考慮功耗的集成電路老化緩解技術(shù)的研究

趙海陽

摘要：隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)進(jìn)入納米階段，集成電路的集成度與性能隨之不斷提升，但由此引起的可靠性問題也日益凸顯，嚴(yán)重威脅著集成電路的可靠性。目前可靠性的首要問題是功耗問題與負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性（Negativebiastemperatureinstability，NBTI）效應(yīng)導(dǎo)致的電路老化問題。在眾多杭電路老化的方案中，多輸入向量控制（multiinputvectorcoatrol，M-IVC）技術(shù)因適用于大規(guī)模集成電路，且?guī)淼念~外面積開銷較小，相比其它方法，該方案顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。但現(xiàn)存的M-IVC技術(shù)在精確度與動態(tài)功耗方面仍存在不足，本文主要針對以上兩點(diǎn)不足分別進(jìn)行了改進(jìn)。利用M-IVC技術(shù)緩解電路老化的關(guān)鍵是求解最佳占空比。對此，論文提出一種基于關(guān)鍵路徑與Time-adaptive遺傳算法的最佳占空比求解方法。該方法首先綜合考慮了電路的工作負(fù)載與邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得出精確的老化率上限。然后，結(jié)合電路的時序余量設(shè)計(jì)對潛在關(guān)鍵路徑集合進(jìn)行精簡，得出精簡的關(guān)鍵路徑集合。最后，論文提出了Time-adaptive遺傳算法對M-IVC技術(shù)的最佳占空比進(jìn)行求解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本論文所提的最佳占空比的M-IVC技術(shù)產(chǎn)生的電路老化率最低為4.7%，相比現(xiàn)有方案平均改善了18.29%，體現(xiàn)了本論文所提方法在抗老化方面的有效性?？紤]到現(xiàn)存的M-PVC技術(shù)在功耗方面的不足，論文提出一種低功耗的M-PVC技術(shù)緩解NBTI效應(yīng)導(dǎo)致的電路老化。該技術(shù)通過分析最佳占空比約束下的不同波形對電路老化效應(yīng)與動態(tài)功耗的影響后發(fā)現(xiàn)：在最佳占空比的約束下，降低信號的切換頻率既可以保證對NBTI效應(yīng)的緩解效果，又能夠降低電路待機(jī)狀態(tài)時的動態(tài)功耗。隨后，根據(jù)切換因子在邏輯門中的傳播規(guī)律，論文提出了一種以最佳占空比為約束的低切換頻率的隨機(jī)輸入波形設(shè)計(jì)方案，該方案可以協(xié)同緩解待機(jī)狀態(tài)下的NBTI效應(yīng)與動態(tài)功耗。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在保證緩解NBTI效應(yīng)產(chǎn)生的電路老化的同時，本論文方法相比雙約束的隨機(jī)輸入向量控制法平均降低了12.94%的動態(tài)功耗，對比偽隨機(jī)掃描輸入向量控制法平均降低了16.96%的動態(tài)功耗，驗(yàn)證了論文所提方法的有效性。

關(guān)鍵詞：NBTI效應(yīng);動態(tài)功耗;方法

引言

1958年9月德州儀器公司工程師JackS.Kilby首次在一塊半導(dǎo)體器件上集成了多個電子元器件[1]，此舉標(biāo)志集成電路的誕生。如今，集成電路已經(jīng)廣泛應(yīng)用在人類的生產(chǎn)生活等領(lǐng)域，它是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有力支撐也是國防信息安全的重要保障。當(dāng)前，隨著研究人員在人工智能領(lǐng)域各項(xiàng)研究的不斷突破，各行各業(yè)進(jìn)入智能化是大勢所趨。在此背景下，集成電路技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步顯得尤為重要?；仡櫦呻娐返陌l(fā)展歷程，會發(fā)現(xiàn)集成電路行業(yè)是人類工業(yè)發(fā)展史上的一個奇跡。在JackS.Kilby研制出第一塊集成電路芯片的第二年，仙童半導(dǎo)體公司的工程師RobertNoyce研發(fā)出了集成度更高的硅集成電路，這也是人類邁人復(fù)雜集成度一硅集成電路時代的標(biāo)志。20世紀(jì)60年代中期由美國無線電公司研制出的第一塊包含50個門組成的門陣列，是現(xiàn)今大規(guī)模集成電路發(fā)展的基礎(chǔ)。1971由Intel公司發(fā)明并推向市場的第一款商用計(jì)算機(jī)微處理器4004是人類歷史上最具革命性的產(chǎn)品之一，它片內(nèi)集成了2250個晶體管。1978年64kb的DRAM（動態(tài)隨機(jī)存儲器）問世，在不足0.5平方厘米的硅片上集成的晶體管數(shù)目達(dá)到14萬個。1988年第一塊動態(tài)隨機(jī)存儲器誕生，盡管它的容量只有16M，但它內(nèi)部集成的晶體管數(shù)目達(dá)到千萬級別。

