Dissertations / Theses on the topic 'ASIC - Application Specific Integrated Circuit - Processor'

Since the late 1970s, families of microelectronic technologies that could bring the advantages of high levels of electronic integration have been available at reasonable prices and manageable risk to all sectors of UK industry. However, the uptake of these technologies has been painfully slow, particularly by the small and medium enterprises (SMEs) that make up most of the companies currently operating in the UK. It is the aim of the research described here to assess how slow the uptake has been, the reasons for it, and possible solutions to the problem. The problem is investigated with reference to SMEs. In order to reach conclusions it has been necessary to:- • Define Application Specific Integrated Circuit (ASIC) technology and review its history • Review that nature of the UK SME base and identify why they should use ASICs • Review the UK, European and World ASIC markets • Analyse the nature of the UK ASIC design and supply industry • Ascertain the reasons for non-adoption and assess their validity • Relate the findings of this research to appropriate business, organisational and system models • Review past and existing technology-transfer programmes operating in the area of ASIC adoption at a UK, European and world level • Compare the adoption of ASIC technology with the adoption of similar, wide-ranging, new technologies The study concludes that the technology is unique in the wide range of industries to which it can be applied, and that although some advances in adoption have been made, there remains a significant number of hurdles to adoption which can best be addressed by government intervention and supporting activity from supply-companies, trade associations, user-groups and professional and educational institutions. Only once adoption has reached a 'critical mass' can it be assumed that a self-sustaining market will result.

Embedded systems are becoming ubiquitous, primarily due to the fast evolution of digital electronic devices. The design of modern embedded systems requires systems to exhibit, high performance and reliability, yet have short design time and low cost. Application Specific Instruction set processors (ASIPs) are widely used in embedded system since they are economical to use, flexible, and reusable (thus saves design time). During the last decade research work on ASIPs have been carried out in mainly for single pipelined processors. Improving performance in processors is possible by exploring the available parallelism in the program. Designing of multiple parallel execution paths for parallel execution of the processor naturally incurs additional cost. The methodology presented in this dissertation has addressed the problem of improving performance in ASIPs, at minimal additional cost. The devised methodology explores the available parallelism of an application to generate a multi-pipeline heterogeneous ASIP. The processor design is application specific. No pre-defined IPs are used in the design. The generated processor contains multiple standalone pipelined data paths, which are not necessarily identical, and are connected by the necessary bypass paths and control signals. Control unit are separate for each pipeline (though with the same clock) resulting in a simple and cost effective design. By using separate instruction and data memories (Harvard architecture) and by allowing memory access by two separate pipes, the complexity of the controller and buses are reduced. The impact of higher memory latencies is nullified by utilizing parallel pipes during memory access. Efficient bypass network selection and encoding techniques provide a better implementation. The initial design approach with only two pipelines without bypass paths show speed improvements of up to 36% and switching activity reductions of up to 11%. The additional area costs around 16%. An improved design with different number of pipelines (more than two) based on applications show on average of 77% performance improvement with overheads of: 49% on area; 51% on leakage power; 17% on switching activity; and 69% on code size. The design was further trimmed, with bypass path selection and encoding techniques, which show a saving of up to 32% of area and 34% of leakage power with 6% performance improvement and 69% of code size reduction compared to the design approach without these techniques in the multi pipeline design.

