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可變碼長的極性解碼器硬體設計與實現

通道編碼的概念是利用增加多餘的訊息，讓訊息在傳輸時能夠達到更佳的正確性，以消除通道傳輸過程中的雜訊。許多專家學者都致力於研究此系統，期望可以建構出一套在傳輸速率小於通道容量的條件下，可以有效傳送訊息的編碼系統。極性編碼(Polar Codes) 運用了通道分解將不同的通道容量算出來，並且使用巴氏參數，來計算出固定增加點，再使用接續取消解碼(Successive Cancellation Decoding)的方式下，理論上可以達到上述的需求。 在接續消除解碼的架構上，需要連續的解碼資料，即需要將前面解碼後的結果，然後繼續解碼下面的資料，這是一個相當沒有效率的解碼方式。因此我本文提之解碼的處理器之目標為降低對於接續消除解碼前面資訊的需求，並且將極性編碼迭代時所擁有的累積效果延續，希望可以將同一套硬體架構可以處理多種碼長，並且藉由修正處理單元(Processing Element)以達到提高解碼效率的硬體架構。最近的文章有使用軟數值(Soft Value)來當作計算的數值，這在模擬表現上能夠優於原始的狀況但是並沒有對其硬體產生出相對應的架構，但如結合我們所提供的想法在此架構上，可以有效建立出一個可實踐此方法的硬體架構，這是本論文的另一個主要研究內容。 在本篇論文中，我們使用了接續消除解碼的解碼演算法，在硬體架構上把解碼的架構做排程與規劃上做了更動，藉由單一的解碼架構，做出多種碼長都可處理的排程規劃。此外我們也提出了一個可以有效將軟數值解碼的極性編碼解碼器架構。我們實踐了一個架構可以減少1/4的時脈數目，並且可以解碼不同的碼長256，512不同碼率0.5以及0.75的架構，我們這樣的架構充分運用極性編碼的可變動性，實踐出一個可以應用於不同狀況時的解碼方式。

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以增進測試品質為目的之考慮壓降分佈的測試圖樣產生技術

一般而言，在測試模式環境下，由於過多的轉換動作(switching activity)而導致耗能會比正常運作模式環境下來得高。我們必須盡可能地避免高耗能的發生，因為高耗能產生嚴重的壓降(IR drop)影響而造成邏輯閘的延遲時間增加，這樣的測試環境太嚴苛，這會使得一片好的晶片可能在經過測試時被判斷成有錯誤的晶片，導致過度測試(overkill)。 為了避免過度刪除情況發生，許多低耗能測試研究已經被提出來降低過高的轉換動作，但過度地降低轉換動作，有可能造成測試環境從嚴苛轉變為鬆散，而原本有錯誤的晶片可能在測試時被判斷為好的晶片，導致測試逃脫(test escape)。 本論文提出了考慮壓降分佈的測試圖樣產生技術，利用此技術能產生近似功能性圖樣的測試圖樣，使測試圖樣與功能性圖樣所造成的壓降分佈相似。實驗結果顯示利用此技術產生的測試圖樣，測試圖樣數量增加以及錯誤涵蓋率遺失都很小。

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使用多重臨界電壓互補式金氧半導體技術最佳化設計低電壓、低功率單晶片系統微處理器電路

在本論文中，將探討使用多重臨界電壓互補式金氧半導體(MTCMOS)技術設計低電壓低功耗微處理器的效能。第一章介紹了現今電晶體發展的趨勢以及為什麼要設計低功耗的電路。 接著第二章，我們提出了使用多重臨界電壓互補式金氧半導體(MTCMOS)功率消耗最佳化方法(PCOM)設計的32位元單一時脈週期MIPS微處理器功率節省效能的探討，其中，製程是使用90nm互補式金氧半導體(CMOS)技術，操作電壓為1V，全部的電晶體共80,000個。在0.9ns的時脈週期限制下，未使用功率消耗最佳化方法(PCOM)設計，靜態功率(static power)、平均總功率(average total power)和峰值功率(peak power)分別省了27.2%、11.4%和12.5%，而置換的高臨界電壓邏輯單元(HVT logic cell)佔全部邏輯單元的30.3%。 第三章探討使用低功耗設計技術(LPDT)設計的五級管線化(pipelined)MIPS中央處理器的功率消耗表現，製程是使用90nm互補式金氧半導體(CMOS)技術，操作電壓為1V，全部的電晶體共220,000個。根據模擬結果，在時脈週期限制為1.3ns時，使用低功耗設計技術(LPDT)設計的管線化(pipelined)MIPS中央處理器相比沒有優化，在靜態功率(static power)可以節省40.1%、平均總功率(average total power)節省17.8%、峰值功率(peak power)省13.3%。 最後第四章則是本論文的總結和未來可能的延伸研究方向。 顯著的靜態功率(static power)節省或許可以改善現今的手持IT裝置的功率消耗，因為靜態功率(static power)是電池週期很重要的關鍵。

