I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute r  E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   10 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2020 ,   p p .   171 ~ 1 79   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 1 0 i 1 . pp 1 7 1 - 1 79          171       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m/in d ex . p h p /I JE C E   O pti m a l  desig n of  sy m m e tric  sw itching CM O S  inver ter  using   sy m bio tic  o rg a nis m s sea rc h alg o rit h m       Niha d Dib 1 ,  U m a r  Al - Sa mm a rr a ie 2   1 De p a rtme n t  o f   El e c tri c a l  En g in e e rin g ,   Jo rd a n   Un iv e rsity   o f   S c ien c e   a n d   T e c h n o lo g y ,   Jo rd a n   2 De p a rtme n t  o f   S o c ial  S c ien c e s,  T e c h n isc h e   Un iv e rsität  Ka ise rsla u tern ,   G e rm a n y   2 De p a rtme n t  o f   El e c tri c a l  a n d   Co m m u n ica ti o n s E n g in e e rin g ,   G e r m a n   Jo rd a n ian   Un iv e rsit y ,   Jo rd a n         Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   25 ,   2 0 1 9   R ev i s ed   J u l 3 1 ,   2 0 1 9   A cc ep ted   A u g   2 9 ,   2 0 1 9       T h is  p a p e r  in v e stig a tes   th e   o p ti m a l  d e sig n   o f   s y m m e tri c   s w it c h in g   CM OS   in v e rter  u sin g   th e   S y m b io ti c   Or g a n is m s  S e a r c h   (S OS)  a lg o rit h m .  S OS  h a s   b e e n   re c e n tl y   p ro p o se d   a s  a n   e ffe c ti v e   e v o lu ti o n a ry   g lo b a l  o p ti m iza ti o n   m e th o d   t h a t  is  in s p ired   b y   th e   s y m b io ti c   in tera c ti o n   stra teg ies   b e tw e e n   d if fe re n t  o rg a n ism s  in   a n   e c o s y ste m .   In   S OS,   t h e   th re e   c o m m o n   ty p e s  o f  s y m b io ti c   re latio n sh i p s  (m u tu a li s m ,   c o m m e n sa li s m ,   a n d   p a ra s it ism )  a re   m o d e led   u sin g   si m p le  e x p re ss i o n s,  w h ich   a re   u se d   to   f in d   t h e   g lo b a l  m in i m u m   o f   th e   f it n e ss   f u n c ti o n .   Un li k e   o th e r  o p ti m iza ti o n   m e t h o d s ,   S OS  h a s  n o   p a ra m e ters   to   b e   tu n e d ,   w h ich   m a k e s  it   a n   a tt ra c ti v e   a n d   e a s y - to - im p le m e n t  o p ti m iza ti o n   m e th o d .   He re ,   S OS  is  u se d   t o   d e sig n   a   h ig h   sp e e d   s y m m e tri c   s w it c h in g   CM OS  i n v e rter,  w h ich   is  c o n sid e re d   th e   m o st   f u n d a m e n tal  lo g ic  g a te.  S OS  re su lt s  a re   c o m p a re d   to   t h o se   o b tai n e d   u sin g   se v e r a l  o p ti m iza ti o n   m e th o d s,  li k e   p a rti c le  s w a r m   o p ti m iza ti o n   ( P S O),   g e n e ti c   a l g o rit h m   ( GA ),   d i ff e r e n ti a l  e v o lu ti o n   (DE),   a n d   o t h e r  o n e s,     a v a il a b le  in   th e   li tera tu re .   It  is  sh o w n   th a t  th e   S O S   is  a   ro b u s t  stra ig h t - f o r w a rd   e v o lu ti o n a ry   a lg o rit h m   th a t  c a n   c o m p e te  w it h   o th e r  we ll - k n o w n   a d v a n c e d   m e th o d s.   K ey w o r d s :   C MO S i n v er ter     E v o lu tio n ar y   o p ti m izatio n     S w itc h in g   ch ar ac ter i s tics   S y m b io tic  o r g an i s m s   s ea r c h   Co p y rig h t  ©   2 0 2 0   In stit u te o f  A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .    Al l  rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Nih ad   Dib ,     Dep ar t m en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   J o r d an   Un iv er s it y   o f   Scie n ce   a n d   T ec h n o lo g y ,   P .   O.   B o x   3 0 3 0 ,   I r b id   2 2 1 1 0 ,   J o r d an .   E m ail:  n i h ad @ j u s t.e d u . j o       1.   I NT RO D UCT I O N   Nee d less   to   s a y ,   th e  in v er ter   is   th e  m o s t  b asic  lo g ic  g ate   th at  p er f o r m s   a  B o o lean   o p er atio n   o n     a  s i n g le   in p u t.  I t  i s   co n s id er ed   as  t h e  m ain   co m p o n e n t  i n   t h e  d esi g n   o f   m o r e  co m p l ex   d ig ital  i n te g r ated   cir cu its   ( I C s ) .   A  C MO S   i n v er ter   co n s i s ts   o f   NM O S  a n d   P MO S  tr a n s i s to r s ,   w h er e  t h e  tr an s i s to r s ’   g eo m etr ie s   ( ch an n el  w id th   an d   len g t h )   h av e  to   b e   ca r ef u ll y   c h o s e n .   T h e  s w itc h in g   ch ar ac ter is tics   o f   th e   i n v er ter   ar e     th e  f u n d a m en tal  p ar a m e ter s   t o   ch ar ac ter ize  t h e  i n te g r ated   c ir cu its   tec h n o lo g y .   T h u s ,   to   e n s u r e  t h e  r eliab ili t y   an d   p er f o r m an ce   o f   a  C MO S   cir cu it,  th e  s w i tch in g   s p ee d   o f   th e  cir cu i t  m u s t  b e  o p ti m i z ed   v er y   ea r l y   i n     th e  d esi g n   p h a s e.   T h e  o b j ec ti v e  o f   th is   p ap er   is   to   o p ti m all y   d esi g n   a  s y m m etr ic  s w itc h i n g   C MO S  i n v er ter ,   w h ic h   is   o f   i m p o r tan ce   to   t h e   C MO S  I C   i n d u s tr y .   T h e  r ig h t  an d   ef f ec t iv e  c h o ice  o f   th e  t r an s is to r s ’   c h a n n el   w id t h s   ( W )   an d   len g t h s   ( L )   an d   th e  o u tp u t  lo ad   ca p ac itan ce   ( C L )   is   v er y   i m p o r tan t  an d   ess en tial  i n   d esig n i n g     a  C MO S  i n v er ter   w it h   s y m m etr ic  s w i tch i n g   ch ar ac ter i s t ics,  i.e ,   s y m m etr ic   o u tp u t  v o ltag e  w av e f o r m .   P er f o r m i n g   s u ch   a  tas k   b y   h a n d   tu r n s   o u t  to   b e  ted io u s   an d   ti m e  co n s u m i n g .   R ec e n tl y ,   to   m a k e  t h e  d esig n   m o r e   r eliab le  an d   f le x ib le,   d i f f er en t  e v o l u tio n ar y   o p ti m i za t io n   al g o r ith m s   h a v e  b ee n   u s e d   in   t h e  d esi g n   o f   C MO S  in v er ter   w it h   s y m m etr ic  s w itc h i n g   ch ar ac ter is tics   [ 1 - 8 ] .   I n   [ 1 ,   2 ] ,   p ar ticle  s w ar m   o p tim izatio n   ( P SO)   w a s   u s ed   in   t h e  d esi g n   o f   a  C MO S  in v er ter   h a v i n g   s y m m et r ical  w a v e f o r m   o f   o u tp u t  v o lt ag e  w it h   eq u al  r is e   ti m e   ( t r )   a n d   f a ll  t i m e   ( t f )   a n d   eq u al  p r o p ag atio n   d ela y   ti m e s   ( t pHL   an d   t pLH ) .   I n   [ 3 - 8 ] ,   B .   