設計技術から見た 半導体集積回路の省電力技術 -...

40
設計技術から見た 半導体集積回路の省電力技術 東京大学 大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC) 1 生産技術研究所 2 高宮 STRJ WS: March5, 2009, 特別講演

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Page 1: 設計技術から見た 半導体集積回路の省電力技術 - …semicon.jeita.or.jp/STRJ/STRJ/2008/5F_tokubetu.pdf3次元SSDのNANDフラッシュ向け昇圧回路 に よる低電力化

設計技術から見た半導体集積回路の省電力技術

東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC)1

生産技術研究所2

高宮 真

STRJ WS: March5, 2009, 特別講演

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2

Outline低電力設計技術の動向(1)低電圧、(2)細粒度制御、(3)3次元

ロジック回路の電源電圧の下限(VDDmin)

細粒度基板バイアス制御による低電力化

3次元SSDのNANDフラッシュ向け昇圧回路に

よる低電力化(SSD: Solid State Drive)

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3

電源電圧(VDD)の低減の必要性

■ 90nm→65nm→45nmとVDD=1Vが続いたが、今後は電力と信頼性の観点から、VDDの低減が必須

年2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

Low-power logic

High-performance logic

302010

0

405060

Design rule

DR

AM

hal

f pitc

h (n

m)

電源

電圧

(V)

ITRS2007

研究のターゲット

Pswitching ∝ ƒVDD2

Pleakage ∝ IleakageVDD

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4

エネルギー効率最適は低VDDで実現

Power, Delay積(PD積=エネルギー)はVDD=0.2-0.3Vで最小→速度が問われないアプリでは低VDDがenergy efficient

Nor

mal

ized

del

ay &

pow

er

VDD [V]0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 110-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

00.10.20.30.40.50.60.70.80.91

Delay

Power

PD product

90nm CMOS SPICE

Nor

mal

ized

PD

pro

duct

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5

Energy Efficientな超低VDDロジック

■ VDD=230mVまで動作はするが、320mVがエネルギー効率最高H. Kaul, M. Anders, S. Mathew, S. Hsu, A. Agarwal, R. Krishnamurthy, and S. Borkar, "A 320mV 56µW 411GOPS/Watt ultra-low voltage motion estimation accelerator in 65nm CMOS," IEEE ISSCC, pp. 316-317, Feb. 2008.

■超低VDDロジックに関する初めての企業(Intel)からの報告

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6

時空間の細粒度電圧制御がトレンド

Number of power control domain on a chip1 10 100

ns

StaticCommon

fCLK, VDD, VTH

SingleDomain

fCLK3, VDD3, VTH3

fCLKn, VDDn, VTHn

Tim

e st

ep o

f pow

er c

ontr

ol

Domain1 2 3

4

n

1

μsConventional LSI

Future LSI

fCLK1, VDD1, VTH1

近年の低電力VLSI回路技術の方向性

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7

細粒度制御には3次元技術との連携が必須

Package

InductorsCapacitors

Embedded

Power supply& other wires

Basechip

Stacked memories

Pads &bumps

L & Ccell array

Interposer

Sensor, MEMS,High voltage generation,Analog, RF etc.(3D stacked)

Parallelprocessors with own DC-DCconverters

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8

細粒度と3次元に対する我々の取り組み

電源電圧の下限(VDDmin)の追求

チップ内トランジスタばらつき測定[1]

ロジック回路のVDDmin[2-3]

空間的細粒度制御

製造後の細粒度基板バイアス制御による低電力化[4]

メニーコア向けテスト手法[5]

3次元積層を用いたオンチップDC-DCコンバータ[6-7]

時間的細粒度制御

電源電圧、基板バイアスを高速に変化させる加速回路[8-11]

電源ノイズキャンセル回路[12]

3次元集積技術3次元SSDのNANDフラッシュ向け昇圧回路による低電力化[13]

今回発表

今回発表

今回発表

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9

Outline低電力設計技術の動向(1)低電圧、(2)細粒度制御、(3)3次元

ロジック回路の電源電圧の下限(VDDmin)

細粒度基板バイアス制御による低電力化

3次元SSDのNANDフラッシュ向け昇圧回路に

よる低電力化(SSD: Solid State Drive)

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10

Minimum Operating Voltage (VDDmin)

VDDmin is defined as the supply voltage (VDD) when the RO’s stop oscillation.RO’s are useful VDDmin detectors.