1 單輸入向量控制（S-IVC）

NBTI效應(yīng)作用的兩個階段，偏置階段和恢復(fù)階段，處于偏置階段的PMOS管，閾值電壓隨著時間的增加而增大，電路老化加劇，而處于恢復(fù)階段的PMOS管，閾值電壓會有部分減小，此時，之前因偏置階段引起的電路老化會在恢復(fù)階段得到部分緩解。輸入向量控制技術(shù)就是利用處在恢復(fù)階段的PMOS管能夠部分降低閾值電壓這一特點(diǎn)，來緩解NBTI效應(yīng)導(dǎo)致的電路老化。IVC技術(shù)[42][44]一開始是用來緩解電路中的電流泄漏[41]問題，由于處于待機(jī)模式下的電路，其內(nèi)部的電流泄漏不可避免，這顯然與當(dāng)前集成電路向著低功耗發(fā)展的方向相悖。因此，研究人員一直在尋找能夠緩解電流泄漏的方法，經(jīng)過長期的研究發(fā)現(xiàn)，晶體管中電流的泄漏大小和晶體管的輸入狀態(tài)有關(guān)，所以可以通過輸入向量控制來讓電路中大多數(shù)的晶體管處于低泄漏的狀態(tài)，從而達(dá)到電路在待機(jī)情況下電流泄漏最小的設(shè)計(jì)目的。而NBTI的研究人員通過對比研究，發(fā)現(xiàn)NBTI效應(yīng)引起的電路老化程度，也會受PMOS晶體管輸入狀態(tài)的影響。當(dāng)PMOS管的輸入信號為0時，此時該P(yáng)MOS管處于NBTI偏置階段，晶體管的閾值電壓隨著時間的增加而增長，由該晶體管構(gòu)成的電路門節(jié)點(diǎn)的傳播時延增加。當(dāng)PMOS管的輸入端為1時，該P(yáng)MOS管處于NBTI效應(yīng)恢復(fù)階段，先前因處在NBTI效應(yīng)偏置階段增加的閾值電壓，在這個階段會有部分降低，由晶體管組成的門節(jié)點(diǎn)的傳播時延也會部分降低。IVC的目的就是通過給待機(jī)狀態(tài)下的電路輸入端加上一組優(yōu)化好的輸入值，使得電路內(nèi)部的PMOS晶體管的輸入端盡可能多的從信號0變成信號1。該方法是由清華大學(xué)的汪玉等人首次用在緩解NBTI效應(yīng)上 [25]。圖16是利用SAW緩解電路老化的示意圖。

3 多輸入向量控制（M-IVC）

由于S-IVC在處理集成度高、內(nèi)部拓?fù)鋵哟屋^深的電路時效果不明顯，文獻(xiàn)[46]中提出了使用多輸入向量控制M-IVC（MultipleInputVectorControl）的方法來緩解NBTI效應(yīng)。因?yàn)榧词闺娐穬?nèi)部的PMOS管輸入不能一直為1，但可以通過給輸入端一個占空比，從而避免該節(jié)點(diǎn)的輸入狀態(tài)一直是0的情況。該技術(shù)會生成多個向量，通過控制這些向量的輸入順序和作用時間來使電路達(dá)到偏置和恢復(fù)階段的平衡。在生成向量的過程中M-IVC和SAW有很大的不同。在SAW中輸入向量的生成問題可以通過簡單嘗試的方法來解決，比如一次性生成10000組輸入向量，然后把它們加人到電路的輸入端，通過觀察反饋回來的結(jié)果，找到其中效果最好的一組輸入向量，并將其作為最終的輸入向量。但在M-IVC中如果輸入向量的生成也采用類似嘗試的生成方法，那么隨著輸入向量個數(shù)的增加，各種組合情況將呈現(xiàn)爆炸式的增長，此時嘗試的方法不再實(shí)用。為解決M-IVC中向量生成的問題，提出了在占空比約束下生成M-IVC緩解電路老化的方法。我們前面的章節(jié)中也提到過占空比，它指的是一個周期內(nèi)0信號的時長占整個周期的比值。

結(jié)語

1.針對現(xiàn)存的M-IVC技術(shù)在最佳占空比求解中存在的不足，本文提出改進(jìn)策略。首先是關(guān)鍵路徑集合的精簡?，F(xiàn)存的方案采用MDS方法進(jìn)行篩選，該方法假設(shè)電路最差情況老化為所有節(jié)點(diǎn)占空比是0.95，實(shí)際中該最差情況不可能存在。由于該方法過于悲觀和保守，因此得到的關(guān)鍵路徑集合存在大量冗余，影響最佳占空比求解的精確度和效率。本文采用綜合考慮工作負(fù)載與電路邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的老化率上限與時序余量的方法進(jìn)一步對潛在關(guān)鍵路徑進(jìn)行精簡，并提出時間自適應(yīng)的遺傳算法對最佳占空比進(jìn)行求解，進(jìn)一步提高了M-IVC技術(shù)的老化緩解能力。對基準(zhǔn)電路I’8和I’8電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同條件下，采用本文求解的最佳占空比的M-IVC技術(shù)產(chǎn)生的電路老化率最低為4.7%，相比現(xiàn)存M-IVC平均改善率18.29%，體現(xiàn)了本文所提方法在抗老化方面的有效性。2.隨著集成電路頻率的提高，功耗問題愈加嚴(yán)重，現(xiàn)存的M-IVC技術(shù)在功耗控制方面顯得捉襟見肘。為了兼顧M-IVC技術(shù)在降低動態(tài)功耗方面的能力，本文提出一種協(xié)同考慮NBTI效應(yīng)與低功耗M-IVC技術(shù)。該技術(shù)通過設(shè)計(jì)一種以最佳占空比為約束的低切換頻率隨機(jī)波形對待機(jī)狀態(tài)的電路進(jìn)行控制，既保證了NBTI效應(yīng)緩解效果，又降低了電路的額外動態(tài)功耗。對基準(zhǔn)電路I’8和I’8電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提低功耗隨機(jī)波形控制方案在保證NBTI效應(yīng)緩解的同時，所產(chǎn)生的動態(tài)功耗相比雙約束輸入向量控制法和偽隨機(jī)掃描向量控制法分別降低了12.94%和16.96%，驗(yàn)證了本方法的有效性。

參考文獻(xiàn)

[1]韋斯特.CMOS超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社，2012.

[2]周寬久，遲宗正，西方.嵌入式軟硬件低功耗優(yōu)化研究綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2010，27（2）;423-428.