【E問(wèn)E答】為什么晶體管使用越久，功耗越低？

　　眾所周知，電子系統芯片中的晶體管會(huì )隨著(zhù)時(shí)間而逐漸老化。它們會(huì )慢慢變舊，反應變得遲緩，毛病越來(lái)越多，甚至突然崩潰死機。不過(guò)凡事都有兩面性，雖然晶體管老化對電子產(chǎn)品不是好事，但其功耗卻隨著(zhù)時(shí)間的推移而降低。

　　在這個(gè)快節奏、快消費的年代，人們總是在求新、求快。不光是手機、電腦、汽車(chē)，就連我們自身，都想要時(shí)尚，新朝，不落伍。如果我想說(shuō)老有老的好，舊有舊的妙，你一定不能認同。但事實(shí)確是如此，我們不妨看幾個(gè)例子。

　　我們都知道汽車(chē)有一個(gè)磨合期，新車(chē)在最初的2000公里里程內要注意磨合，以便各個(gè)部件比較順暢地吻合配搭，使汽車(chē)整體性能、使用壽命和駕駛體驗達到最佳。其實(shí)人也是一樣，并非總是年輕的好，我們知道，人們年輕時(shí)候學(xué)習的知識，必須經(jīng)過(guò)人生的歷煉，需要時(shí)間的積累，才能變成智慧。那么，智能手機、電腦等電子產(chǎn)品是否也有類(lèi)似的有趣規律呢?

　　普通消費者也許并不關(guān)心電腦CPU、智能手機存儲器和汽車(chē)自動(dòng)剎車(chē)系統的老化問(wèn)題。但是作為電子系統設計師或芯片設計工程師，我們知道這些電子系統芯片中的晶體管是會(huì )逐漸老化的。跟人和汽車(chē)一樣，它們會(huì )慢慢變舊，反應變得遲緩，毛病越來(lái)越多，甚至突然崩潰死機。

　　晶體管BTI變化對系統的積極作用

　　凡事都有兩面性，雖然芯片中晶體管的老化對電子產(chǎn)品不是好事，但其功耗卻隨著(zhù)時(shí)間的推移而降低，這是英國南安普頓大學(xué)電子工程教授Bashir Al-Hashimi在一系列仿真和試驗后得出的結論。這位教授及其團隊對晶體管的一種特性—偏壓溫度不穩定性(Bias Temperature Instability，BTI)進(jìn)行了測試，發(fā)現BTI的變化對芯片和系統整體系統有正面影響。

　　什么是BTI?簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，就是晶體管處于“開(kāi)”狀態(tài)時(shí)的一種電荷積聚效應，在晶體管通道及其門(mén)絕緣介質(zhì)之間形成電荷積累，這會(huì )改變晶體管開(kāi)關(guān)變換狀態(tài)的電壓，隨著(zhù)時(shí)間的推移晶體管開(kāi)關(guān)狀態(tài)變換動(dòng)作會(huì )越來(lái)越慢。隨著(zhù)芯片制造商更多采用高K電介質(zhì)和金屬門(mén)材料，這種偏壓不穩定性越來(lái)越明顯。

　　Bashir Al-Hashimi教授的團隊在仿真試驗中使用的是高性能CMOS邏輯晶體管，BTI老化使得這些器件的實(shí)際功耗在降低。試驗表明，仿真1個(gè)月的使用，靜態(tài)功耗降低大約50%，10年降低78%。靜態(tài)功耗是晶體管不工作時(shí)消耗的能量，這是由于晶體管通道上的電流泄漏引起的。而在現今的芯片設計中，晶體管大部分時(shí)間是處于這種狀態(tài)，因此由BTI帶來(lái)的功耗降低是比較顯著(zhù)的。

　　在實(shí)際芯片測試中，使用5年后泄漏電流大約降低11%。實(shí)際的電子系統功耗降低能否達到期望的程度還不知道，但至少晶體管老化與功耗降低的關(guān)聯(lián)理論上是說(shuō)得通的。這是否意味著(zhù)智能手機使用時(shí)間越長(cháng)，電池續航性能反而越好呢?

　　如果我們據此得出這樣的結論，未免過(guò)于武斷。畢竟智能手機的電池續航性能和使用壽命取決于多種因素，比如電池本身的材料和性能、電源管理技術(shù)、操作系統、安裝的APP軟件和用戶(hù)使用習慣等。消費者需求和市場(chǎng)競爭一直驅動(dòng)著(zhù)手機廠(chǎng)商和芯片供應商不斷地更新迭代，新產(chǎn)品替代周期越來(lái)越短，在這樣的環(huán)境下消費者和商家對系統芯片的老化效應不會(huì )關(guān)注的。但是，我們工程師在設計芯片和智能設備產(chǎn)品時(shí)，卻不得不考慮其影響。

　　芯片里程表

　　明尼蘇達大學(xué)電氣工程教授Chris H. Kim早在10多年前就開(kāi)始對晶體管老化對芯片和電子系統的影響開(kāi)始進(jìn)行研究和試驗。他最早提出了“芯片里程表(Odometer for silicon chip)”的概念，并開(kāi)發(fā)出一種電路用于測量可能影響芯片性能的晶體管老化指標，他希望能將這種電路集成進(jìn)微處理器芯片設計中，以協(xié)助微處理器自動(dòng)檢測運轉性能，通過(guò)均衡幾種老化指標來(lái)讓芯片始終處于最佳性能狀態(tài)。Kim教授及其團隊在芯片里程表方面的研究已經(jīng)卓有成效，半導體研究公司授予其2016年卓越技術(shù)獎即是半導體業(yè)界對其研究的肯定。

　　芯片里程表可以測量晶體管老化的三個(gè)指標：熱載流子注入(HCI)、偏壓溫度不穩定性(BTI)、經(jīng)時(shí)介質(zhì)擊穿(TDDB)。BTI上文已經(jīng)解釋過(guò)，HCI是指晶體管發(fā)生狀態(tài)變換時(shí)的老化，電荷滯留在晶體管門(mén)介質(zhì)上，這樣器件開(kāi)關(guān)轉換的電壓就會(huì )改變。BTI和HCI也許對芯片正常工作沒(méi)有明顯的影響，但TDDB就會(huì )引起災難性的問(wèn)題，隨著(zhù)晶體管的老化，各種缺陷會(huì )在門(mén)介質(zhì)上堆積，積聚到一定程度就會(huì )引起短路，從而導致芯片甚至整個(gè)系統崩潰。這就跟人一樣，隨著(zhù)年齡的增加，身體機能開(kāi)始老化，各種疾病開(kāi)始出現，嚴重時(shí)甚至引起癌癥。

　　Kim教授提出的“芯片里程表”概念及其相應的測量電路設計已經(jīng)引起半導體行業(yè)的重視，包括Intel、TI和IBM在內的芯片制造商已經(jīng)在其芯片開(kāi)發(fā)中考慮晶體管老化的影響，正在采取適當的方式來(lái)補償因為老化導致的芯片性能下降。也許很快在新的芯片中，就會(huì )集成類(lèi)似“芯片里程表”的功能模塊。

　　隨著(zhù)芯片設計和制造工藝的發(fā)展，以及智能設備的操作系統和軟件的成熟，未來(lái)的智能設備在有限的供電環(huán)境下仍然能夠持續工作多年，也許這要部分歸功于“芯片里程表”。當我們不再為了追趕潮流而頻繁更換手機時(shí)，我們可能會(huì )使用一部心儀的手機超過(guò)3年，手機的續航能力不降反升或許就不足為奇了。