This thesis addresses two ubiquitous trends in the embedded system world - the increasing importance of design turnaround time as a design metric, and the move towards closing the design productivity gap. Adopting the right choice of design approach has been recognised as an integral part of the design flow in order to meet desired characteristics such as increasing software content, satisfying the growing complexities of an application, reusing off-the-shelf components, and exploring design metrics tradeoff, which closes the design productivity gap. The importance of design turnaround time is motivated by the intensive competition between manufacturers, especially makers of mainstream electronic consumer products, who shrinks the product life cycle and requires faster time-to-market to maximise economic benefits. This thesis presents a suite of design automation methodologies to automatically design embedded systems for an application in the state-of-the-art design approach - the extensible processor platform. These design automation methodologies systematise the extensible processor platform???s design flow, with particular emphasis on solving four challenging design problems: i) code segment identification; ii) instruction generation; iii) architectural customisation selection; and iv) processor evaluation. Our suite of design automation methodologies includes: i) a semi-automatic design system - to design an extensible processor that maximises the application performance while satisfying the area constraint. By specifying a fitting function to identify suitable code segments within an application, a two-level hierarchy selection algorithm is used to first select a predefined processor and then select the right instruction, and a performance estimator is used to estimate an application's performance; ii) a tool to match instructions - to automatically match the pre-designed instructions with computationally intensive code segments, reducing verification time and effort; iii) an instructions estimation model - to estimate the area overhead, latency, power consumption of extensible instructions, exploring larger design space; and iv) an instructions generation tool - to generate new extensible instructions that maximises the speedup while minimising power dissipation. A number of techniques such as system decomposition, combinational equivalence checking and regression analysis etc., have been heavily relied upon in the creation of the final design system. This thesis shows results at every stage to demonstrate the efficacy of our design methodologies in the creation of extensible processors. The methodologies and results presented in this thesis demonstrate that automating the design process for an extensible processor platform results in significant performance increase - on average, an increase of 4.74x (up to 15.71x) compared to the original base processor. Our system achieves significant design turnaround time savings (2.5% of the full simulation time for the entire design space) with majority Pareto points obtained (91% on average), and can lead to fewer and faster design iterations. Our instruction matching tool is 7.3x faster on average compared to the best known approaches to the problem (partial simulations). Our estimation model has a mean absolute error as small as 3.4% (6.7% max.) for area overhead, 5.9% (9.4% max.) for latency, and 4.2% (7.2% max.) for power consumption, compared to estimation through the time consuming synthesis and simulation steps using commercial tools. Finally, the instruction generation tool reduces energy consumption by a further 5.8% on average (up to 17.7%) compared to extensible instructions generated by previous approaches.

Le besoin croissant de réduction du volume, de la masse et de la consommation des dispositifs électroniques sans pertes deperformances concerne aussi les oscillateurs à quartz utilisés dans les applications métrologiques (bases de temps, capteurs),la téléphonie, la navigation... Dans le cadre de cette problématique, nous avons développé un ASIC (Application SpecificIntegrated Circuit) en technologie 0,35 μm SiGe BiCMOS (Austriamicrosystems®) fonctionnant sous 3,3 V (±10%) pourréaliser un oscillateur à quartz miniature opérationnel sur une gamme en fréquence allant de 10 MHz à 100 MHz. Ce circuitdont la surface ne dépasse pas les 4 mm2 est composé de diverses cellules RF, depuis le système d’entretien de type Colpitts,la mise en forme et jusqu’à l’adaptation du signal à sa charge d’utilisation (50 W ou HCMOS). Ces cellules sont toutespolarisées par une référence de tension interne de type bandgap CMOS. La consommation totale du circuit en charge resteinférieure à 100 mW pour un bruit blanc de phase visé de −150 dBc/Hz à 40 MHz. Pour minimiser la sensibilité thermiquedu résonateur et ainsi pouvoir s’orienter également vers des applications OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator),nous avons partiellement intégré une régulation de température dans notre ASIC. Cette régulation fortement dépendante del’architecture thermo-mécanique a été dimensionnée puis validée au travers de modélisations par analogie sous Spectre®.Notre électronique intégrée nécessite peu de composants externes et nous l’avons reportée par flip chip sur une interfacespécifique pour
