.5 and up to 7.5 while the yield estimation is improved by orders of magnitude. Low power design is a major constraint given the high-growing market of mobile devices that run on battery. It is also relevant because of the increased power densities of nowadays systems, in order to reduce the thermal dissipation and its impact on aging. The traditional approach of reducing the voltage to lower the energy consumption if challenging in the case of SRAMs given the increased impact of process variations at low voltage supplies. We propose a cell design that makes use of negative bit-line write-assist to overcome write failures as the main supply voltage is lowered. Despite using a second power source for the negative bit-line, the design achieves an energy reduction up to 20% compared to a conventional cell. A new metric, the hold trip point has been introduced to deal with new sources of failures to cells using a negative bit-line voltage, as well as an alternative method to estimate cell speed, requiring less simulations. With the continuous reduction of device sizes, new mechanisms need to be included to ease the fabrication process and to meet the performance targets of the successive nodes. As example we can consider the compressive or tensile strains included in FinFET technology, that alter the mobility of the transistors made out of the concerned fins. The effects of these mechanisms are very dependent on the layout, with transistor being affected by their neighbors, and different types of transistors being affected in a different way. We propose to use complementary SRAM cells with pMOS pass-gates in order to reduce the fin length of nMOS devices and achieve long uncut fins for the pMOS devices when the cell is included in its corresponding array. Once Shallow Trench isolation and SiGe stressors are considered the proposed design improves both kinds of transistor, boosting the performance of complementary SRAM cells by more than 10% for a same failure probability and static power consumption, with no area overhead. While radiation has been a traditional concern in space electronics, the small currents and voltages used in the latest nodes are making them more vulnerable to radiation-induced transient noise, even at ground level. Even if SOI or FinFET technologies reduce the amount of energy transferred from the striking particle to the circuit, the important process variation that the smallest nodes will present will affect their radiation hardening capabilities. We demonstrate that process variations can increase the radiation-induced error rate by up to 40% in the 7nm node compared to the nominal case. This increase is higher than the improvement achieved by radiation-hardened cells suggesting that the reduction of process variations would bring a higher improvement.

A methodology to analyze, design and implement very fast and robust controls of Buck-type converters

La electrónica digital moderna presenta un desafío a los diseñadores de sistemas de potencia. El creciente alto rendimiento de microprocesadores, FPGAs y ASICs necesitan sistemas de alimentación que cumplan con requirimientos dinámicos y estáticos muy estrictos. Específicamente, estas alimentaciones son convertidores DC-DC de baja tensión y alta corriente que necesitan ser diseñados para tener un pequeño rizado de tensión y una pequeña desviación de tensión de salida bajo transitorios de carga de una alta pendiente. Además, dependiendo de la aplicación, se necesita cumplir con otros requerimientos tal y como proveer a la carga con ”Escalado dinámico de tensión”, donde el convertidor necesitar cambiar su tensión de salida tan rápidamente posible sin sobreoscilaciones, o ”Posicionado Adaptativo de la Tensión” donde la tensión de salida se reduce ligeramente cuanto más grande sea la potencia de salida. Por supuesto, desde el punto de vista de la industria, las figuras de mérito de estos convertidores son el coste, la eficiencia y el tamaño/peso. Idealmente, la industria necesita un convertidor que es más barato, más eficiente, más pequeño y que aún así cumpla con los requerimienos dinámicos de la aplicación. En este contexto, varios enfoques para mejorar la figuras de mérito de estos convertidores se han seguido por la industria y la academia tales como mejorar la topología del convertidor, mejorar la tecnología de semiconducores y mejorar el control. En efecto, el control es una parte fundamental en estas aplicaciones ya que un control muy rápido hace que sea más fácil que una determinada topología cumpla con los estrictos requerimientos dinámicos y, consecuentemente, le da al diseñador un margen de libertar más amplio para mejorar el coste, la eficiencia y/o el tamaño del sistema de potencia. En esta tesis, se investiga cómo diseñar e implementar controles muy rápidos para el convertidor tipo Buck. En esta tesis se demuestra que medir la tensión de salida es todo lo que se necesita para lograr una respuesta casi óptima y se propone una guía de diseño unificada para controles que sólo miden la tensión de salida Luego, para asegurar robustez en controles muy rápidos, se proponen un modelado y un análisis de estabilidad muy precisos de convertidores DC-DC que tienen en cuenta circuitería para sensado y elementos parásitos críticos. También, usando este modelado, se propone una algoritmo de optimización que tiene en cuenta las tolerancias de los componentes y sensados distorsionados. Us ando este algoritmo, se comparan controles muy rápidos del estado del arte y su capacidad para lograr una rápida respuesta dinámica se posiciona según el condensador de salida utilizado. Además, se propone una técnica para mejorar la respuesta dinámica de los controladores. Todas las propuestas se han corroborado por extensas simulaciones y prototipos experimentales. Con todo, esta tesis sirve como una metodología para ingenieros para diseñar e implementar controles rápidos y robustos de convertidores tipo Buck. ABSTRACT Modern digital electronics present a challenge to designers of power systems. The increasingly high-performance of microprocessors, FPGAs (Field Programmable Gate Array) and ASICs (Application-Specific Integrated Circuit) require power supplies to comply with very demanding static and dynamic requirements. Specifically, these power supplies are low-voltage/high-current DC-DC converters that need to be designed to exhibit low voltage ripple and low voltage deviation under high slew-rate load transients. Additionally, depending on the application, other requirements need to be met such as to provide to the load ”Dynamic Voltage Scaling” (DVS), where the converter needs to change the output voltage as fast as possible without underdamping, or ”Adaptive Voltage Positioning” (AVP) where the output voltage is slightly reduced the greater the output power. Of course, from the point of view of the industry, the figures of merit of these converters are the cost, efficiency and size/weight. Ideally, the industry needs a converter that is cheaper, more efficient, smaller and that can still meet the dynamic requirements of the application. In this context, several approaches to improve the figures of merit of these power supplies are followed in the industry and academia such as improving the topology of the converter, improving the semiconductor technology and improving the control. Indeed, the control is a fundamental part in these applications as a very fast control makes it easier for the topology to comply with the strict dynamic requirements and, consequently, gives the designer a larger margin of freedom to improve the cost, efficiency and/or size of the power supply. In this thesis, how to design and implement very fast controls for the Buck converter is investigated. This thesis proves that sensing the output voltage is all that is needed to achieve an almost time-optimal response and a unified design guideline for controls that only sense the output voltage is proposed. Then, in order to assure robustness in very fast controls, a very accurate modeling and stability analysis of DC-DC converters is proposed that takes into account sensing networks and critical parasitic elements. Also, using this modeling approach, an optimization algorithm that takes into account tolerances of components and distorted measurements is proposed. With the use of the algorithm, very fast analog controls of the state-of-the-art are compared and their capabilities to achieve a fast dynamic response are positioned de pending on the output capacitor. Additionally, a technique to improve the dynamic response of controllers is also proposed. All the proposals are corroborated by extensive simulations and experimental prototypes. Overall, this thesis serves as a methodology for engineers to design and implement fast and robust controls for Buck-type converters.