VLSI11

1. TTooppiiccss
PPoowweerr DDiissssiippaattiioonn
TTeecchhnnoollooggyy SSccaalliinngg
FFiinnaall PPrroojjeecctt

2. WWhheerree DDooeess PPoowweerr GGoo iinn CCMMOOSS??
• Dynamic Power Consumption
Charging and Discharging Capacitors
• Short Circuit Currents
Short Circuit Path between Supply Rails during Switching
• Leakage
Leaking diodes and transistors

3. PPoowweerr ddiissssiippaattiioonn
 SSttaattiicc ppoowweerr ddiissssiippaattiioonn
–– IInn tthheeoorryy,, CCMMOOSS hhaass nnoo ssttaattiicc ppoowweerr ddiissssiippaattiioonn
–– TThheerree iiss aa sslliigghhtt ccuurrrreenntt ((ssuubbtthhrreesshhoolldd lleeaakkaaggee ccuurrrreenntt aanndd ggaattee
lleeaakkaaggee ccuurrrreenntt)) oonn tthhee oorrddeerr ooff ..11--..55nnAA ppeerr ddeevviiccee
–– AAtt 55VV ssuuppppllyy vvoollttaaggee,, ..55--22..55 nnWW ssttaattiicc ppoowweerr ddiissssiippaattiioonn ppeerr
ddeevviiccee
–– MMiilllliioonn ggaattee cchhiipp wwiillll hhaavvee ..55--22..55 mmWW ssttaattiicc ppoowweerr ddiissssiippaattiioonn

4. PPoowweerr ddiissssiippaattiioonn
 DDyynnaammiicc ppoowweerr ddiissssiippaattiioonn
–– PPrrooppoorrttiioonnaall ttoo llooaadd ccaappaacciittaannccee aanndd ffrreeqquueennccyy
–– PPrrooppoorrttiioonnaall ttoo ssqquuaarree ooff tthhee ssuuppppllyy vvoollttaaggee
CCuurrrreenntt ttrreenndd iiss ttoo rreedduuccee ssuuppppllyy vvoollttaaggeess ttoo rreedduuccee ppoowweerr
RReedduucceedd ssuuppppllyy vvoollttaaggee wwiillll iinnccrreeaassee ddeellaayyss hhoowweevveerr
–– NNoott ddeeppeennddeenntt oonn ddeevviiccee ppaarraammeetteerrss

5. PPoowweerr ddiissssiippaattiioonn
 DDyynnaammiicc ppoowweerr ddiissssiippaattiioonn
–– SSwwiittcchhiinngg ccaauusseess sshhoorrtt bbuurrssttss ooff ccuurrrreenntt ffllooww wwhhiicchh wwiillll
ccaauussee ppoowweerr ddiissssiippaattiioonn
i n(t)
Vout Vout
i p(t)

6.  
PPoowweerr ddiissssiippaattiioonn
 DDyynnaammiicc ppoowweerr ddiissssiippaattiioonn
1  T
T 
P    2 in (t)Vout dt  T ip (t)VDD Vout 
T  0
2 

1
C  V dV  C VDD
V
V dV
T  L
C V
VDD
2
out
V 2 
out L 0 DD out
out 
L
 DD
 DD

T  2 2 
 CLVDD
2
f
0

7. V f2
PPoowweerr ddiissssiippaattiioonn
EExxaammppllee
VDD  5V
f  1GHz
CL  1pF
P  CL DD
 1pf  52
1GHz
 25mW

8. E01 = CL
 Vdd
 Vdd – Vt
Modification for Circuits with Reduced Swing
Vdd
Vdd
Vdd -Vt
CL
Can exploit reduced swing to lower power
(e.g., reduced bit-line swing in memory)

9. PPoowweerr ddiissssiippiiaattiioonn
SShhoorrtt cciirrccuuiitt ccuurrrreenntt ddiissssiippaattiioonn
–– SShhoorrtt cciirrccuuiitt ccuurrrreenntt ooccccuurrss wwhheenn bbootthh ttrraannssiissttoorrss aarree
oonn tteemmppoorraarriillyy
–– PPrrooppoorrttiioonnaall ttoo tthhee rraattiioo ooff rriissee ttiimmee ttoo TT
–– SSiinnccee tthhee rriissee ttiimmee iiss uussuuaallllyy mmuucchh lleessss tthhaann TT,, iitt ccaann
bbee uussuuaallllyy iiggnnoorreedd

10. CL
Vin (V)
5.04.03.02.01.0
0.05
0.0
A
m(
D
D
I V
)
0.10
0.15
SShhoorrtt CCiirrccuuiitt CCuurrrreennttss
Vdd
Vin Vout

11. MMiinniimmiizziinngg SShhoorrtt--CCiirrccuuiitt PPoowweerr
8
7
6
5
m
r
o
n
P
3
2
1
0
0 1 2 3 4 5
t /t
sin sout
Vdd =3.3
Vdd =2.5
Vdd =1.5
4

12. LLeeaakkaaggee
Vdd
Vout
Drain Junction
Leakage
Sub-Threshold
Current
Sub-threshold current one of most compelling issues
in low-energy circuit design!

