TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.4, April 201 4, pp. 2565 ~ 2 5 7 3   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i4.4791          2565     Re cei v ed Se ptem ber 7, 2013; Re vi sed  Octob e r 17, 2 013; Accepte d  No vem ber  19, 2013   Low Leakage C i rcuits Design with Optimized Gate- length Biasing      Xiaohui Fan a , Yangbo Wu * b , Haiy an Ni, Jianping Hu  F a cult y   of Information Sci enc e and T e chno l o g y , Nin gb o Universit y , Ni ng bo, Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : eas y f an xh @ 126.com a , w u yang bo@ nb u.e du.cn b       A b st r a ct   W i th the tec h n o lo gy pr ocess  scalin g, l eak ag e p o w e r diss ip ation  is  bec omi ng  a gr ow ing  n u mber  of   perce ntag e i n  total p o w e r d i ssipati on. T h i s  study  pr ese n ts a n e w  me thod i n  th e g a te-le ngth  bi a s ing  techni qu e to  a c hiev e a  cost-e ffective gate- le ngth w i th  mo st ben efit betw een  le aka ge r e ductio n  a nd  de lay   i n crea si ng . Wi th  th e o p t imi z e d  ga te -l en g t h ,   typ i ca l com b i n a t i o na l   a n d  seq u e n t i a l ci rcui ts a r e  re al i z ed  and  simulat ed  usin g HSPICE w i t h  the BSIM 4 .6 .4 pre d icti ve   mo de ls at  a 4 5 n m  CO MS  pr ocess. T he r e sults  show  that lea k age curr ents  of typi cal co mb in ation a l cir c uits reduc mor e  an d de l a y incre a se l e ss.  Moreov er, leak age curr ents o f  mirror ad der  and trans mis s ion g a te ad d e r decre ase 1 3 .9% an d 8.9 0 %,  respectiv e ly; a nd le aka ge p o w er of 4-bit bin a ry count ers u s ing C 2 MOS D  F lip-F lop  and  T r ansmissio n - G ate  D  Fl i p -Fl o p  redu ce  38 .3 6%  an d  20 .0 5% , wi th  th e  fre que nc y of 5M, resp e c tively. T heref ore, the  opti m i z e d   gate-l engt h bia s ing tech ni que  is an attractive   appr oach i n  lo w  pow er circuits desig n.     Ke y w ords :  lo w  leakage, g a te-le ngth bi asi n g, cost-e ffective gate-l e n g th, HSPICE simul a tion     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion   With the  eve r  increa sin g  d e mand  an d p opula r ity of p o rtable  ele c tronics, d e si gn ers a r e   striving  for  small  silico n  a r ea,  highe speed,  high  re liability and  l o po wer di ssipatio n [1].  The   power di ssip ation of ci rcui ts affects th battery  life of portabl e ele c t r oni cs. T here  are th ree m a in   power di ssip ations i n  ci rcuits: dynami c  power  di ssi pation, short - circuit po we r dissipatio and  leakage p o wer dissip ation  [2].    Re cently, CMOS techn o l ogy develop s into  micro - n anomete r  re gime, leakag e power  dissipatio n a c count s for  an in crea sin g ly larg er   po rtion of total  po wer di ssi pation in  CMOS   circuits.  It is  reporte d that  the p o rtion  of  leak age  po wer h a s in crea sed  from  18 % at 130  nm  to   54% at the 65 nm node [3] .     Lea kag e  re d u ction m e tho d s in clu de  standby  techn i que s an d runtime te chn i que s.  Standby lea k age  red u ctio n techniqu es de cre a se  th e lea k ag when th e ci rcuits a r not  in  operation,  wh ile ru ntime te chni que s d e crea se th e le a k ag e when  th e ci rcuits  are   in active  mod e Several stan dby  lea k ag e redu ction  te chniqu es   have  being  pro p o s ed,  su ch a s  dual th resho l CMOS, va ria b le th re shold   CMOS, in put  vector cont rol ,  and  sta c kin g  tra n si stor te chni que,  po wer  gating te ch n i que, et c [4 ]. The  runti m e le ak age  re du ction t e ch niqu es i n clu de  multi- V th   manufa c turi n g  pro c e ss a n d  gate-le ngth  biasi ng [3, 5, 6].  