電路老化不均勻成為 IC 設計師面對的大問(wèn)題

工程團隊尋找新的方法來(lái)提高可靠性并確保芯片在其預期壽命內的功能性，電路老化成為一個(gè)首要的設計挑戰。

在數據中心和汽車(chē)中，對可靠性的需求是顯而易見(jiàn)的，芯片故障可能導致停機或損傷。它在移動(dòng)和消費電子產(chǎn)品中也越來(lái)越重要，這些電子產(chǎn)品正被用于家庭健康監測或導航等應用，并且設備的成本一直在上升。但是，老化也需要在代工廠(chǎng)的變化模型、以不同方式對各種組件施加壓力的不同用例、不同的功率和熱曲線(xiàn)的背景下進(jìn)行評估，所有這些都使得準確預測芯片在一段時(shí)間內的狀態(tài)變得更加困難。

Cadence 數字與簽核集團研發(fā)副總裁 Sharad Mehrotra 說(shuō)：「代工廠(chǎng)首先提供 SPICE 模型。作為一個(gè)行業(yè)，我們會(huì )弄清楚如何進(jìn)行庫表征，并努力將其整合到靜態(tài)時(shí)序分析方法中。這體現在實(shí)施中，這些工具也認識到可變性效應，因此可以對器件尺寸、Vt（閾值電壓）等做出正確的選擇，以在給定可變性約束的情況下實(shí)現 PPA。隨著(zhù)設備老化成為首要問(wèn)題，類(lèi)似的事情正在發(fā)生，尤其是汽車(chē)和 HPC 等應用。這些芯片在數據中心環(huán)境中承受著(zhù)巨大的壓力，因此，數據中心提供商必須能夠預測這些芯片在一段時(shí)間內的性能，而不僅僅是在剛出廠(chǎng)時(shí)?！?/p>

可靠性和 PPA 的相互依賴(lài)性。來(lái)源：Cadence/Arm/Arm DevSummit

這些問(wèn)題在最先進(jìn)的節點(diǎn)和復雜的異構封裝中尤為明顯。西門(mén)子數字工業(yè)軟件公司 Tessent 集團產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監 Lee Harrison 說(shuō)：「隨著(zhù)我們加大設備的力度，我們正試圖從設計中嚴格限制計算能力，在溫度和電壓方面也面臨著(zhù)各種挑戰。這是一個(gè)由來(lái)已久的問(wèn)題，即無(wú)論何時(shí)設計芯片，都會(huì )遇到時(shí)間差的問(wèn)題。從一開(kāi)始就沒(méi)有太多的懈怠，因此我們一直在推動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，努力讓事情盡快進(jìn)行?！?/p>

最大化性能會(huì )加速老化，從而降低可靠性，如何平衡二者是一個(gè)挑戰。Fraunhofer IIS 自適應系統工程部的集團經(jīng)理 André Lange 指出：「關(guān)于 IC 老化有不同的觀(guān)點(diǎn)。首先，技術(shù)人員想知道微觀(guān)層面發(fā)生了什么，他們希望從有關(guān)如何減少設備老化的信息中得出結論，即如何使設備更可靠。然而，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，將沒(méi)有什么可以進(jìn)一步改進(jìn)的。這是第二階段的開(kāi)始，了解仍需處理的不確定性和老化問(wèn)題。這通常在技術(shù)認證期間進(jìn)行調查?！?/p>

例如，AEC-Q100 要求代工廠(chǎng)研究熱載流子注入、偏置溫度不穩定或時(shí)間依賴(lài)性介電擊穿的影響。Lange 說(shuō)：「設計師必須處理這種老化和退化。我們看到，代工廠(chǎng)繼續在其 PDK 中添加精度更高的可靠性模型，使設計人員能夠根據其應用的要求研究其設計的可靠性。雖然 IC 的可靠性多年來(lái)一直是汽車(chē)領(lǐng)域的一個(gè)重要話(huà)題，但它在其他細分市場(chǎng)（如工業(yè)、醫療甚至消費領(lǐng)域）的重要性正與日俱增。設計師越來(lái)越關(guān)注老化的影響。然而，仍有挑戰需要解決，包括模型的驗證工作可用性、任務(wù)配置文件的定義以及為驗證設置合理的壓力條件?！?/p>

一種解決方案是增加更多的定時(shí)延遲，以盡量減少電路老化對時(shí)序的影響。Mixel 首席執行官 Ashraf Takla 說(shuō)：「通過(guò)使用老化感知的靜態(tài)時(shí)序分析流程，可以添加額外的降額因子?！蛊?chē)等高溫和長(cháng)壽命應用以及人工智能等高速應用會(huì )加速老化效應，這使得仿真變得至關(guān)重要。Takla 表示：「需要內置更多的利潤，以應對隨著(zhù)老化而導致的性能惡化。安全操作區域（SOA）驗證也是強制性的，以確保所有設備都在技術(shù)允許的最大限制內運行。在某些情況下，金屬老化是一個(gè)問(wèn)題，還需要進(jìn)行廣泛的 EM 驗證?！?/p>