P .   De  et  a l   ap p lied   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2 0 2 0   :   171   -   1 79   172   s ev er al  n at u r e - i n s p ir ed   o p tim izatio n   m et h o d s   o n   t h e  d esig n   o f   s y m m etr ic  s w itc h i n g   C M OS  i n v er ter .   Sp ec if icall y ,   P SO  w it h   co n s tr ictio n   f ac to r   an d   in er tia  w ei g h t  ap p r o ac h   ( P SOC FIW A ) ,   d if f er en tial  e v o lu t io n   ( DE ) ,   cr az in ess   b ased   p ar tic le  s w ar m   o p ti m izatio n   ( C R P SO) ,   h y b r id   h ar m o n y   s ea r c h   w ith   d if f er e n tial   ev o lu tio n   ( HS - DE ) ,   P SO  w it h   ag i n g   lead er   an d   ch a llen g e r   ( AL C - P SO) ,   an d   f ir ef l y   al g o r ith m   ( F A )   w er e   ap p lied   in   [ 3 - 8 ] ,   r esp ec ti v el y .   I n   ea c h   p ap er ,   it  w as   s h o w n   th at   t h e  u s ed   o p ti m izatio n   m eth o d   g i v e s   b etter   r esu lt s   th a n   t h o s e  p r esen ted   in   [ 1 ,   2 ]   an d   th o s e  o b tain ed   u s i n g   th e  r ea l - co d ed   g en etic  al g o r ith m   ( R G A ) .     I n   th is   p ap er ,   th e  o p tim al  t r an s ie n t  b eh av io r   o f   C MO S   in v er ter   is   in v est ig ated   u s i n g   a  n e w  o p tim izatio n   m et h o d ,   th e  s y m b io tic  o r g an i s m s   s ea r ch   ( SOS)  [ 9 ] .   Sp ec if icall y ,   SO S  is   u s ed   to   f i n d     th e  o p ti m u m   v al u es  o f   th e  w id th s   a n d   len g t h s   o f   t h e  c h an n el s   o f   th e   N MO S  a n d   P MO S  tr an s i s to r s   alo n g   w it h   th e  lo ad   ca p ac ito r   th at  g iv e  s y m m etr ic  s w i tch i n g   c h ar ac ter is tics   o f   t h e  i n v er ter .   Sin ce   i ts   i n v e n tio n ,   SOS  h a s   b ee n   u s ed   in   s e v er al  o p ti m iz atio n   p r o b le m s   i n   e n g in ee r i n g .   I n   [ 1 0 ,   1 1 ] ,   SOS  h as   b ee n   ap p lied   to   s o lv e   th e  o p ti m al  p o w er   f lo w   a n d   th e   ec o n o m ic  e m is s io n   lo ad   d is p atch   p r o b le m s .   Mo r eo v er ,   SOS   h as  b ee n   s u cc e s s f u ll y   ap p lied   in   th e   o p ti m al   d esi g n   o f   l in ea r   a n d   cir cu lar   a n ten n a  ar r a y s   [ 1 2 ,   1 3 ] ,   in   s o l v i n g   t h e  lo ad   f r eq u e n c y   co n tr o l  p r o b le m   [ 1 4 ] ,   i n   s tr u ct u r e  o p ti m izat io n   p r o b lem s   [ 1 5 ] ,   in   s o lv i n g   u n c o n s tr ain ed   f u n c tio n   o p tim izatio n   [ 1 6 ] ,   in   t h e   d esi g n   o f   an   i m p r o v ed   3 D  T u r b o   C o d e  [ 1 7 ] ,  in   t h e  o p ti m al  d es i g n   o f   an a lo g   ac tiv e   f ilter s   [ 1 8 ] ,  in   th e  s y n t h esi s   o f   ellip tical  an ten n a  ar r a y s   [ 1 9 ] ,   an d   o th er   en g in ee r i n g   ar ea s   [ 2 0 - 24] .  T h e  r esu lts   in d icate d   th at  SO S  g i v es  v er y   g o o d   r esu lts   an d   is   v er y   co m p etitiv e  w it h   t h e  s tate  o f   t h e  ar t  f o r   th e  s o lu tio n   o f   th ese  p r o b le m s ,   w h ic h   m o ti v ated   th is   w o r k .   T h e  SOS  r e s u lts   w ill  b e  co m p ar ed   w it h   t h o s e  o b tain ed   u s i n g   d if f er e n t  o p ti m izatio n   m e th o d s   av ai lab le  in   th e   liter at u r e  [ 3 - 7 ] .   Mo r eo v er ,   SOS  r esu lt s   w il l  b e  co m p ar ed   w it h   th o s e  o b tain ed   b y   t h e  P SP I C E   s i m u lato r .   T h e  p ap er   is   d iv id ed   as  f o llo w s :  SO S  alg o r it h m   is   b r ief l y   d escr ib ed   in   Sectio n   2 .   T h e  in ter ested   r ea d er   m a y   co n s u lt   th e   ab o v e  r e f er en ce s   f o r   m o r e  d etails   o n   th e  SOS  a lg o r it h m .   I n   Sectio n   3 ,   th e  f o r m u lat io n   o f   th e  p r o b lem   i s   p r esen ted ,   w h ile  n u m er ical  r es u lts   a n d   d is cu s s io n   ar e  p r esen ted   in   S ec tio n   4 .   Sectio n   5   co n clu d es t h e  p ap er .       2.   SO S AL G O RI T H M     S y m b io tic  Or g an is m s   Sear c h   ( SOS)  h as  b ee n   r ec en tl y   p r o p o s ed   in   [ 9 ]   as  an   ef f ec ti v e  ev o lu tio n ar y   g lo b al  o p ti m izatio n   m e th o d .   It   is   b ased   o n   t h e  s y m b io tic  in te r ac tio n   s tr ate g ies  b et w ee n   d if f er en t  o r g an i s m s   i n   an   ec o s y s te m .   S y m b io s is   d esc r ib es th e  i n ter ac tio n   b et w ee n   d if f er e n t sp ec ie s   li v in g   to g eth er .   I n   SOS,  t he   t h r ee   m ai n   t y p e s   o f   s y m b io tic  r elati o n s h ip s   ( m u t u ali s m ,   co m m e n s alis m ,   an d   p ar asi tis m )   ar e  m o d eled   u s i n g   s i m p le   m at h e m a tical  e x p r ess io n s .  An   ex a m p le  o f   m u t u ali s m ,   in   w h ich   b o t h   o r g an i s m s   b en ef it  f r o m   s u c h     a  r elatio n s h ip ,   is   th e  in ter ac tio n   b et w ee n   b ee s   an d   f lo w er s .   An   ex a m p le   o f   co m m e n s ali s m ,   w h er e  o n e  s p ec ie s   b en ef it s   f r o m   t h e  i n ter ac tio n ,   w h i le  t h e  o t h er   d o es  n o t  g a in   o r   lo s e   a n y t h i n g ,   is   t h e  r e latio n s h ip   b et w ee n   r e m o r a  f i s h   an d   s h ar k s .   An   ex a m p le  o f   p ar asit is m ,   w h er e   th e  r elatio n s h ip   b en ef it s   o n e  s p e cies  w h ile  t h e  o th er   s p ec ies  i s   h ar m ed ,   i s   t h e  in t er ac tio n   b et w ee n   t h e  p las m o d iu m   p ar asit es   an d   h u m an s .   On e   o f   th e   m a in   ad v an ta g es   in   u s i n g   SO S  is   t h e  f ac t  t h at   it  i s   f r ee   f r o m   a n y   t u n in g   p ar a m eter s .   I n   it s   i m p le m e n tat io n ,   S OS   r eq u ir es  o n l y   co m m o n   co n tr o llin g   p ar a m eter s   li k e  p o p u la tio n   s ize  ( n u m b er   o f   o r g an is m s )   a n d   m a x i m u m   n u m b er   o f   iter atio n s .   Si m i lar   to   m o s t  e v o lu tio n ar y   o p tim izatio n   m et h o d s ,   th e  f ir s t  s tep   i n   SO S  is   to   r an d o m l y   g e n er ate     an   i n itial   p o p u latio n   o f   o r g a n i s m s   ( w h ich   is   ca lled   t h e  ec o s y s te m ) .   T h e  n u m b er   o f   g e n er ated   o r g an is m s   N   is   ca lled   th e  p o p u latio n   s ize.   