13. p+ p+
N
GATE
+
-
Vdd
RReevveerrssee--BBiiaasseedd DDiiooddee LLeeaakkaaggee
Reverse Leakage Current
IDL = JS
 A
JS = 10-100 pA/m2 at25 deg C for 0.25mCMOS
JS doubles for every 9 deg C!

14. SSuubbtthhrreesshhoolldd LLeeaakkaaggee CCoommppoonneenntt

15. PPrriinncciipplleess ffoorr PPoowweerr RReedduuccttiioonn
PPrriimmee cchhooiiccee:: RReedduuccee vvoollttaaggee!!
–– RReecceenntt yyeeaarrss hhaavvee sseeeenn aann aacccceelleerraattiioonn iinn ssuuppppllyy
vvoollttaaggee rreedduuccttiioonn
–– DDeessiiggnn aatt vveerryy llooww vvoollttaaggeess ssttiillll ooppeenn qquueessttiioonn ((00..66 ……
00..99 VV bbyy 22001100!!))
RReedduuccee sswwiittcchhiinngg aaccttiivviittyy
RReedduuccee pphhyyssiiccaall ccaappaacciittaannccee
–– DDeevviiccee SSiizziinngg:: ffoorr FF==2200
ffoopptt((eenneerrggyy))==33..5533,, ffoopptt((ppeerrffoorrmmaannccee))==44..4477

16. GGooaallss ooff TTeecchhnnoollooggyy SSccaalliinngg
 MMaakkee tthhiinnggss cchheeaappeerr::
–– WWaanntt ttoo sseellll mmoorree ffuunnccttiioonnss ((ttrraannssiissttoorrss)) ppeerr cchhiipp ffoorr
tthhee ssaammee mmoonneeyy
–– BBuuiilldd ssaammee pprroodduuccttss cchheeaappeerr,, sseellll tthhee ssaammee ppaarrtt ffoorr
lleessss mmoonneeyy
–– PPrriiccee ooff aa ttrraannssiissttoorr hhaass ttoo bbee rreedduucceedd
 BBuutt aallssoo wwaanntt ttoo bbee ffaasstteerr,, ssmmaalllleerr,, lloowweerr ppoowweerr

17. TTeecchhnnoollooggyy SSccaalliinngg
 GGooaallss ooff ssccaalliinngg tthhee ddiimmeennssiioonnss bbyy 3300%%::
–– RReedduuccee ggaattee ddeellaayy bbyy 3300%% ((iinnccrreeaassee ooppeerraattiinngg ffrreeqquueennccyy
bbyy 4433%%))
–– DDoouubbllee ttrraannssiissttoorr ddeennssiittyy
–– RReedduuccee eenneerrggyy ppeerr ttrraannssiittiioonn bbyy 3300%%
 DDiiee ssiizzee uusseedd ttoo iinnccrreeaassee bbyy 1144%% ppeerr ggeenneerraattiioonn
 TTeecchhnnoollooggyy ggeenneerraattiioonn ssppaannss 22--33 yyeeaarrss

18. TTeecchhnnoollooggyy SSccaalliinngg MMooddeellss
• Full Scaling (Constant Electrical Field)
ideal model — dimensions and voltage scale
together by the same factor S
• Fixed Voltage Scaling
most common model until recently —
only dimensions scale, voltages remain constant
• General Scaling
most realistic for todays situation —
voltages and dimensions scale with different factors

