Leakage current is susceptible to variation of transistor parameters and environment such as temperature, which results in wide spread in leakage distribution. The spread can be reduced by employing body biasing: reverse body bias for too leaky dies and forward body bias for too slow dies. We investigate body biasing of mixed $V_t$ circuits. It is shown that the conventional body biasing has limitation in reducing leakage variation of mixed $V_t$ circuits. This is because low- and high-$V_t$ devices do not track each other and their body biasing sensitivities are different. We present alternative body biasing scheme that targets compensating die-to-die variation of low $V_t$. Under this body biasing scheme, within-die profiles of low- and high-$V_t$, which we need for statistical allocation of mixed $V_t$, get wider thus become different from the original ones. We present an analytical procedure to derive new within-die profiles. Experiments with 45-㎚ predictive model show that the spread in leakage distribution (ratio of maximum and minimum leakage) can be reduced to 4.4 as opposed to 10.0 from conventional body biasing on mixed $V_t$ circuits for circuit implementation. In this work, we also consider on-chip body bias controller. Adequate body controller is revised for our approach and conventional approach. The operation of revised body bias controller is verified. Additionally, the efficiency of our approach with body bias controller is still valid for reducing leakage variation from 3.22-8.17 to 1.4 in this work.
본 연구는 반도체 CMOS회로에서 미세공정으로의 발전에 따른 누설 전류량을 줄이기 위해 사용하는 Mixed $V_t$ 기법에 어댑티브 바디 바이어싱 기법을 적용하여 누설 전류 변화량을 줄이기 위한 방법을 제안한다. 누설전류는 공정 변화에 따라 매우 민감하기 변하기 때문에 회로의 파워소모를 예측하기 어렵게 만드는 요소이다. 바디 바이어스를 어댑티브하게 조정하는 방법을 통해 공정변화를 보상할 수 있으므로 이를 Mixed $V_t$ 회로에 사용하여 누설 전류 변화를 줄이고자 한다. 제안된 방법에서는 바디바이어스를 low $V_t$ 트랜지스터의 D2D 변화를 보상하게끔 방법을 사용한다. 따라서 Mixed $V_t$를 얼로케이션 하기 위해 D2D 와 WID 베리에이션을 유도하는 과정을 보인다. 유도된 결과를 따라 확률적인 Mixed $V_t$ 얼로케이션을 수행하는 방법을 제안한다. 실험 결과에 따르면 제안된 방법을 사용하지 않을 경우 누설 전류 변화량은 4.4배 인 반면, 기존의 방법을 통해 Mixed $V_t$ 얼로케이션을 수행하고 바디 바이어스 기법을 적용하거나 적용하지 않았을 때는 각각 10.0배와 13.2배로 제안된 방법에서 누설전류 변화를 줄일 수 있게 된다. 뿐만 아니라 최대 누설 전류량도 제안된 방법에서는 대부분 회로들에서 기존의 방법에 비해 줄어든다. 그리고 이 연구에서는 두 가지 비교된 방법에 적합한 바디 바이어스 컨트롤러에 대해서도 살펴보았다. 목적에 맞는 바디 바이어스 컨트롤러를 포함하여 전체 회로를 실험해 보았을 때, 온도 변화는 적용하지 않고 제안된 방법에서는 1.4배 누설 전류 변화를 보인 반면 기존의 방법에서는 3.22-8.17배로 제안된 방법이 누설 전류변화를 줄일 수 있는 효과가 있음을 확인하였다. 또한, 바디 전압을 실시간으로 조정하는 동작을 확인할 수 있었다.