T h u s ,   t h e  ec o s y s te m   i s   a n  N x D   m atr i x ,   w h er e  D   is   t h e  d i m e n s io n   o f   th e   p r o b lem   ( i.e . ,   th e  n u m b er   o f   d esi g n   v ar iab les).   An   o r g a n i s m   ( in d iv id u al )   X i   ( i=1 ,   …,   N )   w it h in   t h e  ec o s y s te m   ( p o p u latio n )   is   a  r ea l - v alu ed   v ec to r   w it h     D   ele m en t s   w h ich   r ep r esen ts   a  s i n g le  p o s s ib le   s o lu tio n   to   a  s p ec if ic   o p tim izatio n   p r o b lem .   T h e  s e co n d   s tep   is   to   as s o ciate   e ac h   o r g an i s m   X i   o f   t h e  ec o s y s te m   ( i.e . ,   ea ch   r o w   in     th e  ec o s y s te m   m atr i x )   w ith   a  ce r tain   v al u e  o f   th e  f it n es s   f u n ctio n   w h ic h   i m i tates  t h e  d eg r ee   o f   ad ap tati o n   t o   th e  d esire d   o b j ec tiv e.   Af ter w ar d s ,   n e w   s o l u tio n s   ar e  cr ea ted   b y   s i m u lati n g   th e  ab o v e  m en t io n ed   t h r ee   s y m b io tic  i n ter ac tio n s   b et w ee n   t h e   o r g an is m s   i n   t h e  ec o s y s te m .   E ac h   o r g an i s m   i n   th e  ec o s y s te m   r a n d o m l y   in ter ac ts   w i th   o t h er   o r g an is m s   th r o u g h   all  t h ese  t h r ee   p h a s es   a n d   n e w   o r g a n is m s   ar e  cr ea ted   w h ich   h a v e   b etter   f itn e s s   f u n ctio n   v al u e.   T h is   p r o ce s s   is   r ep ea ted   u n til   a  s p ec if ic  ter m i n atio n   cr iter i o n   ( e. g . ,   m ax i m u m   n u m b er   o f   iter atio n s )   is   f u l f ill ed .   I n   ea ch   iter atio n ,   ev er y   o r g an i s m   X i   ( i=1 ,   …,   N )   g o es  th r o u g h   t h e  f o llo w in g     th r ee   p h ase s :     2 . 1 .     M utua lis m   ph a s e   Firstl y ,   an o th er   o r g a n is m   X j     i s   r an d o m l y   s elec ted   to   “m u t u a ll y ”  i n ter ac t  w it h   X i .   T h en ,   X i   an d   X j   ar e   u p d ated   ac co r d in g   to   th e  f o llo w i n g   ex p r ess io n s   [ 9 ]:                                                                                                                 ( 1 )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Op tima l d esig n   o f symme tr ic  s w itch in g   C MOS   in ve r ter u s in g   s ymb io tic  o r g a n is ms s ea r ch   …  ( N ih a d   Dib )   173                                                                                                               ( 2 )     w h er e  th e  ( Mu tu a l  V ec to r )   is   th e  a v er ag e  b etw ee n   th e  t w o   in ter ac ti n g   o r g an i s m s ,   i.e . ,     ( Mu tu a l  V ec to r )   =  (  X i   +X j  )   /  2 .   I n   t h e  ab o v e  eq u atio n s ,   X best   is   th e   b est  o r g a n i s m   ( th a t  is   t h e  o n e  t h at  r es u lted   i n   th e   m in i m u m   v alu e   o f   t h e  f it n es s   f u n ct io n ) ,   a n d   r a n d ( 0 , 1 )     is   a  r a n d o m   n u m b er   in   t h e  r an g e   [ 0 ,   1 ] .   T h e  p ar am eter s   BF 1   an d   BF 2   ar e  ca lled   b en ef it  f ac to r s   w h i ch   r ep r esen t  t h e  le v el  o f   b en e f it  b et w ee n   t h e  o r g a n is m s   as  th e  o r g a n is m s   m a y   f u ll y   o r   p ar tiall y   b e n ef it  f r o m   s u c h   a  r elatio n s h ip .   T h e y   ar e  r an d o m l y   d eter m i n ed   as  eith e r   1   o r   2 .   A t  th e  e n d   o f   th e  m u t u ali s m   p h ase,   th e  n e w   o r g an i s m s   ar e  ac ce p ted ,   an d   tak e n   to   th e  n e x t  p h ase,   if   th e y   g iv e  b etter     ( th at  is   le s s )   f i tn e s s   f u n ctio n   v alu es t h a n   th eir   p r e - i n ter ac tio n   f it n ess   v al u es.      2 . 2 .     Co mm ens a li s m   p ha s e   Si m i lar   to   th e   f ir s t  p h a s e,   a n   o r g an is m   X j   is   r a n d o m l y   s e lec ted   to   in ter ac t  w i th   X i .   Ho w ev er ,   in   t h is   p h ase,   X i   tr ies  to   b en ef it  f r o m   th e  in ter ac tio n ,   w h ile  X j   its e l f   is   n o t  a f f ec ted   at  all .   T h e n,   X i   is   u p d ated   u s in g   th e  f o llo w i n g   ex p r es s io n   [ 9 ]:                                                                                     ( 3 )     T h e  ter m   ( X bes t   –   X j   )   r ef lect s   th e  b en e f i t  p r o v id ed   b y   X j   t o   X i   to   in cr ea s e  it s   d eg r ee   o f   ad ap tatio n     ( to   th e  h ig h est  d eg r ee   r ep r esen ted   b y     X best )   s u c h   th at   it   ca n   b etter   s u r v iv e  i n   th e  ec o s y s te m .   T h e   n e w   o r g an is m   X i  (n e w )    is   ad o p ted ,   a n d   tak e n   to   th e  th ir d   p h ase,   if   it  r esu lt s   in   a  b etter   f it n es s   f u n ctio n   v al u e.   I f   n o t,   th en   X i   r e m ain s   t h e  s a m e,   w h i ch   m ea n s   t h at  it d id n ’ t  g ai n   an y th in g   f r o m   s u ch   a n   i n ter ac t io n   w it h   X j .     2 . 3 .     P a ra s it is m   ph a s e   I n   th i s   last   t h ir d   p h ase,   a  n e w   v ec to r   ca lled   “ P a r a s ite  V ec to r ”  is   cr ea ted   b y   m u ta tin g   X i   in   a  r an d o m   d i m en s io n   u s i n g   a  r an d o m   n u m b er .   T h en ,   an   o r g an i s m   X j   is   r an d o m l y   s elec ted   to   s er v e  as  a  h o s t  to     th e  p ar asit e  v ec to r ,   an d   t h e  f it n es s   f u n ct io n   f o r   b o th   o r g an i s m s   i s   ev al u ated .   I f   th e  p ar asit e   v ec to r   h as  a  b etter   f it n es s ,   t h en   X j   i s   r e m o v ed   a n d   its   p o s it io n   is   tak e n   o v er   b y   th e   p ar asit e  v ec to r .   O n   t h e   o th er   h an d ,   i f   X j   h a s     a  b etter   f it n es s   v al u e,   t h en   i t  w ill  b e  i m m u n e   f r o m   t h e  p ar asit e  v ec to r ,   an d   w ill  n o t   b e  af f ec ted   b y   its   ex is te n ce .   I n   t h i s   ca s e,   t h e  p ar asit e  v ec to r   is   s i m p l y   r e m o v ed   f r o m   t h e  ec o s y s te m .   A   p s e u d o - co d e  an d     a  d etailed   d escr ip tio n   o f   th e  S OS a lg o r it h m   ca n   b e  f o u n d   in   [ 9 ] .       3.   