0 20 40 60 80 1000

50

100

150

200

Volta

ge (m

V)

Time (μs)

VDD

Vout

VDDmin

VoutSimulated

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11

0 1000 2000 3000 40000.00.20.40.60.81.01.21.41.6

規格

化V T

H

トランジスタ位置 (µm)

1E-3 0.01 0.10

1

10

100

Pow

er (a

.u.)

空間周波数 (1/µm)

VD(1.0V)

… Vs(0V)

Vsel Vunsel

GND

clk

Vbs

Data

D Q

VD

VunselVS

Vsel

Vbs

Measuredtransistor

D Q D Q D Q D Q

VD(1.0V)

… Vs(0V)

Vsel Vunsel

GND

clk

Vbs

Data

D QD QD Q

VD

VunselVS

Vsel

Vbs

Measuredtransistor

D QD Q D QD Q D QD Q D QD Q

1000 Transistor

Array

4mm

4mm

(400

0 tr

ansi

stor

s)頻度

4000トランジスタ

フーリエ変換

チップ内VTHばらつきはランダム

キー技術(1) 挟ピッチかつ広範囲のTrアレー(2) 非選択Trのリークカット

トランジスタばらつき測定回路

チップ内トランジスタばらつき

90nmCMOS

チップ内VTHばらつきは4mmの範囲内でランダム

→細粒度の基板バイアス制御では補償不可

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12

Analysis of Origin of VDDminVDD

1 2 3 10 11V1 V2 V3 V10 V11

V1

V2

V3

V4

V5

V6

V7

V8

V9

V10

V11 VINV

V1~V11

VDD=85mV

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110

10

20

30

40

50

60

70

80

V INV

of in

vert

er, V

1~V 11

(mV)

Inverter number

85

FailVOUT_LOW_7 > VINV_8

H

L L

H H

Monte CarloSPICE

Each transistor has random VTH.

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13

RO Circuits to Enable VDDmin Measurement

Ring Oscillator Output Buffer

VDD2

VSS2

Low swing

0V

1V 1V swingVDD2

VSS2(manually tuned)

VDD

VSS

The low swing output of RO is amplified to 1-V swing by the output buffer.

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14

VDD Dependence of Oscillation Frequency variation

11-stagering oscillators

13 dies

Freq

uenc

y Va

riatio

ns(=

σ/ a

vera

ge) (

%)

VDD (V)0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00

5

10

15

( )

pdpd TH

TH

DDpd

DD TH

pdTH

pd DD TH

pdTH

pd DD TH

dtt V

dVCVt

V Vt

Vt V V

tf Vf t V V

α

Δ = Δ

∝−

Δ α→ ∝ Δ

ΔΔ α→ ∝ − ∝ Δ

−実測90nm CMOS

Relative frequency variations increases with reduced VDD.

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15

ゲート遅延のVDD依存

■ 低VDD回路の問題: 低速、PVTばらつきに敏感■ 対策: 並列動作、adaptive制御

実測90nm CMOSインバータRO

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.010k

100k

1M

10M

100M

1G

10G

Osc

illat

ion

freq

uenc

y (H

z)

VDD (V)

11-stage

1001-stage

VDDmin

13 dies

1mm

400μm

MicrographLayout

11-stage

101-stage

1001-stage

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16

Measured Die-to-Die Distribution of VDDmin

0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500

5

10

15

0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500

5

10

15

0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500

5

10

15

11-stage

Num

ber o

f die

s

VDDmin (mV)

101-stage

1k-stage

0 500

5

10

15

100 150 200 250 300 350 400 450

0 500

5

10

15

100 150 200 250 300 350 400 450

0 500

5

10

15

100 150 200 250 300 350 400 450

10k-stage

VDDmin (mV)

100k-stage

1M-stage

(4)

(5)

(6)N

umbe

r of d

ies

Inverter RO’s

(1)

(2)

(3)

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17

10 100 1k 10k 100k 1M0

50

100

150

200

250

300

350

400

論理ゲートのVDDminをROで調査

■ 大規模になるほど、より高いVDDminが必要に→大規模ロジックになるほど、低VDD化が困難

リングオシレータ段数

平均

V DD

min

(mV)

実測90nm CMOSインバータRO複数チップ測定

2.2mm

1.3m

m

1M stage inverter RO

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18

Analysis of Die-to-Die VDDmin Variations

10 100 1k 10k 100k 1M0

50

100

150

200

250

300

350

400

10 100 1k 10k 100k 1M0

50

100

150

200

250

300

350

400V D

Dm

in(m

V)

Number of stagesThe die-to-die VDDmin variations are not systematic but random.

