FDSOI Design using Automated Standard-Cell-Grained Body Biasing

Abstract

With the introduction of FDSOI processes at competitive technology nodes, body biasing on an unprecedented scale was made possible. Body biasing influences one of the central transistor characteristics, the threshold voltage. By being able to heighten or lower threshold voltage by more than 100mV, the very physics of transistor switching can be manipulated at run time. Furthermore, as body biasing does not lead to different signal levels, it can be applied much more fine-grained than, e.g., DVFS. With the state of the art mainly focused on combinations of body biasing with DVFS, it has thus ignored granularities unfeasible for DVFS. This thesis fills this gap by proposing body bias domain partitioning techniques and for body bias domain partitionings thereby generated, algorithms that search for body bias assignments. Several different granularities ranging from entire cores to small groups of standard cells were examined using two principal approaches: Designer aided pre-partitioning based determination of body bias domains and a first-time, fully automatized, netlist based approach called domain candidate exploration. Both approaches operate along the lines of activation and timing of standard cell groups. These approaches were evaluated using the example of a Dynamically Reconfigurable Processor (DRP), a highly efficient category of reconfigurable architectures which consists of an array of processing elements and thus offers many opportunities for generalization towards many-core architectures. Finally, the proposed methods were validated by manufacturing a test-chip. Extensive simulation runs as well as the test-chip evaluation showed the validity of the proposed methods and indicated substantial improvements in energy efficiency compared to the state of the art. These improvements were accomplished by the fine-grained partitioning of the DRP design. This method allowed reducing dynamic power through supply voltage levels yielding higher clock frequencies using forward body biasing, while simultaneously reducing static power consumption in unused parts.

Die Einführung von FDSOI Prozessen in gegenwärtigen Prozessgrößen ermöglichte die Nutzung von Substratvorspannung in nie zuvor dagewesenem Umfang. Substratvorspannung beeinflusst unter anderem eine zentrale Eigenschaft von Transistoren, die Schwellspannung. Mittels Substratvorspannung kann diese um mehr als 100mV erhöht oder gesenkt werden, was es ermöglicht, die schiere Physik des Schaltvorgangs zu manipulieren. Da weiterhin hiervon der Signalpegel der digitalen Signale unberührt bleibt, kann diese Technik auch in feineren Granularitäten angewendet werden, als z.B. Dynamische Spannungs- und Frequenz Anpassung (Engl. Dynamic Voltage and Frequency Scaling, Abk. DVFS). Da jedoch der Stand der Technik Substratvorspannung hauptsächlich in Kombinationen mit DVFS anwendet, werden feinere Granularitäten, welche für DVFS nicht mehr wirtschaftlich realisierbar sind, nicht berücksichtigt. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke, indem sie Partitionierungsalgorithmen zur Unterteilung eines Entwurfs in Substratvorspannungsdomänen vorschlägt und für diese hierdurch unterteilten Domänen entsprechende Substratvorspannungen berechnet. Hierzu wurden verschiedene Granularitäten berücksichtigt, von ganzen Prozessorkernen bis hin zu kleinen Gruppen von Standardzellen. Diese Entwürfe wurden dann mit zwei verschiedenen Herangehensweisen unterteilt: Chipdesigner unterstützte, vorpartitionierungsbasierte Bestimmung von Substratvorspannungsdomänen, sowie ein erstmals vollautomatisierter, Netzlisten basierter Ansatz, in dieser Arbeit Domänen Kandidaten Exploration genannt. Beide Ansätze funktionieren nach dem Prinzip der Aktivierung, d.h. zu welchem Zeitpunkt welcher Teil des Entwurfs aktiv ist, sowie der Signallaufzeit durch die entsprechenden Entwurfsteile. Diese Ansätze wurden anhand des Beispiels Dynamisch Rekonfigurierbarer Prozessoren (DRP) evaluiert. DRPs stellen eine Klasse hocheffizienter rekonfigurierbarer Architekturen dar, welche hauptsächlich aus einem Feld von Rechenelementen besteht und dadurch auch zahlreiche Möglichkeiten zur Verallgemeinerung hinsichtlich Many-Core Architekturen zulässt. Schließlich wurden die vorgeschlagenen Methoden in einem Testchip validiert. Alle ermittelten Ergebnisse zeigen im Vergleich zum Stand der Technik drastische Verbesserungen der Energieeffizienz, welche durch die feingranulare Unterteilung in Substratvorspannungsdomänen erzielt wurde. Hierdurch konnten durch die Anwendung von Substratvorspannung höhere Taktfrequenzen bei gleicher Versorgungsspannung erzielt werden, während zeitgleich in zeitlich unkritischen oder ungenutzten Entwurfsteilen die statische Leistungsaufnahme minimiert wurde.