P RO B L E M   F O R M UL AT I O N    On e  o f   t h e  m o s t  i m p o r ta n t  is s u es  i n   t h e  C MO S  in v er te r s   is   th e  s y m m etr ic  s w itch i n g   s p ee d .     I n   C MO S  i n v er ter s   cir cu it s ,   th e  s w itc h i n g   s p ee d   is   af f ec t ed   b y   th e  o u tp u t  r esi s tan ce   o f   th e  h i g h   s tate  o f     th e  P - MO S FET ,   th e  ca p ac itiv e  lo ad ,   th e  len g th   a n d   w id t h   o f   th e  P MO S  an d   th e  NM O S  ch an n el s   an d   o n   b o th     th e   in p u t  v o lta g e   V in   a n d   th e  p o w er   s u p p l y .   T h e  s w itc h i n g   s p ee d   ca n   b e  i m p r o v ed   b y   d e cr ea s in g   th e  o u tp u t   r esis ta n ce   an d   t h is   ca n   b e  d o n e  b y   i n cr ea s i n g   th e  p o w er   s u p p ly .   Ho w e v er ,   th e  lar g er   p o w e r   s u p p l y   w il l  r esu l t   in   i n cr ea s ed   p o w er   d is s ip atio n .   I n   th is   p ap er ,   th e   C M OS  in v er ter   is   o p ti m ized   to   o p er ate  at   2 . 5   V,   an d     th e  s w i tch i n g   o p er atio n   is   an al y ze d   to   d eter m i n e  t h e  r is e  an d   f all  ti m es  ( t r   an d   t f   )   an d   p r o p a g atio n   d ela y s   ( t pH L   an d   t pLH  ).   T h e  P SP I C E   s ch em atic  d iag r a m   o f   t h e  C MO S  i n v er ter   is   s h o w n   in   F ig u r e  1 ,   w h ile  t h e  in p u t  an d   th e  o u tp u t  w av e f o r m s   ar e  s h o w n   i n   Fi g u r e  2 .     As  w el l  k n o w n ,   t h e  f all   ti m e  ( t f   ) ,   is   t h e  t i m e   r eq u ir ed   f o r   t h e  o u tp u t  v o lta g e  to   d r o p   f r o m   V 90%  o f     th e  o u tp u t  v o lta g e  lev e l  d o w n   to   V 10%,   an d   th e  r is e  ti m e  ( t r  )   is   d ef in ed   as  th e  t i m e  r eq u ir ed   f o r   th e  o u tp u t   v o ltag e  to   r is e  f r o m   V 10%  to   V 9 0%.   T h e y   ca n   b e  co m p u ted   as f o llo w s   [ 3 - 8 ] :                                                    *                                                  (                     )                           +   ( 4 )                                                        [                                                          (   (                 ) )                           ]       ( 5 )     On   t h e  o t h er   h a n d ,   t h e  h i g h - to - lo w   p r o p ag atio n   d ela y   t i m e   ( t pHL   )   is   d ef i n ed   as  th e   ti m e  d ela y   b et w ee n   t h e  V 50%   tr a n s i tio n   o f   t h e  r i s i n g   in p u t  v o lta g e  a n d   th e  V 50%   tr a n s it io n   o f   t h e  f all i n g   o u tp u t  v o ltag e,           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2 0 2 0   :   171   -   1 79   174   an d   c an   b e  co m p u ted   as   [3 - 8] :                                                       *                                  (                     )            +   ( 6 )     L ast l y ,   t h e  lo w - to - h i g h   p r o p a g atio n   d ela y   ti m e   ( t pLH   )   is   d ef in ed   as  th e  ti m e  d ela y   b et w ee n   th e  V 50%   tr an s itio n   o f   th e  f alli n g   i n p u t  v o ltag e  an d   th e  V 50 %   tr an s itio n   o f   th e  r is i n g   o u tp u t  v o ltag e ,   an d   c an   b e   co m p u ted   as   [3 - 8 ] :                                                           [                                         (   (        |      | ) )            ]   ( 7 )           Fig u r e  1 .   C MO S i n v er ter   cir c u it ( as d r a w n   i n   P SIP I C E )           Fig u r e  2 .   I n p u t a n d   o u tp u t v o lt ag e  w av e f o r m s   o f   t h e  C MO S i n v er ter       T h e  co s t ( f itn es s )   f u n ctio n   to   b e  m i n i m ized   ca n   b e  w r itte n   a s   [3 - 8 ] :                              ( 8 )         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Op tima l d esig n   o f symme tr ic  s w itch in g   C MOS   in ve r ter u s in g   s ymb io tic  o r g a n is ms s ea r ch   …  ( N ih a d   Dib )   175   w h er e          | (     (       (     )   ) )                               |   | (                            )                                  |   ( 9 )       Su b j ec t   to   th e  f o llo w i n g   co n s t r ain ts :                                                                                                                                                                                                                                                                                   (     )                                                     (     )               T h u s ,   t h e  o b j ec tiv e  o f   t h e  o p ti m izatio n   is   to   g e t,  as  m u c h   as   p o s s ib le,   a  s y m m etr ic  r esp o n s e  o f     th e  in v er ter ,   s u c h   th at  t h e  f all  an d   r is e  ti m es  ar e  eq u al,   an d   th e  p r o p ag atio n   d elay s   ar e  eq u al.   T h er e  ar e  th r ee   v ar iab les  i n   t h e  o p ti m izatio n   p r o b lem ,   n a m el y ,   th e  lo ad   ca p ac itan ce   C L ,   a n d   th e  r atio   b et wee n   t h e  w id t h s   a n d   th e  len g t h s   o f   t h e  ch a n n els,               an d             .   T h u s ,   th e  d i m e n s io n   o f   th e  o p ti m izatio n   p r o b le m   is   3 .     T h e  m i n i m u m   a n d   m a x i m u m   v al u es   o f   th e   ab o v e  co n s tr ai n ts   ar e  s h o w n   i n   T ab le  1 ,   w h er e  s i m ilar   to   [ 3 - 8 ] ,     8   d if f er en t d es ig n   s et s   ar e  co n s id er ed   in   th i s   p ap er .   Mo r e o v er ,   s i m ilar   to   [ 1 - 8 ] ,   T SMC   0 . 2 5   m icr o n   f ab r icatio n   tech n o lo g y   i s   co n s id er ed ,   w h er e:  V DD =  2 . 5   V,   V tn   =   0 . 3 6 5 5   V,   V tp   =   0 . 5 4 6 6   V,              =   2 4 3 . 6   A /V 2 ,   a n d              =  5 1 . 6   A/V 2 .       T ab le  1 .   C o n s tr ain t s   v al u es  f o r   th e  8   d esig n   s ets [ 3 - 8]   D e si g n   se t   n o .   C L   ( p F )   ( W/ L ) n   ( W/ L ) p   t f   ( n s)   t r   ( n s)   t pH L   ( n s)   t pL H   ( n s)   1   0 . 2 – 4   1 . 1 – 6 . 1   2 . 8 – 1 9 . 3   1 . 1 – 13   1 . 1 – 13   0 . 5 – 10   0 . 5 – 10   2   0 . 1 – 5 . 1   1 . 6 – 7 . 1   1 . 8 – 18   1 . 1 – 15   1 . 1 – 15   0 . 5 – 8   0 . 5 – 8   3   0 . 4 7 – 2   1 . 4 – 6 . 7   3 . 2 – 38   0 . 5 – 12   0 . 