15 dies

Inverter RO’s

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19

Summary of Measured VDDmin

10 100 1k 10k 100k 1M0

50

100

150

200

250

300

350

400

Ave

rage

VD

Dm

in (m

V)

Number of stages

x4 inverter RO

Inverter RO

3NAND RO

2NAND RO

(1) Large # of stages(2) Large # of stacked Tr’s(3) Narrow gate widthincrease VDDmin.

(3 different lots)

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20

Comparison of Measured and Calculated VDDmin

Sim075

Sim150

x4 inverter RO

10 100 1k 10k 100k 1M0

50

100

150

200

250

300

350

400

MATLABMeasurement

Ave

rage

VD

Dm

in(m

V)

Number of stages

Sim125

Sim100Inverter RO

x0.7522.525.8Sim075

x1.2537.543.0Sim125x1.545.051.6Sim150

x130.034.4Sim100

pMOSnMOS RemarksσVTH (mV)

Name

x0.7522.525.8Sim075

x1.2537.543.0Sim125x1.545.051.6Sim150

x130.034.4Sim100

pMOSnMOS RemarksσVTH (mV)

Name

Inverter RO’s

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21

Reason Why Average VDDmin Increases with # of RO Stages

σnxx 10max log2+≅

Prob

abili

ty d

istr

ibut

ion

func

tion

x

3

2

1

0σ− 2x σ−x x σ+x σ+ 2x σ+ 3x σ+ 4x σ+ 5x σ+ 6x σ+ 7x

n=101

n=0

102

103104

106

109

105

107108

1010

( )nxf ,max

( )xf

maxx at n=106

The largest value distributions fmax(x,n) of n sampleswhich have Gaussian distribution f(x)

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22

Comparison of Monte Carlo and Model

Sim075

Sim150

x4 inverter RO

10 100 1k 10k 100k 1M0

100

200

300

400

Ave

rage

VD

Dm

in(m

V)

n: Number of stages

Sim125Sim100Inverter RO

Matlab (Monte Carlo simulation)Measurement

Model calculation

σnxx 10max log2+≅

The equation intuitively explains the reason why the average VDDmin increases with the number of RO stages.

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23

Adaptive Body Bias Control to Reduce VDDmin

Body bias control

VDDmin=89 mV (Initial)

VDDmin=87 mV

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 111 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 111 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Simulated

The body bias of pMOS is adaptively controlled to minimize VDDmin and the body bias of nMOS is fixed.

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24

Fine-Grain Adaptive Body Bias Control to Reduce VDDmin

VDDmin=85 mV

VDDmin=43 mV

Vb1 Vb2 Vb3 Vb4 Vb5 Vb6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Vb1 Vb2 Vb3 Vb4 Vb5 Vb6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Vb1Vb2

Vb3Vb4

Vb5Vb6

Vb7Vb8

Vb9Vb10

Vb11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Vb1Vb2

Vb3Vb4

Vb5Vb6

Vb7Vb8

Vb9Vb10

Vb11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 111 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Simulated

When inverter-by-inverter body bias is applied, VDDmin is drastically reduced to 43mV. But it is impractical.

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25

VDDmin Dependence on Body Bias of Both nMOS and pMOS

0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0

050

100150200250300350400

-0.50.00.51.01.52.0

V DD

min (m

V)

pMOS Body Bias (V)

nMOS Body Bias (V)

40.080.0120160200240280320360

04080

Initial

Measured

Common body bias control allows to reduce VDDmin by only 4mV.

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26

Outline低電力設計技術の動向(1)低電圧、(2)細粒度制御、(3)3次元

ロジック回路の電源電圧の下限(VDDmin)

細粒度基板バイアス制御による低電力化

3次元SSDのNANDフラッシュ向け昇圧回路に

よる低電力化(SSD: Solid State Drive)

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27

細粒度基板バイアス制御による低電力化

■ 基板バイアスのグローバル最適化により電力を19%以上削減■ post-fabrication tuningにより設計ばらつきを補正

VN1 VP1

VN2 VP2

VN3 VP3

VN4 VP4

VN5 VP5

VN6 VP6

VN7 VP7

VN8 VP8

-25%

-20%

-15%

-10%

-5%

0%

0 5 10 15 20 25 30 35 40Iteration count [times]