These  meth ods have a d vantage a nd  di sadva n tage s, su ch   as, multi - V th  me th od  redu ce s the l eakage p o we r effectively, but additi on al  step s and  m a sks  rai s e its pro c e ss  co st Gate-le ngth  b i asin g techniq ue redu ce s th e lea k ag without extra  ma sk and  extra  pro c e ss,  and  it   is re port ed th at small bi ases in g a te-l en gth of  tran sist ors  ca n afford signifi cant l eakage  savin g with  small  pe rforma nce im pact [3]. A  m e thod  of gate - length  bia s in g was p r op o s ed  in [3],  an d   redu ce d le akage  by 24% -38% for mo st com m only  u s ed  cells,  whi l e in curring  d e lay pe naltie s  of   fewer than 10%.  In this wo rk,  we  propo se  a  ne w m e thod  to o p timize  the g a te-le ngt h. We  g e t a  relatively  co st-effe ctive gate-le ngth  with  a mo st b enefit betwe e n  leakage  re ductio n  and  delay incre a sing,  that is max i mizing th e  leakage  re ductio n  with  minimal d e lay pen alty. Then, severa l   combi nation a l  logic ci rcuits a nd  seq u e n tial ci rc uits  are  used to  verify the co st-effe ctive g a te- length. Moreover, as  the battery life of  port able elec tronics  is  mainly determined by average  power, we ta ke the averag ing to meas ure the re sults i n  this pap er.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  2565 – 2 573   2566 This p ape r is orga nized a s  follo ws. In  Section 2, le aka ge  curren t of MOS de vices  i s   descri bed, an d the gate-le ngth bia s ing t e ch niqu e is  reviewe d . In Section 3, we prop ose a co st- effective gate - length  optimi z ation m e tho d .   Basic com b ination a an seq uential circuits with  the   optimize d  g a t e-length  are  impleme n te d and  sim u la ted in Se ctio n 4 a nd 5,  resp ectively. The  con c lu sio n  is  dedi cated in  Section 6.       2. Rev i e w  o f  Gate -leng t Biasing Te c hnique   2.1. The Lea kage o f  MOS  Dev i ces  In nanom eter regime, a  sig n ificant po rtio n of  total power di ssi pation  in high pe rfo r man c e   digital circuit s  is due to lea k ag e cu rrents [4, 7, 8].  The l e a k age   curre n t in  M O S devi c e s  i s  m a inly d ue  to (1 sub - thresh old  co ndu ction,  (2 gate dire ct tunneli ng cu rrent, (3) jun c t i on tunne lin g  leaka ge, (4 ) gate indu ce d drain le aka ge  (GIDL), (5 ) h o t carrier inj e ction current, (6) p u n c h-th rough  curre n t, etc [7].          Figure 1. Major Lea ka ge of  MOS Device       Among the m , the majo r l eakage  cu rre n ts a r e: sub - threshold  lea k ag e current,  gate   leakage  cu rre n t and  reve rse-bia s  j u n c tion ban d-to -ba nd tunn eling l eakage  cu rre n t as  sh own i n   Figure 1  [9]. With the  tech nology  scalin g, su b-th re sh old le akage  current h a s be comin g  the  m a in   sou r ce of lea k ag e po wer d i ssi pation.     2.2. Gate -len gth Bia s ing Techniqu e   There are m any leaka g e  powe r  red u c tion tec hniq ues, such a s  tran sisto r   stackin g   techni que, d ual-th r e s hold  techniqu e, etc. It is  fou nd that, as the gate-l engt h increa se s, the  leakage po wer dissip ation  will decline e x ponentially and the delay  only increa se linearly [3, 10].  The fact provides a p o ssib ility for the gate-lengt h bi asing tech nique : an appro p ri ate increa se  of   gate-le ngth  can  significant ly redu ce  lea k ag e p o we dissipatio n while pe rforma nce  of the  ci rcuit   will not l o se too much.  