19. SSccaalliinngg RReellaattiioonnsshhiippss ffoorr LLoonngg CChhaannnneell DDeevviicceess

20. TTrraannssiissttoorr SSccaalliinngg
((vveelloocciittyy--ssaattuurraatteedd ddeevviicceess))

21. TTeecchhnnoollooggyy GGeenneerraattiioonnss

22. TTeecchhnnoollooggyy EEvvoolluuttiioonn ((22000000 ddaattaa))
International Technology Roadmap for Semiconductors
YYeeaarr ooff IInnttrroodduuccttiioonn 11999999 22000000 22000011 22000044 22000088 22001111 22001144
TTeecchhnnoollooggyy nnooddee
[[nnmm]]
118800 113300 9900 6600 4400 3300
SSuuppppllyy [[VV]] 11..55--11..88 11..55--11..88 11..22--11..55 00..99--11..22 00..66--00..99 00..55--00..66 00..33--00..66
WWiirriinngg lleevveellss 66--77 66--77 77 88 99 99--1100 1100
MMaaxx ffrreeqquueennccyy
[[GGHHzz]],,LLooccaall--GGlloobbaall
11..22 11..66--11..44 22..11--11..66 33..55--22 77..11--22..55 1111--33
1144..99
--33..66
MMaaxx PP ppoowweerr [[WW]] 9900 110066 113300 116600 117711 117777 118866
BBaatt.. ppoowweerr [[WW]] 11..44 11..77 22..00 22..44 22..11 22..33 22..55
Node years: 2007/65nm, 2010/45nm, 2013/33nm, 2016/23nm

23. TTeecchhnnoollooggyy EEvvoolluuttiioonn ((11999999))

24. TTeecchhnnoollooggyy SSccaalliinngg ((11))
2
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
1960 1970 1980 1990 2000 2010
MMiinniimmuumm FFeeaattuurree SSiizzee

25. TTeecchhnnoollooggyy SSccaalliinngg ((22))
NNuummbbeerr ooff ccoommppoonneennttss ppeerr cchhiipp

26. TTeecchhnnoollooggyy SSccaalliinngg ((33))
PPrrooppaaggaattiioonn DDeellaayy
tp decreasesby 13%/year
50% every 5 years!

27. PowerDissipation(W)
PowerDensity(mW/mm2
)
TTeecchhnnoollooggyy SSccaalliinngg ((44))
100 1000
10
100
1
10
0.1
0.01
80 85 90 95
Year
1
1 10
Scaling Factor 
?i normalized by 4m design rule?j
(a) Power dissipation vs. year. (b) Power density vs. scaling factor.
MPU
DSP

28. PPrroocceessssoorr SSccaalliinngg

29. PPrroocceessssoorr PPoowweerr

30. 22001100 OOuuttllooookk
 PPeerrffoorrmmaannccee 22XX//1166 mmoonntthhss
–– 11 TTIIPP ((tteerrrraa iinnssttrruuccttiioonnss//ss))
–– 3300 GGHHzz cclloocckk
 SSiizzee
–– NNoo ooff ttrraannssiissttoorrss:: 22 BBiilllliioonn
–– DDiiee:: 4400**4400 mmmm
 PPoowweerr
–– 1100kkWW!!!!
–– LLeeaakkaaggee:: 11//33 aaccttiivvee PPoowweerr

31. SSoommee iinntteerreessttiinngg qquueessttiioonnss
 WWhhaatt wwiillll ccaauussee tthhiiss mmooddeell ttoo bbrreeaakk??
 WWhheenn wwiillll iitt bbrreeaakk??
 WWiillll tthhee mmooddeell ggrraadduuaallllyy ssllooww ddoowwnn??
–– PPoowweerr aanndd ppoowweerr ddeennssiittyy
–– LLeeaakkaaggee
–– PPrroocceessss VVaarriiaattiioonn

32. FFiinnaall PPrroojjeecctt
 TTeeaammss ooff ttwwoo
 CChhoooossee yyoouurr oowwnn pprroojjeecctt
 IIff yyoouu wwaanntt ttoo ffaabbrriiccaattee cchhiipp,, yyoouu aarree
lliimmiitteedd ttoo aa 11..55 mmmm ssqquuaarree -- rroouugghhllyy 55--
1100000000 ttrraannssiissttoorrss

33. FFiinnaall PPrroojjeecctt
 SSpprriinngg 22000033 -- SSeeaarrcchh EEnnggiinnee PPrroocceessssoorr

34. FFiinnaall PPrroojjeecctt
 SSpprriinngg 22000044 -- EEnnccooddeerr//DDeeccooddeerr

35. FFiinnaall PPrroojjeecctt
 IImmppoorrttaanntt DDaatteess
–– PPrrooppoossaall dduuee MMaarrcchh 33rrdd
–– AArrcchhiitteeccttuurree dduuee MMaarrcchh 1177tthh
–– LLooggiicc DDeessiiggnn dduuee MMaarrcchh 3311sstt
–– DDeemmoonnssttrraattiioonnss AApprriill 2266--2288tthh
–– FFiinnaall PPrroojjeecctt RReeppoorrtt dduuee AApprriill 2299tthh
–– PPrreesseennttaattiioonn AApprriill 2288tthh

36. NNeexxtt CCllaassss
 EExxaamm 11
–– LLeeccttuurreess 11--1100
–– HHWW11--33
–– CChhaapptteerrss 11--66