不同的用例

設備老化的速度通常取決于不同的使用模式。大量使用通常會(huì )加速老化，但預測異構設備的使用方式并不總是顯而易見(jiàn)的。Ansys 的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監 Marc Swinnen 表示：「電路切換得越多，老化的時(shí)間就越長(cháng)，這給時(shí)間安排帶來(lái)了挑戰。電路的一部分可能比另一部分老化得更快，因為它使用地更多?，F今的方法通常會(huì )全面考慮老化問(wèn)題，就像整個(gè)芯片老化和所有東西一樣老化，但這不是現實(shí)。各部分的老化不相同，這是一件很難融入流程的事情?！?/p>

這也會(huì )影響熱梯度。需要計算局部溫度，以及芯片或封裝范圍的溫度和焦耳自熱，當電流在特定導線(xiàn)上引起局部加熱時(shí)，就會(huì )發(fā)生焦耳自熱。Swinnen 解釋說(shuō)：「它們會(huì )比周?chē)碾娐窚囟雀吆芏?，熱量?huì )散發(fā)出來(lái)。這是另一個(gè)方法論問(wèn)題。老化晶體管的模型已經(jīng)存在，而且已經(jīng)建立得很好了，代工廠(chǎng)做到了這一點(diǎn)，但這本質(zhì)上不是問(wèn)題所在。問(wèn)題在于如何將這些老化信息應用于 2 億個(gè)實(shí)例的設計，尤其是在存在差異老化的情況下?！?/p>

從物理學(xué)的角度來(lái)看，過(guò)熱、過(guò)度活動(dòng)和更高的電壓往往會(huì )加速老化，但并不相同。例如，偏置溫度不穩定和熱載流子注入會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而發(fā)生，但速度很慢，而電遷移似乎在加速。訣竅是能夠檢測到這些問(wèn)題并在正確的時(shí)間進(jìn)行調整。

Synopsys 的杰出架構師 Adam Cron 表示：「為了檢測它們，可以使用過(guò)程監視器。我們有溫度傳感器來(lái)跟蹤設計內部的情況。路徑裕量監視器可以分散在周?chē)?，特別是在活動(dòng)區域，如果我們知道該區域在哪里，就可以找到問(wèn)題，然后隨著(zhù)時(shí)間的推移調整 Vmin 以處理差異或更改頻率，或類(lèi)似的事情，以處理老化和延遲。最后，可以周期性地使用邏輯 BiST 來(lái)捕捉諸如短路和開(kāi)路之類(lèi)的問(wèn)題?！?/p>

解決老化問(wèn)題

老化具有物理和電學(xué)兩個(gè)方面。西門(mén)子定制 IC 驗證部門(mén)的首席產(chǎn)品經(jīng)理 Pradeep Thiagarajan 說(shuō)：「例如，電壓閾值正在發(fā)生變化，源漏通道開(kāi)始崩潰。還有許多其他現象以不同的方式影響不同的設備，但基本上三個(gè)主要影響很突出——HCI、NBTI（負偏壓溫度不穩定性）和 PBTI（正偏壓溫度不穩定性）?！?/p>

大型代工廠(chǎng)已經(jīng)意識到了這些影響，并已采取措施應對這些影響。Cadence 的 Mehrota 說(shuō)：「許多代工廠(chǎng)現在都支持相當精確的設備老化模型，這就是設備在特定溫度和特定電壓下受到壓力時(shí)如何隨著(zhù)時(shí)間的推移而退化。這些設備模型可以在 SPICE 中進(jìn)行可靠性仿真。如果相同的事件鏈發(fā)生，可以使用庫表征，并將靜態(tài)時(shí)序分析 (STA) 方法結合在一起。一旦我們知道如何用它來(lái)做 STA，那么我們就可以在實(shí)施工具、ECO、后路由等中進(jìn)一步優(yōu)化它?！?/p>

老化現象 來(lái)源：Cadence/Arm/Arm DevSummit

其中一些是通過(guò)標準化的老化模型處理的，該模型考慮了 HCI、BTI 和 PBTI 以及其他老化效應。西門(mén)子的 Thiagarajan 說(shuō)：「如果沒(méi)有這一點(diǎn)，所有代工廠(chǎng)和 IDM 都必須嚴重依賴(lài)他們自己開(kāi)發(fā)的老化模型。此外，EDA 供應商提供不同的專(zhuān)有老化解決方案。代工廠(chǎng)需要支持所有這些多種解決方案以滿(mǎn)足客戶(hù)需求，并且由于缺乏通用的行業(yè)接口解決方案，他們需要支持各種模型接口以將老化模型集成到電路模擬器中。EDA 供應商還需要為每個(gè)代工廠(chǎng)支持他們自己的獨特接口，因此，存在一種非標準方法，這增加了供應商和最終用戶(hù)的復雜性和支持成本。這確實(shí)滿(mǎn)足了對行業(yè)標準老化平臺的需求，該平臺支持老化建模、老化模擬和分析，以支持任何退化機制。這導致了 OMI（開(kāi)放模型接口）?！?/p>

