Deterministic performance space exploration of analog integrated circuits considering process variations and operating conditions [Elektronische Ressource] / Daniel Müller-Gritschneder
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TECHNISCHEUNIVERSITÄTMÜNCHENLehrstuhlfürEntwurfsautomatisierungDeterministic Performance Space Explorationof Analog Integrated Circuits consideringProcess Variations and Operating ConditionsDanielMüller-GritschnederVollständiger Abdruck der von der Fakultät für Elektrotechnik und Informations-technik der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischenGradeseinesDoktor-IngenieursgenehmigtenDissertation.Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. techn. JosefA.NossekPrüferderDissertation: 1. Priv.-Doz. Dr.-Ing. HelmutGräb2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. LarsHedrich,JohannWolfgangGoethe-UniversitätFrankfurtamMainDie Dissertation wurde am 19.01.2009 bei der Technischen Universität Müncheneingereicht und durch die Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnikam26.06.2009angenommen.ApaperbackversionofthisthesiswaspublishedbyVerlagDr.Hut,Munich,in2009.ISBN978-3-86853-167-1.AcknowledgmentsThis work resulted from my five year long research activity at the Institute of Elec-tronic DesignAutomation of theTU München. First of all, I wantto thank Prof. UlfSchlichtmann for giving me the chance to conduct my research at his institute andassist in his lectures. I also want to thank Dr. Helmut Gräb for his guidance duringmyresearchwork. Hisadvice,feedbackandourdiscussionsaidedmegreatlyinde-veloping the ideas and methods presented in this work. I would also like to thankthe other committee members, Prof. Nossek and Prof.

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Publié le 01 janvier 2009
Nombre de lectures 24
Langue English
Poids de l'ouvrage 5 Mo

