Thesis (M.Sc.)-Cairo University, 2022.

Bibliography: pages 77-80.

With the rapid growth of IoT market, and the huge increase of IoT devices, the
energy consumption in the IoT hardware became a key concern, for both industry and
academia, that affects the enablement and the deployment of IoT systems. Energy and
power saving solutions in digital design were widely discussed in the literature long time
before the IoT widespread. But the energy optimization was coming as a second priority
after the speed optimizations. Recently, energy became the major concern for a wide
range of applications, like the IoT. So, different optimization techniques were introduced
to address the power as the primary design constraint, and then handle speed as a
secondary one. Voltage down-scaling techniques, that push the transistor to operate in
regions other than the conventional super-threshold one, have strong and promising
potential to optimize the power. But, the cost of operating in such regions is mainly the
speed loss. So, performance optimization techniques are needed for such regions to
achieve acceptable frequency.
In this thesis, a standard cell library that is low-energy and area-efficient is
proposed as a solution that fits the IoT devices. The thesis covers the process to create
the standard cell library, the optimization techniques that can be deployed to minimize
the energy consumption, and the optimization techniques that can achieve the speed
target of the application. Then, the process and techniques are used to create a library
operating in the Near-threshold region, with cells optimized to achieve the minimum area
possible for a given process node, and to operate at a frequency range between 1MHz
and 20MHz which fits the IoT applications.
The implementation of the proposed library is done for UMC 130nm process node.
The design, characterization, and modeling of the library are done to make the library
compatible with the commercial CAD tools. Then, the library is taken through the
synthesis, placement, and routing flows to confirm its compatibility with those tools.
Finally, to show the gains that can be achieved in one of the essential IoT devices,
the library is used to implement three cryptography algorithms: AEGIS-128, ASCON,
and AEZ. Implementation results show that the power consumptions of each at the
maximum operating frequency are 4.25pJ @ 14MHz, 10.03pJ @ 16MHz, and 30.57pJ
@ 18MHZ respectively

مع النمو السريع لسوق إنترنت الأشياء ، والزيادة الهائلة في أجهزة إنترنت الأشياء ، أصبح استهلاك الطاقة في أجهزة إنترنت الأشياء مصدر قلق رئيسي لكل من الصناعة والأوساط الأكاديمية، حيث تؤثر على تمكين ونشر استخدام نظام إنترنت الأشياء.
تمت مناقشة حلول توفير الطاقة في التصميم الرقمي على نطاق واسع في المؤلفات البحثية قبل وقت طويل من انتشار إنترنت الأشياء. لكن تحسين الطاقة كان يأتي كأولوية ثانية بعد تحسينات السرعة.لكن في الآونة الأخيرة ، أصبحت الطاقة الشغل الشاغل لمجموعة واسعة من التطبيقات ، مثل إنترنت الأشياء. لذلك ، تم تقديم تقنيات مختلفة لتوفير الطاقة باعتبارها قيد التصميم الأساسي ، ثم التعامل مع السرعة كقيد ثانوي. على رأس هذه التقنيات تأتي تقنيات خفض الجهد التي تدفع الترانزستور للعمل في مناطق أخرى عن المنطقة ذات الجهد الفائق عن جهد الحد التقليدية. لكن تكلفة التشغيل في هذه المناطق هي بشكل أساسي فقدان السرعة. لذلك ، هناك حاجة إلى تقنيات تحسين الأداء لمثل هذه المناطق لتحقيق التردد المقبول.
في هذه الأطروحة ، تم اقتراح مكتبة منخفضة-الطاقة صغيرة-المساحة من الدوائر المنطقية القياسية القائمة على الترانزستور CMOS كحل يناسب أجهزة إنترنت الأشياء. تغطي الأطروحة عملية إنشاء مكتبة الخلايا القياسية ، وتقنيات التحسين التي يمكن تطبيقها لتقليل استهلاك الطاقة ، وتقنيات التحسين التي يمكن أن تحقق هدف السرعة للتطبيق. بعد ذلك ، يتم استخدام العملية والتقنيات لإنشاء مكتبة تعمل في منطقة الجهد قريب من جهد الحد (NTV) ، مع تحسين الخلايا لتحقيق الحد الأدنى من المساحة الممكنة لعملية تصنيع معينة ، وللتشغيل على نطاق تردد بين 1 ميجاهرتز و 20 ميجاهرتز يناسب تطبيقات إنترنت الأشياء.
تم تنفيذ المكتبة المقترحة لتقنية التصنيع ذات البعد ۱۳۰ نانومتر من مصنع UMC. تم تصميم المكتبة وتوصيفها ونمذجتها لجعل المكتبة متوافقة مع برامج الCAD التجارية. بعد ذلك ، يتم أخذ المكتبة من خلال عملية التركيب و عملية تحديد الاماكن و التوصيل لتأكيد توافقها.
أخيرًا ، لإظهار المكاسب التي يمكن تحقيقها في أجهزة إنترنت الأشياء ، تُستخدم المكتبة لتنفيذ ثلاث خوارزميات تشفير: AEGIS-128 و ASCON و AEZ. تظهر نتائج التنفيذ أن استهلاك الطاقة لكل منها عند أقصى تردد تشغيل هو 4.25 بيج جول عند 14 ميجاهرتز و 10.03 بيج جول عند 16 ميجاهرتز و 30.57 بيج جول عند 18 ميجاهرتز على التوالي.

Issued also as CD

Text in English and abstract in Arabic & English.