5 – 12   0 . 2 – 9   0 . 2 – 9   4   0 . 1 - 1 . 1   1 . 2 – 7   1 . 5 - 1 7 . 5   0 . 5 – 5   0 . 5 – 5   0 . 2 – 4   0 . 2 – 4   5   0 . 2 – 14   1 . 9 – 5 . 0   2 . 7 – 17   0 . 7 – 6   0 . 7 – 6   0 . 4 – 5   0 . 4 – 5   6   0 . 3 – 3 . 6   1 . 3 – 3 . 5   3 . 5 – 1 6 . 2   0 . 2 5 – 7   0 . 2 5 – 7   0 . 3 – 4 . 5   0 . 3 – 4 . 5   7   0 . 2 – 4 . 9   1 . 1 – 5 . 8   2 . 2 – 2 5 . 3   0 . 5 – 6 . 6   0 . 5 – 6 . 6   0 . 2 – 7 . 7   0 . 2 – 7 . 7   8   0 . 2 – 3 . 5   0 . 3 – 7 . 6   1 . 3 – 39   0 . 3 – 6 . 6   0 . 3 – 6 . 6   0 . 1 – 4 . 4   0 . 1 – 4 . 4       4.   NUM E RICAL   R E SU L T S   Fo r   ea ch   d esig n   s et  i n   T ab l e  1 ,   SOS  co d e   w ith   p o p u lat io n   s ize= 1 0   an d   m a x i m u m   n u m b er   o f   iter atio n s = 500   is   r u n   f o r   5 0   i n d ep en d en t  ti m es.  E ac h   r u n   t o o k   ar o u n d   8   s ec o n d s   o n   an   HP   Pro B o o k   6 5 5 0 b   L ap to p   w it h   “ I n tel  C o r e  i7   C P U   M  6 2 0   @   2 . 6 7   GHz ”  an d   “ 4   GB   R A M” .  Ta b le  2   s h o w s   t h e  b est   r es u lt s   o b tain ed   u s i n g   SO S  f o r   ea ch   d esig n   s et,   w h er e  it  ca n   b e  s ee n   th at  a  s y m m etr ic  o u tp u t  wav ef o r m   i s   o b tain ed   w it h   eq u a l f all  a n d   r is e  ti m es a n d   al m o s t e q u al  p r o p ag atio n   d ela y s .  I n   T ab le  3 ,   SOS r esu lt s   ar e  co m p ar ed   w i t h   th e  b est - k n o w n   r es u lt s   f o u n d   in   t h e  li ter atu r e.   Na m el y ,   SO S  r esu lts   ar e  co m p ar ed   w ith   t h o s e  o b tain ed   u s in g   p ar ticle  s w ar m   o p ti m izatio n   w i th   co n s tr ictio n   f ac to r   an d   in er tia  w ei g h t  a p p r o ac h   ( P SOC FIW A )   [ 3 ] ,   d if f er e n tial   ev o l u tio n   ( DE )   [ 4 ] ,   cr az in ess   b ased   p ar ticl e  s war m   o p ti m izatio n   ( C R P SO)   [ 5 ] ,   h y b r id   h ar m o n y   s ea r ch   w i th   d i f f er e n tial   ev o l u tio n   ( HS - DE )   [ 6 ] ,   an d   p ar t icle  s w ar m   o p ti m izatio n   w i t h   a g i n g   lead er   an d   ch alle n g er   ( AL C - P SO)   [ 7 ] .  I t sh o u ld   b e  m en t io n ed   th at  w e   t o o k   th e  v al u e s   o f   t h e  in p u t  p ar a m eter s   ( C L ,            ,            )  f r o m   t h e  tab les  in   [ 3 - 7 ]   an d   co m p u ted   th e  co r r esp o n d in g   C F  v al u es  o u r s el v es,  as  it  is   b eliev ed   th at     th e  r ep o r ted   C F  v al u es   in   [ 3 - 7 ]   ar e  n o t  r ig h t.  E v e n   t h o u g h   S OS  d o es  n o t  g et  t h e  least  er r o r   in   all  d esi g n   s et s ,     it  d o es  co m p ete  v er y   w ell   w it h   o t h er   w ell - d ev elo p ed   m e th o d s .   I t  s h o u ld   b e  al s o   m en t io n e d   th at,   u n lik e   o th er   m et h o d s ,   SOS  is   f r ee   o f   tu n i n g   p ar am e ter s ;  o n e  h as  to   s et  th e  v alu es  o f   t h e  p o p u latio n   s ize   an d   th e  m ax i m u m   n u m b er   o f   iter atio n s   o n l y .   Mo r eo v er ,   th e  b asic  SOS  alg o r ith m   is   u s ed   h er e  w it h o u t  an y   m o d i f icatio n s ,   in   co n tr ar y   to   [ 3 ,   5 ,   7 ]   w h er e  P SO  w a s   m o d i f ied   to   o v er co m e  s o m e  o f   i ts   i n h er en t  d r a w b ac k s .   T ab le  4   s h o ws   s o m e  s tatis t ical  m ea s u r es  o f   t h e  SO S  r esu lts .   I t  ca n   b e  cle ar l y   s ee n   t h at  t h e  SOS   is   a  r o b u s t  o p ti m izat io n   m et h o d   as  it  o b tain s   a  v er y   s m al l  v al u e  f o r   th e  s tan d ar d   d ev iatio n   ( co m p ar ed ,   f o r   ex am p le,   w i th   t h e  o n e  r ep o r ted   in   [ 5 ]   u s in g   C R P SO) .   Fig u r e  3   s h o w s   t h e  co n v er g en ce   c u r v e  f o r   th e  d e s ig n   s et  n u m b er   8   w h ic h   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2 0 2 0   :   171   -   1 79   176   o b tain s   t h e  lea s t  v al u e  f o r   C F.   Ver y   g o o d   co n v er g e n ce   is   r e ac h ed   w it h i n   o n l y   1 0 0   iter atio n s .   Fig u r e  4   s h o w s   box - an d - w h is k er   p lo t  f o r   th e   s a m e   d esig n   s et.   I n   t h is   f i g u r e,   m ed ian   ( m id d le  o f   d ataset)   is   r ep r esen ted   b y     th e  r ed   li n e,   i.e . ,   5 0 %   o f   th e   d ata  ar e  lar g er   th a n   th i s   v al u e .   Up p er   an d   lo w er   en d s   o f   th e   b o x   r ep r esen t    th e  7 5 th   an d   2 5 t h   p er ce n ti les,   i.e . ,   2 5 %  o f   th e   d ata  ar e  lar g er   th a n   t h e  u p p er   en d ,   w h ile  2 5 %  o f   t h e  d ata  ar e   less   th a n   th e   lo w er   en d .   T h e   d if f er en ce   b et w ee n   th e   u p p er   an d   lo w er   e n d s   o f   t h e  b o x   ( i.e . ,   th e  le n g th   o f     th e  b o x )   is   k n o w n   as  th e   “ i n ter q u ar tile  r an g e  ( I Q R ) ”.   T h e  w h i s k er s   ar e  l in e s   e x te n d in g   f r o m   t h e   e n d s   o f     th e  b o x   to   s h o w   t h e  e x te n t  o f   th e  r est  o f   t h e  d ata.   T h e  en d   o f   th e  u p p er   w h i s k er   i n d icate s   t h e  lar g e s t  v al u e  i n     th e  d ata s et  ( e x clu d i n g   u p p er   o u tlier s ) ,   w h ile   th e   e n d   o f   th e  lo w er   w h is k er   i n d icate s   th e   s m alles t  v al u e  i n     th e  d ataset  ( ex cl u d in g   lo w er   o u tlier s ) .   Ou tlier s   ar e  d ata  w it h   v alu e s   b e y o n d   th e  e n d s   o f   th e  w h is k er s ,   an d   ar e  i n d icate d   w it h   r ed   “ +”   s i g n .   An   o u tl ier   is   an y   v al u e  t h at  lie s   m o r e  t h an   o n e  a n d   a  h alf   t i m e s   t h e  len g t h  o f   th e  b o x   f r o m   eit h er   en d   o f   t h e  b o x .       T ab le  2 .   SOS r esu lts   D e si g n   se t   n o .   C L   ( p F )   ( W/ L ) n   ( W/ L ) p   t f   ( n s)   t r   ( n s)   t pH L   ( n s)   t pL H   ( n s)   CF   ( p s)   1   0 . 7 4 2 8   3 . 4 9 7 8 3   1 8 . 6 7 5 5 6   1 . 1 7 8 5   1 . 1 7 8 5   0 . 5   0 . 5 1 8 3 5   1 8 . 3 5   2   0 . 7 1 5 9 3   3 . 3 7 1 3   18   1 . 1 7 8 5   1 . 1 7 8 5   0 . 5   0 . 5 1 8 3 5   1 8 . 3 5   3   0 . 6 0 3 6 6   6 . 7   3 5 . 7 7 2 5 5   0 . 5   0 . 5   0 . 2 1 2 1 3   0 . 2 1 9 9 2   7 . 7 9   4   0 . 