Protecting digital circuits against hold time violations due to process variations

Abstract

Com o desenvolvimento da tecnologia CMOS, os circuitos estão ficando cada vez mais sujeitos a variabilidade no processo de fabricação. Variações estatísticas de processo são um ponto crítico para estratégias de projeto de circuitos para garantir um yield alto em tecnologias sub-100nm. Neste trabalho apresentamos uma técnica de medida on-chip para caracterizar violações de tempo de hold de flip-flops em caminhos lógicos curtos, que são geradas por incertezas de borda de relógio em projetos síncronos. Usando um circuito programável preciso de geração de skew de relógio, uma resolução de medida de ~1ps é alcançada para emular condições de corrida. Variações estatísticas de violações de tempo de hold são medidas em tecnologias CMOS de 130nm e 90nm para diversas configurações de circuitos, e também para diferentes condições de temperatura e Vdd. Essas violações são um ponto crítico em projetos grandes com milhares de caminhos curtos, pois se apenas um desses caminhos falhar, todo o circuito não vai funcionar em qualquer freqüência. Usando os resultados medidos, a variabilidade é dividida entre sistemática e randômica residual usando métodos matemáticos. Testes de normalidade são aplicados a estes dados para verificar de eles são Gaussianos normais ou não. A probabilidade de violações de tempo de hold considerando nossos resultados medidos e skews de relógio típicos é calculada, mostrando que o problema de violações de tempo de hold aumenta com o avanço da tecnologia. Finalmente, um algoritmo para proteger circuitos digitais contra violações de tempo de hold em caminhos curtos é apresentado.

With the shrinking of CMOS technology, the circuits are more and more subject to variability in the fabrication process. Statistical process variations are a critical issue for circuit design strategies to ensure high yield in sub-100nm technologies. In this work we present an on-chip measurement technique to characterize hold time violations of flip-flops in short logic paths, which are generated by clock-edge uncertainties in synchronous designs. Using a precise programmable clock-to-data skew generation circuit, a measurement resolution of ~1ps is achieved to emulate race conditions. Statistical variations of hold time violations are measured in a 130nm and 90nm lowpower CMOS technology for various register-to-register configurations, and also different conditions of temperature and Vdd. These violations are a critical issue in large designs with thousands of short paths, as if only one of these fails, the whole circuit will not work at any frequency. Using the measured results, the variability is divided between systematic and random residual using mathematical methods. Normality tests are applied to this data to check if they are normal Gaussians or not. The probability of hold time violations considering our measured data and typical clock skews is calculated, showing that the problem of hold time violations is increasing with technologic advances. Finally, an algorithm to protect digital circuits against hold time violations in short paths is presented.