Moreov er, the technique  doe sn’t increase the  extra process  cost   becau se it ne edn’t extra m a sk and extra  process.   In nanom ete r  CM OS dev ice, a s  gate - length b e co mes  sho r te r,  V th  sho w a gre a t e r   depe nden ce   on g a te-le ngt h [11], d ue t o  the  short - chann el effe ct (SCE and   drain  ind u ce barrier lo we ri ng (DIBL ) V th  change  d u e  to SCE and DIBL is mod e l ed (1 ).    (, ) - ( ) [ 2 ( - ) ] th t h e f f b i s ds VS C E D I B L L V V                                                    (1)    Whe r V bi is kno w n a s  the built-in voltage of the sou r ce/d rai n  junctions,  V ds  is the sou r ce/ d r a in   voltage Ф is the surfa c e  potential. The sho r t chan nel effect co efficient  θ th  ( L eff ) in (1) ha s a   stron g  dep en den ce on the  cha nnel len g t h  given by:    0. 5 () = cos h ( ) - 1 ef f ef f t L Ll                                                                               (2)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Low L e a k ag e  Circuits Desi gn with Optim i zed G a te-le n g th Biasing  (Xiaohui Fa n)  2567 l t  is  the c h arac teris t ic  length of devic es .   And the impa ct of threshol d voltage in sub-th re shol d leakage [12] i s  expre s sed  as (3 ).  We can see that decrea s of  threshold voltage will result in sub-th re shol d lea k ag e raise  expone ntially.    2 - - ( - 1 ) exp( ) [ 1 - exp( - ) ] gs t h ds on su b e f f ox T ef f T T VV V W IC m v L mv v                                       (3)    W/L eff  is the  width-to -le ngt h ratio  of th e tran si stor,  eff * C ox  is the pro c e s s tra n s-co ndu ctan ce   para m eter,  T vk T q  is the equival ent temperat ure voltage,  m is the threshold rate coef ficient,   V gs  is the gate/sou r ce voltage, and  V th  pre s ent s the thre shol d voltage of MOS device.   Acco rdi ng to  (1), (2 ) an d (3), with  gat e-le ngth i n crea sing, th e thre shold  voltage  increa se s, so  that the le a k ag current  de cre a se expone ntially. The r efore, i t  is po ssible  to   slightly increa se the gate - le ngth to take  a d vantage of the expon enti a l leakage re ductio n .   Figure 2 sho w s the vari ation of  leaka ge with gate - length  ( L Gate ) at a 45nm  CMO S   pro c e ss.  Th nominal le ngt h is 50n m, an d the wi dth of  PMOS and NMOS tra n si stors is 1 000 nm.  The su pply voltage of the tran sisto r s is  1.0V.          Figure 2. Lea kag e  Variatio n with Gate -length       It can be  not ed that lea k a ge de crea se s expo nent ial l y with slig htly incre a se of  gate- length. The l eakage  cu rre nt of NM OS redu ce s by 52 % and 66% a t   L Gate =55nm and  L Gate = 60n comp ared  wi th that of no minal len g th  NMOS,  respectively. Th e lea k ag e current of PM OS  redu ce s by 7 2 % and 8 7 %, respe c tively. In additi on, t he in cre a se i n  gate-l ength  decrea s e s  t he  leakage effe ctively; and th e longe r gate - lengt h, the sl owe r  in lea k a ge de cre a se.      3. The Gate-l ength O p tim i zation for Efficienc y  Leakage Reduc tion  In this se ctio n, we propo se a co st-effe ct ive gate-le n g th optimizati on method  b a se d on  HSPICE sim u lation by usi ng a 12-stag es inverte r  ri ng oscillato r at a 45nm CMOS pro c e s s. The   inverter ri ng  o scill ator is pre s ente d  in  Fig u re  3. T he  rat i o of PM OS  o v er  NMOS i n   the inve rters i s   40 λ /20 λ , where  λ   =25n m a t  45nm pro c e ss. Th e variat ion of delay a nd lea k ag e with gate-len g th  are sho w n in  Figure 4 and  Figure 5.           