1 0 8 1 2   1 . 2   6 . 4 0 7 0 2   0 . 5   0 . 5   0 . 2 1 2 1 3   0 . 2 1 9 9 3   7 . 7 9   5   0 . 3 2 2 7 9   1 . 9   1 0 . 1 4 4 4 5   0 . 9 4 2 8   0 . 9 4 2 8   0 . 4   0 . 4 1 4 6 9   1 4 . 6 8   6   0 . 3 8 6 6   3 . 0 3 4 1 7   1 6 . 2   0 . 7 0 7 1   0 . 7 0 7 1   0 . 3   0 . 3 1 1 0 1   1 1 . 0 1   7   0 . 4 2 6 8 7   4 . 7 3 7 8 2   2 5 . 2 9 6 1 1   0 . 5   0 . 5   0 . 2 1 2 1 3   0 . 2 1 9 9 2   7 . 7 9   8   0 . 3 9 4 8 7   7 . 3 0 4 4 8   39   0 . 3   0 . 3   0 . 1 2 7 2 8   0 . 1 3 1 9 5   4 . 6 7       T ab le  3 .   C o m p ar is o n   o f   SOS - o b tain ed   CF   v al u es ( in   p s )   w it h   o th er   m e th o d s   i n   th e  li ter atu r e.     T h e  least  CF   v al u e  is   i n   b o ld f ac e   D e si g n   se t   n o .   S O S   C R P S O   [ 5 ]   R G A   [ 5 ]   HS - DE   [ 6 ]   PSO - C F I W A     [ 3 ]   D E    [ 4 ]   A L C - PSO   [ 7 ]   1   1 8 . 3 5   3 1 . 8 4   6 5 . 7 7   1 7 . 7 4   1 8 . 2 6   3 7 . 2 6   1 7 . 8 3   2   1 8 . 3 5   3 5 . 0 6   7 5 . 0 9   1 7 . 9 2   1 8 . 1 7   3 9 . 5   1 7 . 8 5   3   7 . 7 9   1 5 . 3 7   7 7 . 5 4   7 . 8 1   7 . 7 9   1 6 . 0 1   7 . 8   4   7 . 7 9   1 5 . 1 2   3 6 . 8 3   7 . 7 9   7 . 7 9   1 2 . 8 1   1 3 . 6 8   5   1 4 . 6 8   3 0 . 0 4   6 9 . 2 8   1 4 . 1 9   1 4 . 4 6   4 2 . 1 3   1 4 . 1 9   6   1 1 . 0 1   2 0 . 5 9   7 0 . 9 2   2 2 . 9 5   1 1 . 5 3   2 3 . 5 8   1 0 . 9 6   7   7 . 7 9   8 . 8 4   6 9 . 2 5   7 . 8 1   7 . 9   1 5 . 9 7   7 . 7 9   8   4 . 6 7   7 . 9 1   6 8 . 7 8   4 . 6 7   4 . 6 7   9 . 3 5   4 . 6 7       T ab le  4 .   Statis tics   o f   SO S C F v alu e s   o u t o f   5 0   r u n s   f o r   ea ch   s et     Set   1   Set   2   Set   3   Set   4   Set   5   Set   6   Set   7   Set   8   Set   8   (CRPSO )   [ 5 ]   Mi n i m u m  (p s )   1 8 . 3 5 3 8   1 8 . 3 5 3 8   7 . 7 8 6 9 5   7 . 7 8 6 9 5   1 4 . 6 8 3   1 1 . 0 1 2 2 7   7 . 7 8 6 9 5   4 . 6 7 2 1 7   5 . 2 5 9 4   Max i m u m  ( p s )   1 8 . 5 3 7   1 8 . 8 6 2 8   7 . 8 4 7   7 . 8 8 8 3 3   1 4 . 8 5 4 8   1 1 . 0 4 9 8 3   7 . 9 7 5 8 6   4 . 7 6 0 5 6   1 5 . 3 4 3 2   Mea n   ( p s )   1 8 . 3 8 5 3   1 8 . 3 8 1 5   7 . 7 9 4 3   7 . 7 9 8 3   1 4 . 6 9 5 8   1 1 . 0 1 9 0 3   7 . 8 1 2 0 8   4 . 6 8 1 9 6   1 0 . 0 5 7 2   St a n d ar d   d ev i at i o n   ( x   1 0 - 14 )   ( s )   4 . 1 5 4 8   7 . 9 9 7 7   1 . 3 1 7 4   1 . 9 5 9 5   2 . 6 6 4 1 3   0 . 8 9 9 5 2   3 . 6 8 4   1 . 5 3 9 4 6   1 0 8 . 1 5       T h e  0 . 2 5   m icr o n   C M OS  i n v e r ter   cir cu it  i s   s i m u lated   u s i n g   th e   n e w   v er s io n   o f   P SP I C E   ( V  1 7 . 7 ) .     T h e  r esu lts   o f   eig h t  d if f er e n t   d esig n   s et  ar e  o b tain ed   an d   s h o w n   i n   T ab le  5 ,   co n s id er i n g   t h e  s a m e  SO S   o p tim ized   v alu e s   as  s h o w n   i n   T ab le   2   o f   th e  i m p o r tan t  p ar am eter s ,   o u tp u t  lo ad   ca p ac ito r   an d   th e  g eo m etr y   o f   th e  tr an s is to r ,   as  in p u ts   f o r   P SP I C E   s i m u latio n .   Fi g u r es  5   an d   6   s h o w s   th e  t i m in g   d iag r a m s   f o r   th e  r i s e  an d   f all  ti m es  a n d   th e  p r o p ag atio n   d elay   ti m es,  r esp ec ti v el y ,   f o r   d esig n   s et  n u m b er   8   u s i n g   P SP I C E   s i m u latio n .     A   r ea s o n ab le  s i m ilar it y   b et w e en   t h e  SO S r esu lts   i n   T ab le  2   an d   P SP I C E   r esu lts   in   T ab le  5   f o r   th e  r i s e  an d   f all   ti m e s   ca n   b e  o b s er v ed .   Ho w e v er ,   lar g er   g r o u p   d ela y s   ar e  p r ed icted   u s in g   P SP I C E .   T h is   is   d u e  to   th e  f ac t  t h at   m o r e  co m p lex   e x p r ess io n s   ar e   u s ed   i n   P SP I C E   to   ev alu a te  t h e  r is e  a n d   f al l  ti m es  a n d   th e  p r o p ag atio n   d ela y s ,   w h ile  s i m p le  ap p r o x i m a te  e x p r ess io n s   ar e  u s ed   h er e  as s u m i n g   lo n g   c h an n el   tr an s is to r s   an d   an   id ea l  s tep   i n p u t   v o ltag e.   Si m i lar   o b s er v atio n   h as  b ee n   n o ted   in   [ 3 - 7 ] .   C lea r l y ,   th ese  ap p r o x i m ate  ex p r es s io n s   u n d er est i m a te  th e  p r o p ag atio n   d ela y s ,   a n d   th u s ,   w e  ar e  n o w   e x p lo r in g   t h e  u s e   o f   m o r e  co m p lex   ex p r ess io n s ,   li k e     th e  i m p r o v ed   o n e s   v er y   r ec e n t l y   p r o p o s ed   in   [ 2 5 ].   I t is  w o r t h   m e n tio n in g   t h at  P SP I C E   r esu lts   ar e  o b tain ed   u s i n g   V1 7 . 7   w it h   th e  f o llo w in g   s e t tin g s :   a.     Si m u latio n   p r o f ile:   An al y s i s   t y p e  =  T r an s ien t   T S T OP :  8   s ec o n d s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Op tima l d esig n   o f symme tr ic  s w itch in g   C MOS   in ve r ter u s in g   s ymb io tic  o r g a n is ms s ea r ch   …  ( N ih a d   Dib )   177   Star t sav i n g   d ata  af ter : 0   s ec o n d s   Ma x i m u m   s tep   s ize:  1 m s   SKI P B P : t r u e   A ll  o t h er   s i m u latio n   p ar a m ete r s   ar e  lef t  to   t h eir   d ef a u lt   v alu es  ( R E L T OL ,   VNT OL ,   A B ST OL ,  C HGT OL ,   GM I N,   I T L 1 ,   I T L 2 ,   I T L 4 ,   T N OM ,   T HR E A DS,  Sp e ed   lev el,   SKI P B P ) .   b .   C MO S  tec h n o lo g y   u s ed :  Mb r ea k P   an d   Mb r ea k N  to   s i m u late  t h e  0 . 2 5   μ m   T SMC   f a b r icatio n   tech n o lo g y   w it h   t h e  p ar a m eter s   m e n tio n e d   in   th e  p ap er   ( μ n   C ox , V tn , V tp ,   ( W /L ) n ,   ( W /L ) p ).   c.     I n p u t so u r ce : ( VP UL SE)   s o u r ce   w ith   t h e  f o llo w in g   ch ar ac ter is tics :   V1   =  0 ; V 2   =  2 . 5   =  VDD;  T D  =  0 ;  T R   =  1   n ; T F =   1   n ; P W   =  1 ; P E R   =  2             Fig u r e  3 .   C o n v er g en ce   c u r v e  f o r   th e  SOS r esu lts   f o r   th e  d esi g n   s et  n u m b er   8     Fig u r e  4 .   B o x - an d - w h is k er   p lo t f o r   th e  SOS r es u lt s   f o r   d esig n   s et  n u m b er   8       T ab le  5 .  P SP I C E   r esu lts   u s in g   Vin   “ Hi g h ”  =  V DD   D e si g n   se t   n o .   C L   ( p F )   ( W/ L ) n   ( W/ L ) p   t f   ( n s)   t r   ( n s)   t pH L   ( n s)   t pL H   ( n s)   CF   ( n s)   1   0 . 7 4 2 8   3 . 4 9 7 8 3   1 8 . 