The increasing demand for high-performance devices featuring compact, lighter-weight designs with low-power consumptionalso impacts quartz crystal oscillators used in metrological applications (time bases, sensors), telephony or navigation. Inthis context, we have developed an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) in 0.35 μm SiGe BiCMOS technology(Austriamicrosystems®) supplied by 3.3 V (±10%) to realize a miniaturized quartz crystal oscillator operating in the 10 MHzto 100 MHz frequency range. The fabricated die hosts several RF cells in a 4 mm2 area, including a sustaining amplifier(Colpitts topology), a signal shaping circuit and an output buffer dedicated to a specific load (50 W or HCMOS). These cellsare biased by a fully integrated CMOS bandgap voltage reference. The die power consumption remains lower than 100 mWfor a targeted phase noise floor as low as −150 dBc/Hz at a 40 MHz carrier frequency. A thermal control loop has in additionbeen partially integrated to the ASIC, in order to reduce the quartz resonator thermal sensitivity as well as to extend thepotential application field of the developed die to oven applications (OCXO). The thermal control, that is strongly dependanton the mechanical design, has been designed and tested by using electrical analogy modeling on Spectre® simulator. Finallyour integrated circuit has been connected to a specific substrate using flip chip technology to realize a miniaturized quartzcrystal oscillator packaged on a TO-8 enclosure (Ø15.2 mm)

Les technologies avancées de semi-conducteur permettent de mettre en œuvre un contrôleur numérique dédié aux convertisseurs à découpage, de faible puissance et de fréquence de découpage élevée sur FPGA et ASIC. Cette thèse vise à proposer des contrôleurs numériques des performances élevées, de faible consommation énergétique et qui peuvent être implémentés facilement. En plus des contrôleurs numériques existants comme PID, RST, tri-mode et par mode de glissement, un nouveau contrôleur numérique (DDP) pour le convertisseur abaisseur de tension est proposé sur le principe de la commande prédictive: il introduit une nouvelle variable de contrôle qui est la position de la largeur d'impulsion permettant de contrôler de façon simultanée le courant dans l'inductance et la tension de sortie. La solution permet une dynamique très rapide en transitoire, aussi bien pour la variation de la charge que pour les changements de tension de référence. Les résultats expérimentaux sur FPGA vérifient les performances de ce contrôleur jusqu'à la fréquence de découpage de 4MHz. Un contrôleur numérique nécessite une modulation numérique de largeur d'impulsion (DPWM). L'approche Sigma-Delta de la DPWM est un bon candidat en ce qui concerne le compromis entre la complexité et les performances. Un guide de conception d'étage Sigma-Delta pour le DPWM est présenté. Une architecture améliorée de traditionnelles 1-1 MASH Sigma-Delta DPWM est synthétisée sans détérioration de la stabilité en boucle fermée ainsi qu'en préservant un coût raisonnable en ressources matérielles. Les résultats expérimentaux sur FPGA vérifient les performances des DPWM proposées en régimes stationnaire et transitoire. Deux ASICs sont portés en CMOS 0,35µm: le contrôleur en tri-mode pour le convertisseur abaisseur de tension et la commande par mode de glissement pour les convertisseurs abaisseur et élévateur de tension. Les bancs de test sont conçus pour conduire à un modèle d'évaluation de consommation énergétique. Pour le contrôleur en tri-mode, la consommation de puissance mesurée est seulement de 24,56mW/MHz lorsque le ratio de temps en régime de repos (stand-by) est 0,7. Les consommations de puissance de command par mode de glissement pour les convertisseurs abaisseur et élévateur de tension sont respectivement de 4,46mW/MHz et 4,79mW/MHz. En utilisant le modèle de puissance, une consommation de la puissance estimée inférieure à 1mW/MHz est envisageable dans des technologies CMOS plus avancées. Comparé aux contrôlés homologues analogiques de l'état de l'art, les prototypes ASICs illustrent la possibilité d'atteindre un rendement comparable pour les applications de faible et de moyen puissance mais avec l'avantage d'une meilleure précision et une meilleure flexibilité.