Figure 3. 12-stage s Invert er Rin g  Oscill ator  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  2565 – 2 573   2568       Figure 4. Vari ations of Le a k ag e Cu rrent and  Delay   Figure 5. Vari ation Rate of  Lea kag e  Cu rrent  and Delay       Figure 4 sh ows that as t he gate-le ngth increa ses, the lea k age current decli ne expone ntially, and  the  dela y  only in crea se s lin early.  Therefore,  we in cre a se th e gate - len g th  to   get the maximum ben efit betwe en lea k age an d dela y Here dynami c  programmi ng algorithm  is  utilized to determine the value of  L Gate  for  transi s to rs. T he ben efit  Ga t e () c fL  is defined a s  fol l ows:    Ga t e 0 0 () - cl l d d f LI I T T                                                                          (4)    Whe r 0 l I  and   0 d T  are the l eakage  cu rrent and  del ay of nomin al  L Gate  ring oscillator,   r e spec tively.          Figure 6. Benefit with Gate-length Va riat ion       The  re sult in d i cate s that  th e maximu m b enefit is the   max Ga t e () c fL , and  the  co st-effe ctive  gate-le ngth i s  53nm. It p r o v ides  one  of  the be st tra d eoffs b e twe e n  lea k ag e p o wer di ssi pati o n   and pe rform a nce in lo w po wer a ppli c atio ns.       4. The Comb inational Cir c uits Design   w i th  the Op timized Gate-length    In this sectio n, the ba sic  combi nation a l  ci rcuits with  gate-le ngth  biasi ng te chn i que a r e   pre s ente d . All the circuits a r e sim u lated  with HS IPCE at 45nm pro c ess. The nom inal gate-l eng th  is 50nm, an d the optimize d  gate-len g th is 53nm. Th e sup p ly voltage of the circui ts is 1.0V.     4.1. The Basi c Gate w i th  Gate -leng t h Biasing Te c hnique   The ba sic  ga tes su ch a s  i n verter, NA ND, NO R and  XOR are im portant ele m ents in   digital ci rcuits. Here we test the basi c  l o gic g a tes  wit h  gate - length  biasi ng. Th e  width of  NM OS  and PM OS i n  NA ND,  NO R a nd X O R i s   sho w n  in  F i gure  7,  wh ere  λ  =25n m at  45n m p r o c e ss.  The lea k ag e and del ay of 2NAND, 2NO R , and 2X O R  are sh own in  Table 1 and  Table 2.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Low L e a k ag e  Circuits Desi gn with Optim i zed G a te-le n g th Biasing  (Xiaohui Fa n)  2569     Figure 7. Basic Gate     Table 1. Lea kage Current o f  Basic Gate  Circuits  Input   Leakage curre nt( n A)  2NAND  2NOR   2XOR   L=50nm  L=53nm  L=50nm  L=53nm  L=50nm  L=53nm   00  12.3  12  16.4 12.8 76.5 61.9  01  25.9 18.5 6.21 2.66 86.8 73.2  10  16.7 13.1 2.98  1.5  76.3 61.7  11  12.3 5.19 0.30 0.22 66.1 51.5  Average    16.8 12.2 6.47  4.3 76.43   62.08   I %    -27.4   -33.6   -18.8       Table 2. Del a y Chara c te ristics of Basi Gate Ci rcuit s     2NAND  2NOR   2XOR   L=50nm   L=53nm  L=50nm  L=53nm  L=50nm  L=53nm   T d (ps)   13.2 14.7 15.2  17.15   32.8 34.3  T d %    11.36   12.83    4.57      The re sults show  that  th e basi c  gate s  with  gat e - lengt h bia s in g h a ve lo we r le aka ge. As is  sho w n th at the lea k ag e currents  of ba sic  gate s : 2NAND, 2 N O R , and 2XO R   decrea s 27. 4%,  33.6% and  1 8 .8%, respe c tively. Howev e r, as t he gat e-len g th in cre a se s, the lo a d  ca pa citan c e of  basi c  gate s  in cre a ses, an d delay, respe c ti vely, increases by 11.36% , 12.83% and  4.57%.    4.2. Full Adder  w i th Ga te -length Bia s ing Techniqu e.   