Power and thermal problems are one of the major issues on integrated circuits(IC). As transistor’s channel length scales down, the degree of integration is getting higher and power density is also going up. The high power density increase the temperature of IC and it will induce many unwanted situations such as high leakage power, IC’s life-time reduction and even incorrect operation.
Even though there are many papers to reduce power consumption of IC, these methods do not care hotspot problem. Hotspot is a point where temperature is going up rapidly. Hotspot cannot be removed by many power management techniques and even make the situation worse. To eliminate hotspot, thermal management techniques should be applied in IC design. However, there are some obstacles to perform thermal management successfully in IC design. One of the obstacles is how to get the hotspot information. The only way to get the information about temperature is to equip temperature sensors in IC, and we need lots of temperature sensors to obtain accurate temperature information. So, the area of temperature sensors is getting larger and this is a problem that we should solve for a successful thermal management.
Over the past few decades, temperature sensors equipped in IC has been a voltage-domain type which utilizes Band-Gap Reference (BGR) and Analog-to-Digital Converter (ADC). However, operation voltage (VDD) of IC is going down and it is getting harder to design voltage-domain type temperature sensors. That’s why time-domain temperature sensors have been proposed recently and it is highly expected to be a main type of temperature sensors in the future.
In this work, we propose a new temperature sensor based on the time-domain type. Temperature sensors operated in time-domain basically use delay sensitivity about temperature. Mobility of electrons in NMOS and holes in PMOS is getting down with temperature and it makes the smaller current which induces phase difference of inverter delay line. This phase difference can be measured by Time-to-Digital Converter (TDC). This time-domain temperature sensors are not affected by decrease of VDD because delay time can be maintained regardless of VDD. However, time-domain temperature sensors have two issues. The first issue is a linearity problem. Phase difference of inverter delay line and temperature is not a perfect linear relationship, which is a main error source of time-domain temperature sensors. The second issue is a big offset delay. Offset delay is a phase difference at 0℃(intrinsic delay independent of temperature). To make the inverter delay line more sensitive to temperature, inverter delay line should be long and it generates bigger offset delay simultaneously.
Proposed work will solve these two issues without area overhead. First, we utilize Injection Locked Oscillator (ILO) to compensate curvature of inverter delay line. Using ILO, we can make a delay whose curvature has an opposite sign compared to inverter delay line. Specifically, amount of curvature can be modulated by injection strength and we can reduce non-linearity of temperature dependent delay line. ILO is also a temperature dependent delay line, not just for curvature compensation. It means that there is almost no area overhead.
Second, we propose totally new sensing scheme to make an effect of offset cancellation. Big offset of temperature dependent delay line requires TDC which measure more time than is needed. We create time-domain ruler by circulation counter and temperature dependent delay line read the ruler value (sample the counter’s output). This is the optimized method to temperature sensor and it reduces area significantly.
Proposed temperature sensors also include Delay Locked Loop (DLL) for the reference which is independent of temperature. If IC uses DLL for clocking, we can share the DLL, which means another area reduction. Power consumption also decreases compared to previous work concerning curvature compensation.
Proposed temperature sensor was implemented by 0.13um CMOS process. The occupied area is $0.02mm^2$ which is smallest compared with previous works. The resolution is 0.39℃ and the measuring range is from 0℃ to 100℃ which is enough for thermal monitoring.
전력 및 발열 문제는 집적회로 설계에 있어 가장 핵심이 되는 문제이다. 트랜지스터의 크기가 점점 작아지면서 집적회로의 집적 도는 점점 증가되어 칩의 전력 소모 밀도가 감당하기 힘든 수준까지 이르고 있다. 증가된 전력 밀도는 높은 발열로 반도체 칩의 수명감소와 오 동작 등 많은 원치 않는 현상을 발생 시키고 있다.