As-fabricated

>19% power reductionat 20 iterations

N8P8SimulatedAnnealing

1V, 90nm CMOSプロセス

64bit DES CODEC機能

1V, 90nm CMOSプロセス

64bit DES CODEC機能

1つの機能ブロックを8領域に等分割

基板バイアス16変数の最適化

電力

実測

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28

Outline低電力設計技術の動向(1)低電圧、(2)細粒度制御、(3)3次元

ロジック回路の電源電圧の下限(VDDmin)

細粒度基板バイアス制御による低電力化

3次元SSDのNANDフラッシュ向け昇圧回路に

よる低電力化(SSD: Solid State Drive)

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29

Importance of 20V generator in NAND

Write time~800µs

Read time~50µs

Write time is dominant over read time.Write 8 to 16 chips simultaneously.

20V or higher program voltage for writeEnergy during write should be reduced.

0V0V

Program voltage:20V

0VInjection

Floating gate

High-speed low-power 20V generator is required.

Write operation of NAND flash

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30

Conventional SSD with charge pump

DRAM

NANDflash

Each NAND flash has charge pump for 20V.5 to 10% area of NAND flash chip!

NAND controller

Interposer

Chargepump

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31

Issues on charge pump

Large capacitance areaEnergy loss

VOUT =20V

ClkClk

VDD

Serial MOS diodes lose energy.Large number of stages for low VDD

Large capacitancefor large current

Bucket brigade

VOUT

VDD

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32

Voltage scalability of charge pump

1.8V NAND(simulated)

Ener

gy d

urin

g w

rite

(a.u

.)

*K. Takeuchi, et al., ISSCC 2006Energy by charge pump increases!

3.3V NAND*(Core 2.5V)

Energy increases!

Memorycore

Chargepump

Others

Memorycore

Chargepump

☺∝CBLV2

CBL: Bit-line capacitance

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33

Proposed 3D-SSD with boost converter

DRAM

Adaptive controller

NANDflash

Interposer

Spiralinductor

Low-cost High-voltage

MOSNAND controller

Smaller die size

Boost converter (shared)

Chargepump

Chargepump

☺ Realizing low power and low cost

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Advantages of Boost converters

☺ High conversion ratio, large output current☺ High efficiency☺ Small chip area

Off-chip inductor

TON TOFF

Frequency = 1 / (TON + TOFF)Duty cycle = TON / (TON + TOFF)

Frequency, duty cycle Conversion ratio (VOUT/VDD)Inductance Output current

VOUTVDD

Clk

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35

Boost converter & NAND Co-operation High voltage MOS

(0.35mm × 0.50mm)

Inductor(5mm x 5mm)

16Gb NAND flash

Adaptive controller(0.67mm × 0.28mm)

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36

Comparison of energy during write

This work1.8V NAND

Conventional1.8V NAND(Simulated)

Chargepump

Memorycore

Chargepump

Memorycore

MemorycoreOthers

Total-68%

Ener

gy d

urin

g w

rite

(a.u

.)

*K. Takeuchi, et al., ISSCC 2006.

Conventional3.3V NAND*(Core 2.5V)

Boostconverter

withadaptivecontrol

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Summary of key features

--------20V CMOS process

Technology(High voltage MOS)

3.45µs (100%)0.92µs (27%)Rising time (0 15V)

This work(Measured)

Charge Pump(Simulated)

Transient energy(0 15V) 30nJ (12%) 253nJ (100%)

Chip area (HV-MOS) 0.175mm2 (15%) 1.19mm2 (100%)

Chip area(Adaptive controller) 0.188mm2 --------

Technology(Adaptive controller)

1.8V 0.18µm standard CMOS --------

Supply voltage 1.8V 1.8V

--------20V CMOS process

Technology(High voltage MOS)

3.45µs (100%)0.92µs (27%)Rising time (0 15V)

This work(Measured)

Charge Pump(Simulated)

Transient energy(0 15V) 30nJ (12%) 253nJ (100%)

Chip area (HV-MOS) 0.175mm2 (15%) 1.19mm2 (100%)

Chip area(Adaptive controller) 0.188mm2 --------

Technology(Adaptive controller)

1.8V 0.18µm standard CMOS --------

Supply voltage 1.8V 1.8V

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まとめ低電力設計技術の3つのキーワード

→(1)低電圧、(2)細粒度制御、(3)3次元

チップ内製造ばらつきはランダム(90nm CMOS, 4mm)→細粒度制御では対処不能→一方、設計ばらつきは細粒度制御で対処可能

リングオシレータの段数を11段から1M段にすると、VDDminは90mVから 343mVに増加

→大規模ロジックの低電圧化は困難→革新的な回路技術が必要

3次元による低電力化の例 →SSD

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参考文献(1)[1] D. Levacq, T. Minakawa, M. Takamiya, and T. Sakurai, "A Wide Range Spatial Frequency

Analysis of Intra-Die Variations with 4-mm 4000 x 1 Transistor Arrays in 90nm CMOS," IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC), San Jose, USA, pp. 257-560, Sep. 2007.