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側向擴散電流對超薄氧化層金氧半元件之反轉區電流特性影響與其相關應用

本篇論文主要藉由側邊擴散電流來討論其對於超薄氧化層p型及n型矽基板金氧半電容元件之周邊相關電流的影響與其應用。在論文的第二章，利用不同的元件閘極圖案的設計，來證明元件側邊的擴散電流在超薄氧化層p型矽基板金氧半電容元件中扮演了重要的角色，即反轉區電流的周邊相關現象係來自於側邊擴散電流的作用，透過側邊擴散電流的補充，元件邊緣的電子濃度較中間處大，使得氧化層壓降增加，以及電洞之蕭基位障下降，造成大量電洞電流流經元件周邊。同時，也可以同樣的概念來解釋金氧半電容與金氧半場效電晶體之閘極漏電流的差異。在論文的第三章，我們利用側邊擴散電流受溫度調變的特性，製作了金氧半穿隧溫度感測器，由於側邊擴散電流的影響，金氧半穿隧溫度感測器之反轉區電流亦呈現周邊相關的特性，此周邊相關之電流特性係無法以空乏區內熱激發電流來解釋，而電流對溫度的相依性亦呈現與熱激發電流不同的趨勢。藉由側邊擴散電流引起的邊緣電洞電流即可解釋周邊相關現象以及溫度相依性。在論文的第四章，我們亦利用側邊擴散電流來製作金氧半光二極體，透過比較不同氧化層厚度元件的光電流，我們發現當厚度越大，其光電流越大，此現象不能由傳統認為的邊緣空乏區光激發電流機制來解釋，利用TCAD模擬亦可知當厚度越大，其側邊延伸的空乏區寬度越小，即集光區越小，光電流理當應隨厚度增大而減小，但實驗觀察並非如此。如同溫度感測器，在文獻及本論文實驗中可知金氧半光二極體電流亦呈周邊相關特性，此一現象僅能由側邊擴散電流所引起的邊緣電洞電流來解釋。在論文的第五章，我們比較了p型和n型矽基板金氧半電容元件之電流特性，在n型矽基板金氧半元件中，由於其具與p型矽基板不同的能帶結構，故側邊擴散電流對於暗電流的影響並不顯著，然而對於光電流卻有極明顯的影響，造成光敏度在具較厚氧化層之元件中急劇上升，此一現象僅能由側邊擴散電流引發之氧化層壓降增加，並允許大量電子由金屬穿隧至矽基板來解釋。

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高速小面積逐漸趨近式類比數位轉換器

在製程演進下逐漸趨近式類比數位轉換器有高速低功率的特性，然而逐漸趨近式類比數位轉換器最主要的瓶頸在於為了要更好的線性度，而使用Binary-scaled 電容陣列，但此種電容陣列隨著bit數增加而面積成指數增加。以典型10 bits 來說，往往總電容需要2pF以上，這不僅使成本增加，同時更因為大電容充放電時間需較久而限制SAR ADC最大操作速度。我們提出一種新的switching技巧，使在不改變最小單位電容的情況下，使總電容面積只需傳統架構的1/4 。此種switching技巧因為所需電容少，所以速度可以加快。另外，在計算switching energy 部分，因為MSB switching 由E=1/2*C*V^2，不會消耗power，另外MSB-1的switching只有單邊switching，所以消耗power是傳統的1/4，也是目前文獻中最小的switching energy，所以可以實現高速和小面積和低功率。 在0.18um 50MS/s的取樣頻率下，對於0.1MHz的輸入頻率類比數位轉換器晶片的SNDR、SFDR和ENOB分別是35.31 dB、45.81 dB以及5.57位元；另外功率消耗跟FoM的部分FoM為1 pJ/convstep。 對於這顆0.18um 的layout及量測部分改近於90nm ，而post-sim SNDR和ENOB在操作頻率100MS/s 且Nyquist 輸入頻率下分別是58.9759 dB及9.5位元，FoM 為 20 fJ/convstep。