Cette thèse porte sur le développement d'un capteur de pixel monolithique CMOS utilisé pourl’identification et le comptage des particules ionisés dan l’espace avec un flux élevé. Un nouveauconcept pour l’identification de l’espèce des particules proposé dans la présente étude, est basésur l'analyse des amas de particules déclenchés. Pour valider ce nouveau concept, un capteur detaille complet, qui comprend la matrice de pixel sensible aux particules ionisés signal, une chaînede traitement du signal analogique, un convertisseur analogue numérique de 3 bits, et untraitement du signal numérique a été conçu dans un processus de 0.35 μm. Le capteur sortiedirectement des informations de flux à travers 4 canaux avec un débit de données très faible(80 bps) et dissipation d’énergie minimale (~ 100 mW). Chaque canal représente particules avecdifférentes espèces et les énergies. La densité maximum de flux mesurable est jusqu'à 108particules/cm2/s (coups s'accumulent < 5%). Un prototype à échelle réduite a été fabriqué et testéavec trois types d'illumination de rayonnement (rayons X, les électrons et laser infrarouge). Tousles résultats obtenus valident le nouveau concept proposé. Un moniteur de rayonnement spatialtrès miniaturisé basé sur un capteur de pixel CMOS peut être prévu. Le moniteur peut présente lesmêmes performances que les compteurs actuels, mais avec une dissipation de puissance réduited'un ordre de grandeur qu'un poids, un volume d'encombrement et un coût moindre. En outre, enraison de ses sorties de haut niveau et faible débit de données, aucune traitement supplémentairedu signal dehors du capteur est nécessaire, ce qui le rend particulièrement attrayant pour desapplications dan les petits satellitaires
This thesis focuses on the development of a CMOS monolithic pixel sensor used for space ionizingparticles identification and counting in high flux. A new concept for single particle identification isproposed in this study, which is based on the analysis of particle triggered clusters. To validate thisnew concept, a full size sensor including the sensitive pixel matrix, an analogue signal processingchain, a 3-bit analogue to digital converter, and a digital processing stage was designed in a 0.35μm process. The sensor directly output particles flux information through 4 channels with a verylow data rate (80 bps) and minimal power dissipation (~ 100mW). Each channel representsparticles with different species and energies. The highest measurable flux density is up to 108particles/cm2/s (hits pile up < 5%). A reduced scale prototype was fabricated and tested with 3types of radiation illumination (X-ray, electrons and infrared laser). All the results obtained validatethe proposed new concept and a highly miniaturized space radiation monitor based on a singleCMOS pixel sensor could be foreseen. The monitor could provide measurements of comparable orbetter quality than existing instruments, but at around an order of magnitude lower powerconsumption, mass and volume and a lower unit cost. Moreover, due to its high level and low datarate outputs, no signal treatment power aside the sensor is required which makes it especiallyattractive for small satellite application

Le besoin croissant de réduction du volume, de la masse et de la consommation des dispositifs électroniques sans pertes deperformances concerne aussi les oscillateurs à quartz utilisés dans les applications métrologiques (bases de temps, capteurs),la téléphonie, la navigation... Dans le cadre de cette problématique, nous avons développé un ASIC (Application SpecificIntegrated Circuit) en technologie 0,35 μm SiGe BiCMOS (Austriamicrosystems®) fonctionnant sous 3,3 V (±10%) pourréaliser un oscillateur à quartz miniature opérationnel sur une gamme en fréquence allant de 10 MHz à 100 MHz. Ce circuitdont la surface ne dépasse pas les 4 mm2 est composé de diverses cellules RF, depuis le système d'entretien de type Colpitts,la mise en forme et jusqu'à l'adaptation du signal à sa charge d'utilisation (50 W ou HCMOS). Ces cellules sont toutespolarisées par une référence de tension interne de type bandgap CMOS. La consommation totale du circuit en charge resteinférieure à 100 mW pour un bruit blanc de phase visé de −150 dBc/Hz à 40 MHz. Pour minimiser la sensibilité thermiquedu résonateur et ainsi pouvoir s'orienter également vers des applications OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator),nous avons partiellement intégré une régulation de température dans notre ASIC. Cette régulation fortement dépendante del'architecture thermo-mécanique a été dimensionnée puis validée au travers de modélisations par analogie sous Spectre®.Notre électronique intégrée nécessite peu de composants externes et nous l'avons reportée par flip chip sur une interfacespécifique pour