6 7 5 5 6   1 . 3 5 5 2 4   0 . 9 6 9 1 6 7 8 6   1 . 1 9 6 6   1 . 1 1 6 6   0 . 4 6 6 0 7   2   0 . 7 1 5 9 3   3 . 3 7 1 3   18   1 . 3 5 5 2 4   0 . 9 6 9 1 6 7 4 1   1 . 0 9 7 1   1 . 1 6 2 7   0 . 4 5 1 6 7   3   0 . 6 0 3 6 6   6 . 7   3 5 . 7 7 2 5 5   0 . 7 6 7 0 3 5 6 9   0 . 6 4 5 7 5 3 8 9   0 . 8 8 7 3 4 8   0 . 6 0 2 4 6 7   0 . 4 0 6 1 6   4   0 . 1 0 8 1 2   1 . 2   6 . 4 0 7 0 2   0 . 7 6 7 0 4 2 2 7   0 . 6 4 5 7 5 7 6 7   0 . 9 1 4 8 3 0   0 . 6 2 7 8 3 2   0 . 4 0 8 2 8   5   0 . 3 2 2 7 9   1 . 9   1 0 . 1 4 4 4 5   1 . 1 5 7 9 0   0 . 8 3 5 1 1 8 2 0   1 . 0 6 4 5   0 . 7 1 5 3 1 6   0 . 6 7 1 9 7   6   0 . 3 8 6 6   3 . 0 3 4 1 7   1 6 . 2   1 . 0 0 2 5 6   0 . 7 0 4 6 8 6 3 1   0 . 9 6 1 7 3 9   0 . 6 7 3 2 2 4   0 . 5 8 6 3 9   7   0 . 4 2 6 8 7   4 . 7 3 7 8 2   2 5 . 2 9 6 1 1   0 . 7 6 7 0 3 5 3   0 . 6 4 5 7 5 3 8 9   0 . 8 7 8 6 8 9   0 . 5 6 6 0 9 9   0 . 4 3 3 8 7   8   0 . 3 9 4 8 7   7 . 3 0 4 48   39   0 . 6 7 9 7 8 2   0 . 6 6 8 8 5 3   0 . 7 9 5 6 4 4   0 . 5 1 2 0 2 6   0 . 2 9 4 5 5             Fig u r e  5 .  Fall   ti m e  a n d   r is e  ti m e  ti m i n g   d ia g r a m s   o b tain ed   u s i n g   P SP I C E   f o r   d esig n   s e t 8   0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 - 1 1 4 - 1 1 3 - 1 1 2 - 1 1 1 - 1 1 0 - 1 0 9 - 1 0 8 - 1 0 7 - 1 0 6 - 1 0 5 - 1 0 4 X :   9 7 Y :   - 1 1 3 . 3 i t e r a t i o n f i t n e ss  f u n ct i o n   va l u e ,   J 4 . 6 7 4 . 6 8 4 . 6 9 4 . 7 4 . 7 1 4 . 7 2 4 . 7 3 4 . 7 4 4 . 7 5 4 . 7 6 C a s e   3 ,   s e t   8 C F   va l u e   ( p s) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2 0 2 0   :   171   -   1 79   178       5.   CO NCLU SI O N   I n   th is   p ap er ,   SOS  al g o r ith m   w a s   u s ed   in   th e   o p ti m al  d es i g n   o f   a  C MO S   in v er ter   w it h   s y m m etr ic   s w itc h in g   c h ar ac ter is tic s .   S OS  r es u lts   w er e  co m p ar ed   w i th   th o s e  o b tai n ed   u s in g   o th er   ev o l u tio n ar y   o p tim izatio n   m et h o d s   av ailab le  in   t h e  liter atu r e.   T h e   co m p ar is o n   s h o w ed   th at  SO S  is   a  r o b u s t,  s i m p le,   a n d   f ast   co n v er g i n g   m et h o d .   Fo r   all  8   d esi g n   s e ts ,   SOS   m e t h o d   p er f o r m ed   v er y   w e ll,  wh ich   clea r l y   s h o w s     th e  e f f ec ti v en e s s   o f   t h e  SO S  m e th o d .   A s   m en tio n ed   b ef o r e ,   co m p ar ed   to   o th er   m et h o d s ,   SOS   h a s     th e  ad v an tag e  o f   b ein g   f r ee   o f   tu n i n g   p ar am e ter s ;  o n e  j u s t  n ee d s   to   s et  th e  v alu e s   o f   th e  p o p u latio n   s ize  an d   th e  m a x i m u m   n u m b er   o f   iter at io n s .       ACK NO WL E D G E M E NT S   T h is   r esear ch   w as  p ar t  o f   t h e   s ab b atica l  leav e  o f   t h e  f ir s t  au th o r   w h ic h   w a s   s u p p o r ted   b y   J o r d an   Un i v e r s it y   o f   Scien ce   a n d   T ec h n o lo g y ,   I r b id ,   J o r d an .   T h e  au th o r s   ac k n o w led g e  th e  h elp   o f   late  Dr .   B .   E l - A s ir   w it h   t h e  P SP I C E   s i m u latio n s .       RE F E R E NC E S   [1 ]   R.   Vu ra l,   O.  De r,   a n d   T .   Yild ir i m ,   “ In v e stig a ti o n   o f   p a rti c le  s w a rm   o p ti m iz a ti o n   f o r  sw it c h in g   c h a ra c teriz a ti o n   o f  in v e rter d e sig n ,”   Exp e rt.  S y st.   Ap p l. ,  v o l.   3 8 ,   p p .   5 6 9 6 – 5 7 0 3 ,   2 0 1 1 .   [2 ]   R.   V u ra l,   O.  De r,   a n d   T .   Yild i rim ,   “ P a rti c le  sw a r m   o p ti m iz a ti o n   b a se d   in v e rter  d e sig n   c o n sid e rin g   tran sie n t  p e rf o r m a n c e ,”   Dig it a l  S ig n a l   Pro c e ss ., v o l.   2 0 ,   p p .   1 2 1 5 – 1 2 2 0 ,   2 0 1 0 .   [3 ]   B.   P .   De ,   R.   Ka r,   D.  M a n d a l,   a n d   S .   P .   G h o sh a l,   “ De sig n   o f   s y m m e tri c   s w it c h in g   C M OS  in v e rter     u sin g   P S OCFIW A , ”   2 0 1 4   In te rn a ti o n a l  Co n fer e n c e   o n   Co m mu n ica t io n s  a n d   S i g n a l  Pro c e ss in g   ( ICCS P ) ,     p p .   1 8 1 8 - 1 8 2 4 ,   2 0 1 4 .   [4 ]   B.   P .   De ,   R.   Ka r,   D.  M a n d a l,   a n d   S .   P .   G h o sh a l,   “ Op ti m a l  CM OS  in v e rter  d e sig n   u sin g   d iff e re n ti a l  e v o lu ti o n   a lg o rit h m ,”   J o u rn a l  o f  El e c trica l  S y ste ms   a n d   In f o rm a ti o n   T e c h n o l o g y , v o l .   2 ,   n o .   2 ,   p p .   2 1 9 - 2 4 1 ,   2 0 1 5 .   [5 ]   B.   P .   De ,   R.   Ka r,   D.  M a n d a l,   a n d   S .   P .   G h o sh a l ,   “ Op ti m a l  h ig h   sp e e d   CM OS  in v e rter  d e sig n   u si n g   c ra z in e ss   b a se d   P a rti c le S w a rm   Op ti m iza ti o n   A lg o rit h m ,”   Op e n   E n g . ,   v o l.   5 ,   p p .   2 5 6 – 2 7 3 ,   2 0 1 5 .   [6 ]     B.   P .   De ,   R .   Ka r,   D.   M a n d a l,   a n d   S .   P .   G h o sh a l,   “ Op ti m a l  d e sig n   o f   h ig h   sp e e d   sy m m e tri c   s w i tch in g   CM O S   in v e rter  u sin g   h y b rid   h a rm o n y   se a rc h   w it h   d if f e re n ti a l  e v o lu ti o n ,”   S o ft   C o mp u ti n g ,  v o l.   2 0 ,   n o .   9 ,   p p .   3 6 9 9 - 3 7 1 7 ,   S e p .   2 0 1 6 .   [ 7 ]   B.   P .   De ,   R.   Ka r,   D.  M a n d a l,   a n d   S .   P .   G h o sh a l ,   “ P S O  w it h   a g in g   lea d e r  a n d   c h a ll e n g e rs  f o r  o p ti m a l  d e sig n   o f   h ig h   sp e e d   sy m m e tri c   s w it c h in g   CM OS  in v e rter ,”   In ter n a ti o n a l  J o u r n a l   o f   M a c h i n e   L e a r n in g   a n d   Cy b e rn e ti c s ,  v o l.   8 ,   no.   4 ,   p p .   1 4 0 3 – 1 4 2 2 ,   A u g   2 0 1 7 .   [8 ]   B.   P .   De ,   R.   Ka r,   D.  M a n d a l,   a n d   S .   P .   G h o sh a l,   “ De sig n   o f   O p ti m a l  CM OS  In v e rter  f o r  S y m m e tri c   S w it c h in g   Ch a ra c teristics   Us in g   F iref l y   A l g o rit h m   w it h   Wav e let  M u tatio n ,”   In ter n a ti o n a l  J o u rn a l  o f  S wa r m  In telli g e n c e   Res e a rc h   ( IJ S IR) ,   v o l.   5 ,   n o .   2 ,   p p .   2 9 - 6 4 ,   2 0 1 4 .     [9 ]   M .   C h e n g   a n d   D.  P ra y o g o ,   “ S y m b io ti c   o rg a n ism   se a rc h :  a   n e w   m e tah e u risti c   o p ti m iza ti o n   a lg o rit h m ,”   Co mp u ter s   a n d   S tr u c tu re s ,  v o l.   1 3 9 ,   p p .   