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自我校正之地震定位系統

地震預警系統需要迅速的定位出發震位置來提供有效且即時性的警報來降低地震造成的傷害與損失。被廣泛應用之分層速度模型雖方便執行，卻難以精準描繪地震波實際傳導之情形，進而影響地震定位之準確度。 許多相關研究致力於加速地震定位之過程，提高定位之準確度，以及更精地去模擬地震波的傳遞過程。卻少有研究哲著墨於地震歷史資料之應用。 本文提出一個利用直接搜尋法的自我校正定位系統。該系統可根據測站的歷史資料校正其震波到達時間。校正系統對地震波在傳遞的過程中所經歷的系統性誤差建立模型，並根據歷史紀錄對於P波到達時間進行校時。為了進一步提高校正之精準度，本文提出了一個測站篩選流程，濾除不穩定之測站來提高定位的品質。本文所提出的校正系統會隨著其所參與的地震事件而演進，增加其校正之穩定性。 實驗結果指出，單純透過測站篩選可提高定位之準確度。P波到時之校正因需考慮面相較多而表現並不穩定。在部分結果中校正P波到達時間可大幅提高定位準確度，反之在其他結果中，卻有出現準確度降低之影響。

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使用影像散焦點展延函數信息方法來估測淺景深度圖

The aim of this research is addressing both the influence of the limited aperture size of the optical imaging system of the camera, and the defocus aberration influence on output images in order to measure useful information such as defocus and depth through the MTF (Modulation Transfer Function), further we analyze the existing defocus levels by measuring the size of blur kernels. One of the goals of our study is to make shallow depth photos with blurry background; photographers need to use cameras such as SLR (single-lens reflex) not only for carefully choosing the best position with respect to the object but also changing the lens effective focal length or aperture size in order to obtain an artistic effect mostly desired in many types of photographs (e.g. portraits), which is not available for normal camera users who prefer to use low cost compact point-and-shot cameras; for their ease of use and convenience. Nowadays, the size of TFT-LCDs (thin-film-transistor liquid-crystal displays) is getting larger, as a result; it becomes harder to inspect defects that may exist which usually require a human visual examiner to judge the severity of the defects on the final product. These defects; so called mura (Japanese shorthand) are defined as visual blemish with non-uniform shapes and boundaries. It is becoming a very serious unpleasant effect which needs to be detected and inspected in order to characterize the LCD’s quality. Through this research, we essentially propose two contributions. One that given only two images taken under different camera parameters, we measure a reliable defocus map based on scale-space analysis, then we propagate the defocus measures over edges to the entire image using matting process, eventually we will have a refined dense defocus map, which is utilized in applications such as amplifying the existing blurriness yielding a shallow depth photos from all focused images. On the other hand, it helps extracting the foreground object shape and isolating it from the background. The second contribution is experimentally detecting many types of MURA defects on LCD panels by some low-complex effective post-processing imaging techniques. Practically; we utilize the computational photography techniques to amplify defocus levels and to detect low contrast defects such as MURA. Our Computational techniques will allow the average photographers to capture more appealing photos, and the LCD manufacturers to increase their Engineer’s efficiencies and performance. We strongly proof that this study will enable cameras and automated vision systems to embed useful computation with few user interventions.