Des développements technologiques récents concernant les photodiodes à effet avalanche (PDA) ont mené à la conception et la fabrication d'un tout nouveau module de détection de radiation TEP (tomographie d'émission par positrons) destiné à l'imagerie moléculaire préclinique. Il est basé sur une matrice de 8 par 8 scintillateurs LYSO (ortho-silicate de lutétium dopé au cérium, cerium-doped lutetium yttrium orthosilicate ) individuellement couplés aux pixels de deux matrices monolithiques de 4 par 8 PDA. Cette avancée, pouvant amener la résolution spatiale d'un scanner à passer sous la barrière du mm, exige la conception d'un tout nouveau système d'acquisition de données. En effet, il faut adapter le système de lecture individuelle de chacun des pixels du bloc de détection de façon à satisfaire la multiplication par ~8, relativement à une version antérieure (le LabPET[indice supérieur TM] I), de la densité de pixels du futur scanner LabPET[indice supérieur TM] II. Conséquemment, le traitement de signal numérique ne peut être exclusivement embarqué dans les matrices de portes logiques programmable (field-programmable gate array , FPGA) du système d'acquisition, en considérant les aspects monétaires, d'espace occupé et de puissance consommée de l'ensemble du projet LabPET[indice supérieur TM] II. De façon à s'adapter à cette nouvelle réalité, un nouveau circuit intégré à application spécifique (application specific integrated circuit, ASIC) à signaux mixtes avec 64 canaux d'acquisition, fabriqué avec la technologie TSMC CMOS 0,18 [micromètre], a été conçu. L'ASIC utilise la méthode de temps au-dessus d'un seuil (time over threshold , ToT), déjà implantée dans des applications de physique des hautes-énergies, de manière à extraire numériquement l'information relative à un rayonnement interagissant avec la matrice de détection (l'énergie, le temps et le numéro de pixel de l'événement). Dans le cadre de ce projet, une architecture complexe de machines à états-finis, cadencée par une horloge de 100 MHz, a été implantée et elle permet à l'ASIC d'identifier le taux anticipé de 3 000 événements par seconde par canal. Ceci est réalisé en calculant en temps réel le paramètre ToT tout en assurant la calibration adéquate de chacune des chaînes d'acquisition. Le circuit intégré peut caractériser jusqu'à 2 Mévénements/s malgré son unique lien différentiel à bas voltage (low-voltage differential signaling, LVDS) de transfert de données et consomme environ 600 mW. L'ASIC a été développé en suivant un processus de conception de circuits intégrés à signaux mixtes. Il permet notamment de minimiser et de vérifier l'impact des indésirables effets parasites sur la circuiterie analogique et numérique de l'ensemble avant que les dessins de masques ne soient envoyés vers la fonderie pour fabriquer le circuit désiré.

Les problèmes majeurs de la génération automatique du dessin des masques des circuits intégrés sont la dépendance vis-à-vis des règles de dessin et le dimensionnement correct des transistors. Les méthodes traditionnelles, telles que l'utilisation de cellules pré-caractérisées, manquent de flexibilité, car les portes des bibliothèques (en nombre limité) sont dessinées et dimensionnées (independarnment de l'application) pour une technologie donnée. Les méthodes de synthèse automatique du dessin des masques ont pour but de surmonter ces problèmes. Les techniques les plus couramment utilisées sont le "gate-matrix" et le "linear-matrix". L'indépendance vis-à-vis des règles de dessin est obtenue en utilisant la technique de description symbolique (dessin sous une grille unitaire), et les dimensions des transistors sont définies par le concepteur ou par un outil de dimensionnement. Nous proposons une méthode et un prototype logiciel pour la synthèse automatique des masques, en utilisant le style "linear-matrix multi-bander". La description d'entree du générateur est un fichier format SPICE (au niveau transistor), ce qui permet d'avoir un nombre très élevé de cellules, en particulier les portes complexes (A01), et ainsi avoir une meilleure optimisation lors de la phase d'assignation technologique. Les macro-cellules générées doivent être assemblées afin de réaliser un circuit complet. Deux contraintes supplémentaires sont ainsi imposées au générateur: malléabilité de la forme et position des broches d'entrées/sorties sur la périphérie de la macro-cellule. Les macro-cellules sont assemblées en utilisant un environnement de conception industriel. Les contributions de ce mémoire de doctorat sont d'une part le développement d'un générateur de macro-cellules flexible ayant les caracteristiques d'indépendance aux règles de dessin et d'intégration dans un environnement de macro-cellules, et d'autre part l'étude detailée des paramètres qui déterminent la surface occupée, les performances électriques et la puissance dissipée des macro-cellules générées automatiquement.