The add er is  an importa nt logical unit in digital system s. The po wer and spe ed o f  adder  will g r eatly a ffect the pe rf orma nce of  digital  sy ste m  [13]. Figu re 8  sho w s two typical a dder  circuits: mi rro r adde r an d tran smi ssi on  gate add er.  The si ze of tran sisto r s is  also in clu ded  in  Figure 8,  wh e r λ  =2 5nm a t   45nm   proce ss. Two  a dde rs  have  sym m etric st ru ctu r and  the  sa me  numbe r of tra n si stors. The  simulatio n  re sults a r e liste d in Table 3 a nd Table 4.           Figure 8. Two  Different Mo dels of Adde r Circuit      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  2565 – 2 573   2570 Table 3. Lea kage Current o f  the Two Adders  Input   Leakage curre nt( n A)  Mirror ad der   Transmission gate adder   L=50nm  L=53nm   L=50nm   L=53nm   000 204  188  737.4   680.69   001 199  150  784.93   701.6   010 241  196  749.98   696.1   011 239  193  790.92   709.51   100 235  196  821.75   740.37   101 214  197  760.89   707.03   110 215  201  786.56   703.25   111 223  203  731.89   677.06   Average   221.25   190.5   770.54   701.06   I %    -13.90     -8.90       Table 4. Del a y Chara c te ristics of the Two Adders    Mirror ad der   Transmission gate adder   L=50nm  L=53nm   L=50nm   L=53nm   T d (ps)  42.88   48.5  55.67   59.52   T d %    13.12     6.92      It is clea r fro m  Table  3 a nd Tabl e 4 t hat lea k ag curre n t of the gate-l ength  biasi n g   adde rs h a decrea s e d  b y  13.90% and 8.90%, re sp ectively, than the no minal gate-l e ngth  adde rs.  Othe rwi s e, d e lay  of the g a te-le ngth bi asi ng  adde rs, i n cre a se d by  13.1 2 % and  6.92 %,   r e spec tively.      5. The Sequ ential Circui ts Design  w i t h  the Op timized G a te -len gth   In seq uential  circuits de sig n , Flip-Fl o p s   are th e mo st  importa nt buil d ing bl ocks [14, 15].   Powe r an d p e rform a n c a nalysi s  of Fli p -Flo ps  have   alway s  b een  criti c al d ue t o  its a ppli c ati ons  in data  path   [2]. In this S e ction,  Flip-Flo a nd a   4-bit   bina ry cou n ter with the  gate - len g t biasi ng te ch ni que  are di scu s sed. T he  ci rcuits a r sim u lated usi ng HSIPCE with the  fre que ncy   of  5M at 45nm  pro c e ss te ch nology. The  nominal le ngt h is 50n m, and the optimi z ation le ngth  is  53nm.Th e  su pply voltage of the circuits is 1.0V.  Analysis  of combi nation a l  logic  circui and seque ntial logic  ci rcuit a r different ,   esp e ci ally in powe r  an time metrics  analysi s . The  powe r  metri c  used h e re  is the avera g e   leakage p o wer con s ume d  over a  con s t ant time inte rval for variou s inp u t states and tra n sitio n s   [16, 17].The  timing metri c s con s ide r ed  inclu d e s  the  clo c k-to-out put propag ation del ay, set u p   time and hold  time [16].      5.1. D Flip-Flops De sign w i th Ga te-le ngth Bia s ing  Technique   This  part  we  analysi s  th e  leakage  po wer an d tim e  metri c  of t he D Flip -Fl op. Two  stru ctures of  D Fli p -Fl o p  are  de scrib ed in  Figu re  9, and  the  width  of transi s tors i s   also   pre s ente d , where  λ  =2 5n m at 45nm proce s s.           Figure 9. Two  Different Structures M ode l of D Flip-Flo Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Low L e a k ag e  Circuits Desi gn with Optim i zed G a te-le n g th Biasing  (Xiaohui Fa n)  2571 The l e a k ag power is sho w n i n  T able   5. The  timing  pa ramete rs  are  sho w n i n  Tabl e 6.   Due to the ho ld time remai n  0 in the desi gn, the para m eter isn’t listed in Table 6.       