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執行於含錯處理器程式之修復編譯器

隨著現今電路設計的複雜性不斷提升，電路驗證成為一門越來越具挑戰性的工作。即便經過正規驗證，在晶片上發現製造階段所出現的錯誤也並非罕見。對於處理器類的設計，那些製造階段的錯誤是有機會用軟體指令補丁合成法來修正的。雖然之前的研究證明了這方法的可行性，但所生成的指令卻必須使用過多的遲滯指令，導致含錯處理器的效率被大幅降低。所以在這篇論文中我們提出了一個以量化布林函式為基礎的方法將原先要執行的組合語言再編譯為適用於含錯處理器的指令且避免了多餘的遲滯指令。實驗結果也證明了我們提出的方法的有效性。

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生醫樣品準備微流道元件開發

近幾年來，個人照護系統的開發是學界與業界極力發展的目標之一。其中，生物樣品前處理的功能是生醫系統開發所需要的。一般來說，生物樣品準備是將待測樣品經由多重步驟的處理，以提高後段生物分子感測器的精確度及可靠度。然而，現今臨床上主要的樣品準備儀器十分昂貴，並且體積龐大，此特性不利於發展個人照護系統。因此，微流道元件提供了十分有潛力的方法以完成個人照護系統中的樣品準備功能。 在此論文中，其目標即是開發適用於個人健康照護系統的樣品準備微流道元件。首先本論文所開發的樣品準備元件為微型流式細胞儀，是藉由單層流道結構及單鞘流注入的微流道元件達成三維空間的粒子聚焦，此單鞘流注入結構可減少外接注入管的數量，減少元件前置校正作業以及元件操作時的誤差。接著，我們期望能夠將樣品準備微流道元件與現今行動裝置完成概念性的整合，以應用於未來行動醫療照護之中。因此，我們進一步開發低功率且電致動的粒子過濾樣品準備元件。其原理是利用行進波電滲泳與粒子表面電滲泳的耦合下，以達成粒子過濾功能。在實驗中，我們成功地過濾HL-60細胞與人體血球。另外，我們利用此元件設計，更進一步利用互補式金氧半(CMOS)的標準製程，實現了流體幫浦整合晶片。最後，為了能夠提高前述的粒子過濾樣品準備元件功能，我們則是進一步開發出小體積、低功率且不需要外加流體幫浦的粒子分離元件，此元件能進一步的將待測樣品中的目標粒子分離出來，其設計原理是利用行進波電滲泳與介電泳兩項電動力學機制，我們成功地達成了1微米與15微米的粒子分離，以及進一步地利用頻率調變達成6微米與10微米的粒子分離。綜合以上所述的三項樣品準備微流道元件，能夠提供一個元件設計概念，使得樣品準備的功能簡易地與其它照護系統的元件相互整合，以達成完整的個人照護系統與行動健康照護系統。

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高速率湧泉碼解碼器之硬體架構設計與實現

隨著科技越來越發達，智慧型手機可以提供的功能也越來越多，其中多媒體串流是普遍大眾經常使用到的ㄧ項服務；然而在此項服務中，傳遞延遲是影響視聽體驗最重要的影響因素。不幸的是，無線通訊常常會受到通道效應的影響，因此若沒有有效錯誤更正碼的協助，要提供ㄧ個可靠的無線通訊架構是幾乎不太可能的。傳統的無線通訊主要是透過重新傳送直到接收端成功地收到為止，以提供可靠的無線傳輸；然而湧泉碼的概念則是保留已成功收到的訊號，並繼續接收其他的編碼訊號直到足以成功解碼為止，此一概念在近年來吸引了大量的注意，而且也已應用在許多的環境設定中。 RaptorQ code是目前最新ㄧ代的湧泉碼，相較於之前的湧泉碼，RaptorQ code提供了更大的設計彈性以及更低的解碼失敗率，然而其解碼的架構亦相當複雜。傳統的RaptorQ code解碼器需要求得ㄧ個相當大矩陣的反矩陣，為了避免此ㄧ部分所需要的大量運算量，本論文改為事先求得ㄧ反矩陣，再根據遺失訊號所對應的列向量去對已知的反矩陣作修正，使得大部分的運算量皆移至離線狀態。另ㄧ方面，傳統演算法會先經由求得反矩陣的過程，同時得到中間訊號值，接著再利用中間訊號進而還原出來源訊號；然而新式演算法在此ㄧ部分利用事先求得傳送矩陣反矩陣的特性，將兩個步驟合併以進一步地化簡運算量。最後則是利用RaptorQ code的有系統特性，避免再次求得成功收到的來源訊號。 本論文所提出的新式解碼演算法不僅用軟體完成模擬，亦將其實現成硬體電路以及利用FPGA板驗證，以證明此一演算法的可行性。