The main problems of the automatic layout synthesis are the design rules dependence and the transistor sizing. The traditional layout synthesis methods, like standard-cells, are not flexible, since the cells in the libraries are designed and sized for a specific technology. In this way, the designer must change his library at each technology improvement. The automatic layout synthesis methods overcomes these problems (design rules dependence and transistor sizing). Examples of layout styles are gate-matrix and linear-matrix. The technology independence is achieved by symbolic description (layout under an unitary grid), and the transistor sizes are defined by the designer or by a sizing tool. From these two constraints, we develop an automatic layout synthesis tool, using a linear-matrix multi-row layout style. The input description for our tool is a Spice file. This descriptions allows to define a greater number of cells (mainly AOIs gates), resulting a technology mapping with less constraints. The generated macro-cells must be assembled in order to construct a complete circuit. Two additional constraints are then imposed to the generator : variable aspect ratio and placement of the inputs/outputs pins in the macro-cell border. The macro-cells are assembled by an industrial CAD environment. The main contributions of this thesis are the development of a macro-cell generator (with the characteristics of technology independence and easy integration in a macro-cell environment) and the analysis of the parameters playing a role in the area, delay and power consumption.

La thèse présente le développement de CPS (CMOS Pixel Sensors) intégré avec CAN au niveau du pixel pour les couches externes du détecteur de vertex de l’ILD (International Large Detector). Motivé par la physique dans l’ILC (International Linear Collider), une précision élevée est nécessaire pour les détecteurs. La priorité des capteurs qui montre sur les couches externes est une faible consommation d’énergie en raison du rapport élevé de couverture de la surface sensible (~90%) dans le détecteur de vertex. Le CPS intégré avec CAN est un choix approprié pour cette application. L’architecture de CAN de niveau colonne ne fournit pas une performance optimisée en termes de bruit et la consommation d’énergie. La conception de CAN au niveau du pixel a été proposée. Bénéficiant des sorties de pixels tout-numérique, CAN au niveau des pixels présentent les mérites évidents sur le bruit, la vitesse, la zone sensible et la consommation d’énergie. Un prototype de capteur, appelé MIMADC, a été implémenté par un processus de 0.18 μm CIS (CMOS Image Sensor). L’objectif de ce capteur est de vérifier la faisabilité du CPS intégré avec les CAN au niveau des pixels. Trois matrices sont incluses dans ce prototype, mais avec deux types différents de CAN au niveau de pixel: une avec des CAN à registre à approximations successives (SAR), et les deux autres avec des CAN à une seule pente (Single-Slope, SS) CAN. Toutes les trois possédant les pixels de la même taille de 35×35 μm2 et une résolution de 3-bit. Dans ce texte, des analyses théoriques et le prototype sont présentés, ainsi que la conception détaille des circuits
This thesis presents the development of CMOS pixel sensors (CPS) integrated with pixel-level ADCs for the outer layers of the ILD (International Large Detector) vertex detector. Driven by physics in the ILC (International Linear Collider), an unprecedented precision is required for the detectors. The priority of the sensors mounted on the outer layers is low power consumption due to the large coverage ratio of the sensitive area (~90%) in the vertex detector. The CPS integrated with ADCs is a promising candidate for this application. The architecture of column-level ADCs, exists but do not provide an optimized performance in terms of noise and power consumption. The concept of pixel-level ADCs has been proposed. Benefiting from the all-digital pixel outputs, pixel-level ADCs exhibit the obvious merits on noise, speed, insensitive area, and power consumption. In this thesis, a prototype sensor, called MIMADC, has been implemented by a 0.18 μm CIS (CMOS Image Sensor) process. The target of this sensor is to verify the feasibility of the CPS integrated with pixel-level ADCs. Three matrices are included in this prototype but with two different types of pixel-level ADCs: one with successive approximation register (SAR) ADCs, and the other two with single-slope (SS) ADCs. All of them feature a same pixel size of 35×35 μm2 and a resolution of 3-bit. In this thesis, the prototype is presented for both theoretical analyses and circuit designs. The test results of the prototype are also presented