Table 5. Lea kage Power of  D Flip-Flo p   Output   Leakage Po w e r( pW)  C 2 MO S- FF T G - F L=50nm  L=53nm   L=50nm   L=53nm   0 0.33  0.22  0.150   0.132   1 0.09  0.08  0.085   0.076   Average   0.21  0.15  0.118   0.104   Leak-Power %    -28.57     -11.49       Table 6. Time  Characte ri stics of D Fli p -F lop     Clock-to-out time (ps)  Setup time(ps)  L=50nm  L=53nm   L=50nm   L=53nm   C 2 MOS - F F  66.496   85.881   50.566   53.318   T d %    29.15     5.86  TG-FF  41.811   48.755   35.517   36.517   T d %    16.61     1.66      It can  be  o b se rved  that  lea k ag e p o w er of  th gate-le ngth  biasi ng Fli p -Flops h a decli ned. Th e avera ge le aka ge p o wer of C 2 MOS-FF and  TG -FF with o p timized  gate - l engt h   decrea s e s  2 8 .57% and  11.49%, re spectively. Th clo c k-to-ou t  time of th e two struct ure s   increa se s 2 9 .15% an d 16. 61%, re spe c t i vely. The  se tup time of t he two st ru cture s  in crea ses  5.86% and 1. 66%, respe c tively.      5.2. A 4-bit  Binar y  Counte r   w i th Gate-l ength  Biasin g   This  pa rt we  de sign  a  4-bit bina ry co unter  usi ng D  Flip -Flo ps descri bed   in 5.1.  The   stru cture of a 4-bit bina ry count er i s  presented in Figu re 10.          Figure 10. A 4-bit Binary Counter      In Figure  10, combi nation a l  gates a s  for NAND gate  and AND gat e impleme n te d in this  desi gn are using the gate-l ength bia s ing  techniqu e.  The size of the gates is sam e  as in se ctio n   4.1. The  sim u lation i s   carried  out  with  the freq uen cy of 5M at 4 5nm p r o c e s s tech nology.  Th e   active lea k ag e power an d clo c k-to-out d e lay are p r e s ented in Tabl e 7 and Tabl e  8, resp ective ly.    The average  leaka ge po wer  of 4-bit  binary  count er u s ing  C 2 M O S and Tran smissio n   Gate D  Flip -Flops  de crea se 38.36% a nd  2 0 .05%,  res p ec tively.  At the s a me  time, the c l ock - to- out delay increase 24.43%  and 14.3 4 %, respe c tively.              Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  2565 – 2 573   2572 Table 7. Active leakage p o w er of the 4 - b i t binary cou n t ers  Output   Active leakage p o wer(fW )   C 2 MOS - counter  TG-counter   L=50nm  L=53nm   L=50nm   L=53nm   0000  254.9   167.9   169.76   134.71   0001  330.3   189.1   193  154.64   0010  309.8   181.4   164.8   129.8   0011  342.2   195.3   208.7   166.8   0100  251  169.8   169.5   134.5   0101  329.6   191.8   198.7   159.5   0110  306.3   191.4   166.6   130.9   0111  362.3   207.7   231.1   184.5   1000  253  170.2   172.1   137.4   1001  327  190.5   195.3   157.5   1010  309  185.5   167.9   133.7   1011  340  197.9   211.9   170.8   1100  253  175.8   174.6   140.2   1101  331  198.9   204.5   165.6   1110  313  203.5   177.5   141.7   1111  264  189  246.6   198  Average  304.775   187.856   190.773   152.516   Power %    -38.36    -20.05       Table 8. Clo c k-to -out Dela y of the 4-bit Binary Co unt ers    C 2 MOS - counter  TG-counter   L=50nm   L=53nm  L=50nm  L=53nm   T d (ps)  137.477   171.058   45.047   51.507   T d %    24.43   14.34       Also, the total powe r  an d p o we r-delay produ ct  (or P D P) of the 4-bit  binary count ers  are   pre s ente d  in Table 9 an d Table 10.     