지금까지 집적회로의 전력 소모를 줄이기 위한 많은 방법들이 제안되어 왔지만, 이러한 방법들이 Hotspot을 없애주지는 못했다. Hotspot은 아주 국소적인 지역이 순간적으로 높은 온도로 치솟는 현상이다. 여러 저전력 설계 기법들은 칩의 평균온도를 낮추는 데는 성공적이었지만, Hotspot 현상은 개선시키지 못했고, 오히려 악화시키는 경우도 있다. 이러한 Hotspot을 없애기 위해서는 열관리 시스템이 도입되어야 하며, 열관리 시스템을 하기 위해서는 칩의 온도 정보를 알아야 한다. 정확한 열관리를 위해서는 칩의 정확한 온도 정보를 읽어 들여야 하기 때문에 구석구석의 Hotspot 정보를 알 수 있도록 많은 온도센서가 필요로 해지는 상황이다. 하지만 현재의 온도센서는 큰 면적 때문에 충분히 많은 센서가 장착되지 못하고 있는 상황으로, 저 면적, 작은 오차를 지니는 온도 센서가 요구 되고 있다.
지난 수십 년간 Band-gap 기준회로를 이용한 전압을 온도에 따라 변화시켜 온도를 측정하는 방법이 많은 발전을 이루었다. 하지만, 최근 동작 전압(VDD) 가 작아지고, 그에 따라 ADC(Analog-to-Digital Converter)의 설계가 힘들어짐에 따라, Inverter의 시간 지연(time-delay) 효과를 이용한 온도 센서의 연구가 활발히 진행되고 있다. Inverter의 시간 지연을 활용할 경우, ADC가 아닌 TDC(Time-to-Digital Converter)를 활용하기 때문에, 동작 전압이 작아지더라도 큰 영향을 받지 않는다. 따라서, 시간 영역에서 동작 하는 온도센서가 미래에 주류를 이룰 것으로 예상 된다.
이 논문에서는 시간영역에서 동작하는 온도센서를 설계하였으며, 가장 문제가 되는 면적을 줄이는데 초점을 맞추었다. 시간영역에서 동작하는 온도센서의 경우, inverter 자체가 지니는 비선형성과 큰 offset이 문제가 되고 있는데, 이 두 가지 문제를 면적을 줄이면서 해결 한 것이 이 논문의 성과로 볼 수 있다.
비선형성의 경우 inverter 가 지니는 곡률을 보상하기 위해서, ILO(Injection Locked Oscillator)를 사용하였다. ILO를 활용하면, Inverter delay line 과 반대 부호의 곡률을 갖는 곡선을 만들 수 있으며, 단순히 ring-oscillator로 구성되며 온도에 따라 증가함수 이기 때문에, 면적증가는 없다고 말 할 수 있다.
큰 Offset의 경우 Counter로 시간영역 상의 자(Time-domain ruler)를 생성하여 온도에 따라 시간 지연된 신호가 Counter 값을 읽어 들이는 형태로 동작을 하며, 이 과정에서 2의 보수 연산을 활용하여, Offset 을 없앨 수 있었다. 이 방법은 온도센서에 최적화된 digital code 전환 방법이라 볼 수 있으며, Counter가 온도 변화 량만 감당 하면 되므로, 면적 감소를 이루었다고 말 할 수 있다.
제안된 온도센서는 온도에 따라 변하지 않는 기준을 잡아주기 위해 DLL(Delay Locked Loop)이 사용되었으며, DLL의 multi-phase가 정밀한 온도 측정을 위해 사용되었다. 또한 DLL 의 경우 많은 digital chip에 clocking을 위해 사용되는 회로이므로, 공유하게 되면 추가적인 면적 감소를 기대 할 수 있다.
제안된 온도센서는 0.13um CMOS 공정을 통해 제작 되었으며, $0.02um^2$ 의 면적을 차지한다. 이전의 다른 온도센서와 비교하여 매우 적은 면적을 차지하는 것이며, 동일한 sample 수를 가정할 경우 전력 소모도 많이 줄일 수 있었다.