Les nombres aléatoires sont essentiels pour les systèmes cryptographiques modernes. Ils servent de clés cryptographiques, de nonces, de vecteurs d’initialisation et de masques aléatoires pour la protection contre les attaques par canaux cachés. Dans cette thèse, nous traitons des générateurs de nombres aléatoires dans les circuits logiques (FPGA et ASIC). Nous présentons les méthodes fondamentales de génération de nombres aléatoires dans des circuits logiques. Ensuite, nous discutons de différents types de TRNG en utilisant le jitter d’horloge comme source d’aléa. Nous faisons une évaluation rigoureuse de divers noyaux TRNG conformes à la norme AIS-20/31 et mis en œuvre dans trois familles de FPGA différentes: Intel Cyclone V, Xilinx Spartan-6 et Microsemi SmartFusion2. Puis, nous présentons l’implémentation des noyaux TRNG sélectionnés dans des ASIC et leur évaluation. Ensuite, nous étudions en profondeur PLL-TRNG afin de fournir une conception sécurisée de ce TRNG ainsi que des tests intégrés. Enfin, nous étudions les TRNG basés sur les oscillateurs. Nous comparons de différentes méthodes d'extraction d’aléa ainsi que de différents types d'oscillateurs et le comportement du jitter d'horloge à l'intérieur de chacun d'eux. Nous proposons également des méthodes de mesure du jitter intégrée pour le test en ligne des TRNG basés sur les oscillateurs
Random numbers are essential for modern cryptographic systems. They are used as cryptographic keys, nonces, initialization vectors and random masks for protection against side channel attacks. In this thesis, we deal with random number generators in logic devices (Field Programmable Gate Arrays – FPGAs and Application Specific Integrated Circuits – ASICs). We present fundamental methods of generation of random numbers in logic devices. Then, we discuss different types of TRNGs using clock jitter as a source of randomness. We provide a rigorous evaluation of various AIS-20/31 compliant TRNG cores implemented in three different FPGA families : Intel Cyclone V, Xilinx Spartan-6 and Microsemi SmartFusion2. We then present the implementation of selected TRNG cores in custom ASIC and we evaluate them. Next, we study PLL-TRNG in depth in order to provide a secure design of this TRNG together with embedded tests. Finally, we study oscillator based TRNGs. We compare different randomness extraction methods as well as different oscillator types and the behavior of the clock jitter inside each of them. We also propose methods of embedded jitter measurement for online testing of oscillator based TRNGs

The rapid advancements in semiconductor technology have led to constant shrinking of transistor sizes as per Moore's Law. Wireless communications is one field which has seen explosive growth, thanks to the cramming of more transistors into a single chip. Design of these systems involve trade-offs between performance, area and power. Fast Fourier Transform is an important component in most of the wireless communication systems. FFTs are widely used in applications like OFDM transceivers, Spectrum sensing in Cognitive Radio, Image Processing, Radar Signal Processing etc. FFT is the most compute intensive and time consuming operation in most of the above applications. It is always a challenge to develop an architecture which gives high throughput while reducing the latency without much area overhead. Next generation wireless systems demand high transmission efficiency and hence FFT processor should be capable of doing computations much faster. Architectures based on smaller radices for computing longer FFTs are inefficient. In this thesis, a fully parallel unrolled FFT architecture based on novel radix-4 engine is proposed which is catered for wide range of applications. The radix-4 butterfly unit takes all four inputs in parallel and can selectively produce one out of the four outputs. The proposed architecture uses Radix-4^3 and Radix-4^4 algorithms for computation of various FFTs. The Radix-4^4 block can take all 256 inputs in parallel and can use the select control signals to generate one out of the 256 outputs. In existing Cooley-Tukey architectures, the output from each stage