Table 9. Power Di ssi pation  of the 4-bit Binary Co unte r   C 2 MOS - counter  TG-counter   L=50nm   L=53nm  L=50nm  L=53nm   Power(pW )   9.9563   7.1217  4.01556  3.4107   power %    -28.47   -15.06       Table 10. PDP of the 4-bit Binary Co unt ers    C 2 MOS - counter  TG-counter   L=50nm  L=53nm   L=50nm   L=53nm   PDP*10 9 (fJ )   1368.762  1218.224   180.889   175.675   PDP %    -10.99     -2.88       The simul a tio n  results sh o w  that the tota l powe r  dissipation of the counte r s de cre a se 28.47% a nd  15.06%, resp ectively. The   PDP de cr ea ses  10.99%  a nd 2.8 8 %, re spe c tively. T he  PDP can b e  con s id ere d  a s  a quality measure fo r a swit chin g dev ice [13]. The  decrea s e in  PDP  mean s the  p e rform a n c e i n crea sing.  Th erefo r e, th e  o p timized  gate - length  bia s in g is an  effecti v e   method to im prove the pe rforman c e of circuit s     6. Conclusio n   The g a te-l en gth bia s ing  te chni que  ha discu s sed  by many  re sea r che r s. A  ne w method   to optimize the gate-l eng th is implem ented in  this work. With  the optimized gate-l eng th  (L=53n m), typical  com b in ational an d seq uentia ci rcuit s  are de veloped a n d  simulate d. The   HSPICE sim u lation re sult s sh ow  that the leakage of  combin ation a l logic ci rcuits and sequ en tial  cir c uit s   de clin ed wit h  t i me  met r ic s in cr e a sin g . Lea ka ge of ba sic lo gic gate s , 2 N AND, 2 N O R  and   2XOR, d e cre a se  27.4%, 3 3 .6% and  18. 8%, re spe c ti vely. Mean whi l e, delay of t hem in crea se 11.36%, 12.83% and 4. 57%, resp ectively. Two  stru ctures of  adder, mirror add er an d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Low L e a k ag e  Circuits Desi gn with Optim i zed G a te-le n g th Biasing  (Xiaohui Fa n)  2573 transmissio n  gate ad der decrea s e  1 3 .9% and 8. 9%. Along  with that del ay of the ad ders  increa se s 13. 12% and 6.9 2 %, resp ectiv e ly.  In addition, sequ ential  circuits like C 2 MOS D Fli p - Flop and T r ansfe r-Gate  D Flip-Fl o p  redu ce the  leakag e p o we r 28.57 % and 11.49%,  respe c tively.  At the same  time, the clock-to - out time of them raises 2 9 .15 %  and 16.6 1 %,  respe c tively. A 4-bit bina ry counte r  with  different  stru cture s  d e cli n e the total po wer  dissipati on  28.47% and  15.06%, amo ng them the leakage p o we r dissipatio n decrea s e 3 8 .36% and 20. 05% ,   respec tively.  Otherwise, the c l o ck-to-o u t  time of the 4-bit bi nary cou n ters rai s es 24.43% a n d   14.34%, re sp ectively. The  results in dica te that it  is ef fective for th e stan dby po wer dissip ation   redu ction   of   ele c tro n ic equipm ent with  the  o p timized  gate - l ength. M o re over, the  PDP i s   decrea s e d  when the sequ ential circuit s  work while  freque ncy is 5 M . It is also obvious for  sa ving   power di ssi pa tion while the  electroni c eq uipment is  wo rkin g in low-freque ncy.       Ackn o w l e dg ements   Proje c t is suppo rted  by Natio nal  Natural S c ie nce  Fou nda tion of  Chi na (No .   6127 1137 ), Scientific  Re se arch Fun d  of Zhejian g  Pro v incial Edu c a t ion Dep a rtm ent (No.Y2 01 32 9962 ), and Ni ngbo  Natural Scien c e Fo un dation (No. 2 011A61 010 2).      Referen ces   [1]  Kavita Me hta,  Neh a   Arora, B P  Sin gh.  L o w  Pow e r Efficien t D Flip Flo p   Circuit.  Proc ee din g s of the   Internatio na l Symp osi u m on  Devices MEM S , Inte llige n t Systems & Com m unic a tion. 2 0 1 1 ; 16-1 9 [2]  Ch Da ya  S ag ar T  Krishna Moorth y .   Desi g n  of a Lo w   Po w e r F lip-F l op  Using MT CMOS  T e chniq ue.   Internatio na l Journ a l of Co mputer  Ap pl icati ons & Informati on T e ch nol ogy .  2012; 1(1): 1 9 - 21.  [3]  Pune et Gupta, Puneert Sharma. Gate -Length Bi asin g  for Runtime-Leak age C o ntrol .   