Extrait

TECHNISCHEUNIVERSITÄTMÜNCHEN
LehrstuhlfürEntwurfsautomatisierung
Deterministic Performance Space Exploration
of Analog Integrated Circuits considering
Process Variations and Operating Conditions
DanielMüller-Gritschneder
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Elektrotechnik und Informations-
technik der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen
Gradeseines
Doktor-Ingenieurs
genehmigtenDissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. techn. JosefA.Nossek
PrüferderDissertation: 1. Priv.-Doz. Dr.-Ing. HelmutGräb
2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. LarsHedrich,JohannWolfgang
Goethe-UniversitätFrankfurtamMain
Die Dissertation wurde am 19.01.2009 bei der Technischen Universität München
eingereicht und durch die Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
am26.06.2009angenommen.ApaperbackversionofthisthesiswaspublishedbyVerlagDr.Hut,Munich,in2009.
ISBN978-3-86853-167-1.Acknowledgments
This work resulted from my five year long research activity at the Institute of Elec-
tronic DesignAutomation of theTU München. First of all, I wantto thank Prof. Ulf
Schlichtmann for giving me the chance to conduct my research at his institute and
assist in his lectures. I also want to thank Dr. Helmut Gräb for his guidance during
myresearchwork. Hisadvice,feedbackandourdiscussionsaidedmegreatlyinde-
veloping the ideas and methods presented in this work. I would also like to thank
the other committee members, Prof. Nossek and Prof. Hedrich, for their interest in
mywork.
IthankmycolleaguesGuidoStehr,JunZouandHusniHabal,withwhomIworked
closelytogetherduringmyresearch. Ialsowanttothankallmyothercolleaguesthat
madethetimeattheinstituteinterestingandfun.
Finally,Iwanttoexpressmygratitudetowardsallmyfamily,mywifeVreni,mykids
Lukas, Teresa and Justus, my parents Wolfgang and Gabriele, my brothers Michael,
Patrick, David and Gabriel and my sister Magdalena as well as my family-in-law,
Bine, Benno, Nathalie, Matthias and Elisabeth, for their continuous support. I also
wanttothankmyfriendsofthe’Teestube’forallthegoodtimesduringtheseyears.Contents
1 Introduction 1
1.1 AnalogDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 AnalogDesignFlow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 ProcessVariationsandOperatingConditions . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 CircuitPerformances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.4 AutomaticCircuitSizingandAnalogSynthesis . . . . . . . . . 4
1.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 PerformanceSpaceExploration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 PerformanceTrade-offAnalysisandCircuitStructure Selection 6
1.2.3 AutomaticHierarchicalSizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 State-of-the-art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.1 PerformanceSpaceExplorationMethods . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.2 HierarchicalSizingMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.3 ToleranceAnalysisMethods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4 ContributionsofthisThesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5 PreviousPublications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.6 OrganizationofthisThesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Description of the Performance Space Exploration Task 15
2.1 BasicDefinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 CircuitParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.2 CircuitPerformancesandSimulation . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.3 SizingRulesandValidParameterSpace . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.4 Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.5 ParametricYield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 ThePerformanceSpaceExplorationTask . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 FeasiblePerformanceSpace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 Multi-objectiveOptimizationandParetoOptimality . . . . . . 19
2.2.3 ParetoFront . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.4 WeakParetoOptimality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.5 Application-DependentParetoFront . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.6 SpecificationParetoFront . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.7 Performance Space Exploration to Obtain a Discretized Pareto
Front . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
I3 Pareto Optimization 27
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.1 Multi-ObjectiveOptimizationMethods . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.2 Approachestofinddifferentperformancecompromises . . . . 28
3.1.3 PresenceofweaklyPareto-optimalperformancevectors . . . . 29
3.1.4 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Goal-AttainmentandMinmaxMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.1 MinmaxMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.2 EquivalentGoal-AttainmentMethod . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.3 PerformanceCompromiseattheOptimum . . . . . . . . . . . . 32
3.3 BasicsofParetoFrontGeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 PerformanceSub-Spaces,Trade-OffLimitsandBoundaryofthePareto
front . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.1 PerformanceSub-Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.2 Trade-OffLimits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4.3 BoundaryoftheParetoFront . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5 IterativeParetoFrontGenerationApproach . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5.1 GenerationoftheDiscretizedParetoFrontforTwoPerformances 39
3.5.2 Generation of the Discretized Pareto Front for Three Perfor-
mances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5.3 GenerationoftheParetofrontforAnyNumberofPerformances 41
3.5.4 Structure oftheIterativeParetoFrontGenerationApproach . . 43
3.6 Definition of Target Trajectories to Populate Inner Parts of the Pareto
Front . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.6.1 ProblemDescriptionforParallelTargetTrajectories . . . . . . . 45
3.6.2 CalculationoftheDirectionoftheTargetTrajectories . . . . . . 45
3.6.3 CompromiseWeightVectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.6.4 MappingofCompromiseWeightVectorsonBasePoints . . . . 47
3.6.5 CalculationoftheBasePointsbyLinearProgramming . . . . . 49
3.6.6 ComparisontoNormal-BoundaryIntersection . . . . . . . . . . 52
3.7 Iterative Pareto Front Generation Approach with Parallel Target Tra-
jectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.7.1 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.7.2 Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.8 Numericalexample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4 Wavefront Feasible Sequential Quadratic Programming 59
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.1 Standard Form oftheScalar ConstrainedNonlinearOptimiza-
tionProblem(CNOP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.2 MinmaxandGAFormulationintheStandardCNOPForm . . 59
4.1.3 SQPOptimizationAlgorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1.4 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.2 BasicsofSequentialQuadraticProgramming . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.1 InitializationandUpdateoftheQuadraticModel . . . . . . . . 62
4.2.2 TheQuadraticProgram(QP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2.3 BacktrackingLineSearch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3 FeasibleSQPAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.1 TiltedQuadraticProgram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3.2 UpdateoftheTiltingVector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.3 ParallelLineSearchwithSecond-OrderCorrection . . . . . . . 68
4.3.4 FeasibilityFilterandCandidateSelection . . . . . . . . . . . . . 70
4.4 WavefrontApproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4.1 SimultaneousOptimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4.2 WavefrontFSQPAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4.3 StoppingCriteriaandActivenessofCNOPs . . . . . . . . . . . 72
4.5 ApplicationoftheMinmaxandGoal-AttainmentFormulation . . . . . 72
4.5.1 OptimizationwiththeMinmaxFormulation . . . . . . . . . . . 72
4.5.2 OptimizationwiththeGAFormulation . . . . . . . . . . . . . . 74
4.5.3 OptimizationwiththeGAandMinmaxFormulation . . . . . . 76
4.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5 Pareto Optimization With Tolerances 79
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2 OptimizationBasedSpecificationAnalysis(SpA) . . . . . . . . . . . .

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