has to be reordered before the next stage can start computation. This needs intermediate storage after each stage. In our architecture, each stage can directly generate the reordered outputs and hence reduce these buffers. A solution for output reordering problem in Radix-4^3 and Radix-4^4 FFT architectures are also discussed in this work. Although the hardware complexity in terms of adders and multipliers are increased in our architecture, a significant reduction in intermediate memory requirement is achieved. FFTs of varying sizes starting from 64 point to 64K point have been implemented in ASIC using UMC 130nm CMOS technology. The data representation used in this work is fixed point format and selected word length is 16 bits to get maximum Signal to Quantization Noise Ratio (SQNR). The architecture has been found to be more suitable for computing FFT of large sizes. For 4096 point and 64K point FFTs, this design gives comparable throughput with considerable reduction in area and latency when compared to the state-of-art implementations. The 64K point FFT architecture resulted in a throughput of 1332 mega samples per second with an area of 171.78 mm^2 and total power of 10.7W at 333 MHz.

The widespread use of Liquid Petroleum Gas (LPG) for cooking and as fuel for automobile vehicles requires fast and selective detection of LPG to precisely measure the leakage of gas for preventing the occurrence of accidental explosions. The adoption of Micro-Electro-Mechanical-System (MEMS) technology for fabricating the gas sensor provides other potential advantages for sensing applications, which includes low power consumption, low fabrication cost, high quality, small size and reliability. MEMS based gas sensor requires a sensitive layer of oxide material like ZnO, SnO2, TiO2, Fe2O3, etc. The tin oxide material used in the present work changes its electrical properties, as it interacts with the reducing gas like LPG. The sensor material becomes active only at high temperature such as 400ºC, thereby realizing the need of a micro heater to reach the desired temperature. To control the temperature of micro heater and to determine the change in electrical properties of the sensor due to its interaction with LPG an Application Specific Integrated Circuit (ASIC) forms an essential constituent of the MEMS based gas sensor. In the present work, an attempt has been made to improve the sensitivity of LPG gas sensor and it is correlated with other properties by different characterization techniques. The work also includes the design as well as testing of ASIC for gas sensor system. Process parameters particularly deposition time and substrate temperature have a profound influence on the microstructure of the tin oxide film, which in turn affects the gas sensing properties. To study the effects of these parameters, RF magnetron sputtering system is used for depositing tin oxide films onto the silicon substrate, which is compatible with CMOS technology. The effects of structural properties, optical properties and the porosity of the films are also studied and correlated with the gas sensing properties. In this direction the deposited films are characterized using X-Ray Diffraction (XRD) to determine the structure orientation. The morphology of the sensor films are analyzed by Scanning Electron Microscope (SEM) while the refractive index, thickness and porosity of the films are determined using ellipsometry studies. The thickness of the deposited films is also confirmed by the surface profilometer. The change in composition of the deposited film along its depth is determined using Secondary Ion Mass Spectrometer (SIMS). Maximum sensitivity 5.5 is obtained for 470 nm thick films, which corresponds to a grain size of 38nm at the operating temperature of 4000C. Following these studies, an ASIC has been designed using Tanner EDA Tools on AMIS 0.7 µm CMOS process, fabricated through Euro practice’s ASIC prototyping service, Belgium and tested successfully after fabrication. The temperature control module of ASIC has been designed using relaxation oscillator technique to control the temperature of the in house developed heater. The resistance to period conversion technique is explored for the design of the sensor read out module of ASIC. The heater is integrated successfully with the sensor film, ASIC and microcontroller based LCD module. The test results show good agreement with the simulation results.