IEEE  T r ansactio n s o n  Co mp uter -Ai ded D e sig n  of Integrate d  Circ u its and Syste m s.  20 06; 25( 8 ) : 1475-1 4 8 5 [4]  Pune et Gupta,  Andre w   B Ka h ng,  Pu neet S h arma, De nnis   S y lv ester .   Sel e ctive Gate-L en gth Bias in g for  Cost-Effective  Runti m e Le akag e Co ntrol .  Proceed in gs  of the Des i gn  Automati o n  Co nferenc (DAC’0 4). 200 4; 7(1 1 ): 327- 3 30.   [5]  Amit  Agar w a l, Saib al Mukh op adh ya y ,   Ar ijit  R a y c ho w d h u r y Kauch i k Ro y ,   Chris H.Kim.  Leaka ge Pow e Analys is and R educti on for na nosca le Circ u it s . IEEE Computer Societ y .  2 006; 26( 2): 68- 80.   [6]  A   Agar w a l, S Mukhopa dh ya y ,  CH Kim,  A  Ra y c h o w d h u r y , K Ro y .   L eaka ge Pow e r   Analysis a n d   Red u ction: M o dels, Esti mati o n  an d T o ols.  IEE Procee di n g s on  Comp ut ers an d Di gita l   T e chniq ues.  200 5; 152( 3): 353-3 68.   [7]  Liqi on g W e i, Z han pin g  C hen,  Mark Joh n son ,  Kaushik  Ro y .   Desig n  a nd O p timi z a ti on of  Low  V o lta g e   High P e rfor ma nce Du al T h res hol d CMOS Cir cuits.  Procee di ngs of the D e si gn  Automati on  Confer enc e   (DAC’9 8). 199 8; 489-4 94.   [8]  Gang  Y a n g , Jin Liu.  An  Al g o rithm for Qu antitat ive l y  C a l c ulati ng I/Q Gain an d Phas e Mismatch.  T E LKOMNIKA  Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri ng.  2012; 1 0 (4): 8 12-8 17.   [9]  Nara n Sirisant ana, Li qio ng  W e i, Kaushik  Ro y .   Hi gh-P e rformanc e Low -Pow er CMOS  Circuits Usi n g   Multipl e  C h a n n e l L e n g th a nd  Multipl e  Oxid Thickness . Pro c eed ing  of the  Internatio na l C onfere n ce  o n   Comp uter Desi gn (ICCD’ 00).  200 0; 227- 232.   [10]  Amit  Agar w a l,  Chris H Ki m, Saibal M u kho p a d h y a y ,  Kauchik R o y .   Le akag e i n  Nan o -Scal e   T e chn o lo gies:  Mechan is ms, Impact an d  Desig n  Co n s ider ations . P r ocee din g s of  the Desig n   Automatio n  Co nferenc e, (DAC’04). 2 004; 6- 1 1 [11]  Xi X,  Du nga M,  He  J, et a l . BSIM4.6.4 MOSF ET  model user s  ma n ual.  A v ai lab l in http:// w w w - devic e.eecs.b e r kele y .  ed u/~ b sim3/bsim4. h tml .   [12]  Nare ndra SG, Chandr akas a n   A. Leaka ge in nan ometer  CMOS technol ogi es. Ne w   Y o rk: Springer 200 6.  [13]  Jan M Ra ba e y Anant ha C han drakas am, Borivoj e  Nik olic. Di gital In tegrated  Circu its:  A  Desig n   Perspectiv e , Pearso n Educ ati on, Inc,  Prentice-Hal l , Secon d  Edition. 20 03.   [14]  M Janaki Ra ni,  S Malarkann.  Leak ag e Po w e r Reducti o n  an Anal ysis of CM OS Seque ntial Circ u its.   Internatio na l Journ a l of VLSI desi gn  & Co mmu n ic ation Sys t ems (VLSICS 12).  201 2; 3(1) : 13-23.   [15]  D Harikr ishn a, NV Srikant h.  Dyn a mic Sta b il ity En ha nceme n t  of Po w e r S y stems Usin g Ne ural-N et w o r k   Contro lle d Sta t ic-Compe nsat or T E LKOMNIKA  Indo nes ian  Journ a l of El ectrical En gi ne erin g . 201 2;   10(1): 9-1 6 [16]  R Rama nar a y a nan, N V ija ykr i shna n, MJ Ir w i n.  Char acteri z i ng Dyn a m ic  an d Le akag e Po w e r Behavi o r   in Flip-Flo ps . Procee din g  of the 15th  Ann ual I EEE In ternatio nal ASIC/SOC  Confer ence. 2 002.   [17] Deja Mark ovi ć , Borivoj e  Nik oli ć , R obert W .  Broderse n.  A nalysis  an d D e sig n  of L o w - Energy F l ip- F l ops.  Procee din g  of the Internatio na l S y mp osi u m o n  Lo w  Po w e r Electronics  and Des i g n   (ISLPED’0 1). 2001; 52- 55.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.