9 8 - 1 1 2 ,   J u l .   2 0 1 4 .   [1 0 ]   S .   Du m a n ,   “ S y m b io ti c   o rg a n ism s   se a rc h   a lg o rit h m   f o r  o p ti m a l  p o w e r  f lo w   p ro b lem   b a se d   o n   v a lv e - p o i n t  e f f e c t  a n d   p ro h ib it e d   z o n e s ,”   Ne u ra l  C o mp u ti n g   a n d   A p p li c a ti o n s ,  v o l.   2 8 ,   n o.   1 1 ,   p p .   3 5 7 1 – 3 5 8 5 ,   No v .   2017.         Fig u r e  6 .   P r o p ag atio n   d ela y s   t i m i n g   d ia g r a m s   o b tain ed   u s in g   P SP I C E   f o r   d esig n   s et  8   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Op tima l d esig n   o f symme tr ic  s w itch in g   C MOS   in ve r ter u s in g   s ymb io tic  o r g a n is ms s ea r ch   …  ( N ih a d   Dib )   179   [1 1 ]   M .   Do so g lu ,   U.  G u v e n c ,   S .   Du m a n ,   Y.  S o n m e z ,   a n d   H.  K a h ra m a n ,   “ S y m b io ti c   o rg a n is m s   se a r c h   o p ti m iza ti o n   a lg o rit h m   f o r  e c o n o m ic/e m issio n   d is p a tch   p r o b lem   in   p o w e r  s y ste m s ,”   N e u ra l  Co mp u ti n g   a n d   Ap p li c a t io n s ,    v o l.   2 9 ,   n o.   3 ,   pp .   721 – 7 3 7 ,   F e b .   2 0 1 8 .   [1 2 ]   N.  Dib ,   “ De sig n   o f   li n e a r  a n t e n n a   a rra y s  w it h   lo w   sid e   lo b e s  lev e l  u sin g   s y m b io ti c   o rg a n ism s  se a rc h ,”     Pro g .   El e c tro ma g n .   Res .   B , v o l.   6 8 ,   p p .   5 5 - 7 1 ,   2 0 1 6 .   [1 3 ]   N.  Dib ,   “ De sig n   o f   P lan a r  Co n c e n tri c   Circu lar  A n ten n a   A rra y s  Wi th   Re d u c e d   S id e   L o b e s  L e v e l  U sin g   S y m b io ti c   Org a n is m s S e a rc h , ”   Ne u ra l  Co m p u ti n g   a n d   A p p li c a ti o n s ,  v o l.   3 0 ,   n o .   1 2 ,   p p .   3 8 5 9 - 3 8 6 8 ,   De c .   2 0 1 8 .   [1 4 ]   D.  G u h a ,   P .   Ro y ,   a n d   S .   B a n e rj e e ,   “ S y m b io ti c   o r g a n is m   s e a rc h   a lg o rit h m   a p p li e d   to   lo a d   f re q u e n c y   c o n tro l  o f   m u lt i - a re a   p o w e r  s y ste m ,”   En e rg y   S y st ,  v o l.   9 ,   n o.   2 ,   p p .   4 3 9 – 4 6 8 ,   M a y   2 0 1 8 .     [ 1 5 ]   G.  T e jan i,   V .   S a v sa n i,   a n d   K.  V i v e k ,   “ A d a p ti v e   s y m b io ti c   o rg a n ism s  se a rc h   (S OS)  a lg o rit h m   f o r  st ru c tu ra l  d e sig n   o p ti m iza ti o n ,”   J o u rn a l  o f  Co m p u t a ti o n a l   De sig n   a n d   E n g in e e rin g ,  v o l.   3 ,   p p .   2 2 6 – 2 4 9 ,   2 0 1 6 .   [1 6 ]   S.  Na m a ,   A .   S a h a ,   a n d   S .   G h o sh ,   “ Im p ro v e d   s y m b io ti c   o rg a n ism s  se a r c h   a lg o rit h m   f o r  so lv in g   u n c o n stra in e d   f u n c ti o n   o p t im iza ti o n ,”   De c isio n   S c ien c e   L e tt e rs , v o l.   5 ,   p p .   3 6 1 – 3 8 0 ,   2 0 1 6 .   [1 7 ]   S.  Ba n e rjee ,   a n d   S .   C h a tt o p a d h y a y ,   “ P o w e r  Op ti m iza ti o n   o f   Th re e   Dim e n sio n a l  T u rb o   C o d e   Us in g   a   No v e l   M o d if ied   S y m b io ti c   Org a n is m   S e a rc h   (M S OS)  A lg o rit h m ,”   W ire le ss   Per s Co mm u n ,  v o l .   9 2 ,   p p .   9 4 1 – 9 6 8 ,   2 0 1 7 .   [1 8 ]   N.   Dib   a n d   B.   El - As ir,   “ Op ti m a l  De sig n   o f   A n a lo g   A c ti v e   F il ters   Us in g   S y m b io ti c   Org a n is m s  S e a rc h , ”   In tern a ti o n a l   J o u rn a l  o f  Nu me ric a l  M o d e ll i n g :  El e c tro n ic Ne two rk s,  De v ice s a n d   Fi e ld s ,  v o l .   3 1 ,   n o .   5 ,   p p .   1 - 1 5 ,   S e p .   2 0 1 8 .   [1 9 ]   N.  Dib ,   A .   Am a ireh ,   a n d   A .   Al - Zo u b i,   “ On   th e   Op ti m a l  S y n th e sis  o f   El li p ti c a l  A n ten n a   A rra y s,”  In t.   J .   o f   El e c tro n ics ,  v o l.   1 0 6 ,   n o .   1 ,   p p .   1 2 1 - 1 3 3 ,   Ja n .   2 0 1 9 .   [2 0 ]   G .   T e jan i,   N.  P h o ld e e ,   S .   Bu re e ra t,   D.  P ra y o g o ,   a n d   A .   Ga n d o m i ,   “ S tru c tu ra l  o p ti m iza ti o n   u sin g   m u lt i - o b jec ti v e   m o d if ied   a d a p ti v e   s y m b io ti c   o rg a n ism s se a rc h , ”   Exp e rt S y ste ms   wit h   Ap p li c a ti o n s , v o l.   1 2 5 ,   p p .   4 2 5 - 4 4 1 ,   2 0 1 9 .   [2 1 ]   D.  P ra y o g o ,   a n d   C.   Ku su m a ,   “ Op ti m i z a ti o n   o f   re so u rc e   l e v e li n g   p ro b lem   u n d e r  m u lt ip le  o b jec ti v e   c rit e ria  u sin g     a   s y m b io ti c   o rg a n ism s se a rc h , ”   Civil  En g in e e rin g   Dime n si on ,  v o l.   2 1 ,   p p .   4 3 - 4 9 ,   2 0 1 9 .   [2 2 ]   G .   T e jan i,   N.  P h o ld e e ,   S .   B u re e ra t,   a n d   D.   P ra y o g o ,   “ M u lt i o b jec ti v e   a d a p ti v e   s y m b io ti c   o rg a n ism s  se a rc h   f o r  tru ss   o p ti m iza ti o n   p ro b lem s,”  Kn o wled g e - b a se d   sy ste ms ,  v o l.   1 6 1 ,   p p .   3 9 8 - 4 1 4 ,   2 0 1 8 .   [2 3 ]   D.  P ra y o g o ,   M .   Ch e n g ,   F .   W o n g ,   D.  T jan d ra ,   a n d   Du c - Ho c   T ra n ,   “ Op ti m iza ti o n   m o d e l  f o r   c o n stru c ti o n   p ro jec t   re so u rc e   lev e li n g   u sin g   a   n o v e l  m o d if ied   s y m b io ti c   o rg a n ism s se a r c h , ”   Asia n   J o u rn a l  o f  Civil  En g in e e rin g ,  v o l.   1 9 ,   pp.   6 2 5 - 6 3 8 ,   2 0 1 8 .   [2 4 ]   D.  P ra y o g o ,   M in - Yu a n   C h e n g ,   a n d   H.  P ra y o g o ,   “ A   n o v e l  im p le m e n tatio n   o f   n a tu re - i n sp ired   o p ti m iza ti o n   f o r  c iv il   e n g in e e rin g :  a   c o m p a ra ti v e   stu d y   o f   s y m b io ti c   o rg a n is m s  se a r c h , ”   Civil  En g in e e rin g   Dime n sio n ,  v o l.   1 9 ,   n o .   1 ,     p p .   3 6 - 4 1 ,   2 0 1 7 .   [ 25 ]   E.   Zaf a rk h a h ,   M .   M a y m a n d i - Ne jad ,   a n d   M .   Zare ,   “ Im p ro v e d   a c c u ra c y   e q u a ti o n   f o r  p ro p a g a ti o n   d e l a y   o f   a   CM OS   in v e rter  in   a   sin g le  e n d e d   rin g   o sc il lato r, ”   In ter n a ti o n a l  J o u rn a l  o f  El e c tro n ics   a n d   Co mm u n i c a ti o n s  ( AE Ü) ,    v o l.   7 1 ,   p p .   1 1 0 – 1 1 7 ,   Ja n .   2 0 1 7 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.