[2] T. Niiyama, P. Zhe, K. Ishida, M. Murakata, M. Takamiya, and T. Sakurai, "Dependence of Minimum Operating Voltage (VDDmin) on Block Size of 90-nm CMOS Ring Oscillators and Its Implications in Low Power DFM," IEEE International Symposium on Quality Electronic Design (ISQED), San Jose, USA, pp. 133-136, March 2008.

[3] T. Niiyama, P. Zhe, K. Ishida, M. Murakata, M. Takamiya, and T. Sakurai, "Increasing Minimum Operating Voltage (VDDmin) with Number of CMOS Logic Gates and Experimental Verification with up to 1Mega-Stage Ring Oscillators," International Symposium on Low Power Electronics and Design (ISLPED), Bangalore, India, pp. 117-122, Aug. 2008.

[4] Y. Nakamura, D. Levacq, L. Xiao, T. Minakawa, T. Niiyama, M. Takamiya, and T. Sakurai, "1/5 Power Reduction by Global Optimization Based on Fine-Grained Body Biasing," IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC), San Jose, USA, pp. 547-550, Sep. 2008.

[5] T. Niiyama, K. Ishida, M. Takamiya, and T. Sakurai, "Expected Vectorless Teacher-Student Swap (TSS) Test Method with Dual Power Supply Voltages for 0.3V Homogeneous Multi-core LSI’s," IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC), San Jose, USA, pp. 137-140, Sep. 2008.

[6] K.Onizuka, H. Kawaguchi, M. Takamiya and T. Sakurai, "Stacked-chip Implementation of On-chip Buck Converter for Power-Aware Distributed Power Supply Systems," IEEE Asian Solid-State Circuits Conference (A-SSCC), Hangzhou, China, pp. 127-130, Nov. 2006.

[7] K. Onizuka, K. Inagaki, H. Kawaguchi, M. Takamiya, and T. Sakurai, "Stacked-Chip Implementation of On-Chip Buck Converter for Distributed Power Supply System in SiPs," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 42, No. 11, pp. 2404 - 2410, Nov. 2007.

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40

参考文献(2)[8] K.Onizuka and T. Sakurai, "VDD-Hopping Accelerator for On-Chip Power Supplies Achieving

Nano-Second Order Transient Time," IEEE Asian Solid-State Circuits Conference (A-SSCC), Hsinchu, Taiwan, pp. 145-148, Nov. 2005.

[9] K. Onizuka, H. Kawaguchi, M. Takamiya, and T. Sakurai, "VDD-Hopping Accelerators for On-Chip Power Supply Circuit to Achieve Nanosecond-Order Transient Time," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 41, No. 11, pp. 2382 - 2389, Nov. 2006.

[10] D. Levacq, M. Takamiya and T. Sakurai, "Backgate Bias Accelerator for 10ns-order Sleep-to-Active Modes Transition Time," IEEE Asian Solid-State Circuits Conference (A-SSCC), Jeju, Korea, pp. 296-299, Nov. 2007.

[11] D. Levacq, M. Takamiya, and T. Sakurai, "Backgate Bias Accelerator for sub-100 ns Sleep-to-Active Modes Transition Time," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 43, No. 11, pp. 2390 - 2395, Nov. 2008.

[12] Y. Nakamura, M. Takamiya, and T. Sakurai, "An On-Chip Noise Canceller with High Voltage Supply Lines for Nanosecond-Range Power Supply Noise ," IEEE Symposium on VLSI Circuits, Kyoto, pp. 124-125, June 2007.

[13] K. Ishida, T. Yasufuku, S. Miyamoto, H. Nakai, M. Takamiya, T. Sakurai, and K. Takeuchi, "A 1.8V 30nJ Adaptive Program-Voltage (20V) Generator for 3D-Integrated NAND Flash SSD," IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), San Francisco, USA, pp. 238-239, Feb. 2009.