OMI 始于 2013 年 Si2 緊湊型模型聯(lián)盟（CMC）的一項調查。OMI 的第一個(gè)版本在五年后發(fā)布，基于臺積電的 TMI 接口，該接口為用戶(hù)提供了定制 CMC 標準模型以適應其自身應用程序的靈活性但不涉及 CMC 標準型號的實(shí)際本機實(shí)現。最初的目標是讓代工廠(chǎng)、IDM 和 EDA 供應商能夠支持單一的通用標準接口。

事情并沒(méi)有按計劃進(jìn)行。每個(gè)代工廠(chǎng)都有不同的方法，對于不同的模型表達方式?jīng)]有單一的標準。Mehrotra 說(shuō)：「除了 OMI，TMI 和 URI 是當今使用的其他類(lèi)型的模型。重要的是模擬器可以使用所有這些模型進(jìn)行可靠性模擬。這部分方法已經(jīng)非常準確，并且根據代工廠(chǎng)擁有的硅數據進(jìn)行了很好的校準。因此，鑄造部分相當完善。而不太成熟的是使用這些鑄造模型的方法?！?/p>

在 SPICE 仿真中，這很簡(jiǎn)單。Mehrota 說(shuō)：「把一定的壓力條件、溫度、工作周期、電壓放在一起。這些是 NBTI 或 BTI 老化的四個(gè)參數。你做一個(gè)模擬說(shuō)，在這些壓力條件下，這就是設備老化的情況。棘手的是，設備在整個(gè)運行生命周期中并不是均勻老化的，所以可能會(huì )在它的一部分上以一定的電壓和溫度對其施加壓力，然后恢復并執行不同的操作特性。一次模擬不會(huì )給出完美的答案。挑戰在于處理設備的可變任務(wù)配置文件?！?/p>

Ansys 的 Swinnen 補充說(shuō)，傳統的方法是為零日、1 年、5 年和 10 年創(chuàng )建庫來(lái)建立時(shí)序?！高@樣就可以計算電路在其生命中不同年齡段的時(shí)間，但前提是所有部分的年齡都是一樣的。你需要輸入每個(gè)塊的預期活動(dòng)，比如傳輸塊始終處于活動(dòng)狀態(tài)，但其他一些異常塊很少被激活，所以它不會(huì )老化太多。這意味著(zhù)兩個(gè)塊之間的任何路徑的源晶體管比其接收晶體管老化得多，因此設置和保持開(kāi)始變得棘手。需要一種方法來(lái)捕獲每個(gè)塊或每個(gè)區域的活動(dòng)，然后將正確的庫分配給這些元素，然后使用每個(gè)塊的不同時(shí)序特征集對其進(jìn)行計時(shí)?！?/p>

原則上這是可行的。Swinnen 表示：「只是在實(shí)踐中，流量不一定到位。這取決于你想為此付出多少努力來(lái)獲得可用的老化流程。在哪里捕捉這種老化活動(dòng)？溫度也涉及其中。你需要知道這個(gè)區塊的平均溫度與那個(gè)區塊的平均溫度，這是你需要做的一個(gè)完整的熱分析。原則上是可以解決的，只是很復雜，而且必須將大量數據集中到同一個(gè)地方并按時(shí)處理，這就是問(wèn)題所在?！?/p>

此外，西門(mén)子的 Thiagarajan 表示，第一步是在沒(méi)有電壓或溫度影響的任何壓力的情況下進(jìn)行新的模擬?！赣纱?，可以從瞬態(tài)分析中獲得基線(xiàn)。第二步是對其施加壓力，例如特定應用所需的極端溫度和電壓條件。一旦運行，就可以根據使用的老化模型查看設備的老化情況，并且可以從該分析中推斷出老化時(shí)間并將其反饋回來(lái)。第三步是在提前年齡值下運行實(shí)際模擬，以查看信號分布在正確時(shí)間、下降時(shí)間、振幅或時(shí)鐘或 DC 信號上的任何偏差的預期退化。作為其中的一部分，還必須考慮器件的自熱方面，因為每個(gè) MOS 器件都可能存在局部發(fā)熱。然后，需要評估溫度變化將如何影響老化?！?/p>

未來(lái)

盡管仍在不斷發(fā)展，但如今大多數部分已經(jīng)到位，以滿(mǎn)足人們對成熟流程節點(diǎn)的理解。但是，在未來(lái)的節點(diǎn)以及高級封裝的異構設計中，仍有許多工作要做。Thiagarajan 說(shuō)：「即使是一些經(jīng)過(guò)生產(chǎn)測試和理解的高級 finFET 工藝節點(diǎn)，其部件也在那里。然而，對于我們現在正在研究的較新的高級節點(diǎn)，當接近 3nm 和 2nm 時(shí)，它們確實(shí)以更小的通道長(cháng)度突破了物理的邊界，這些節點(diǎn)需要另一組創(chuàng )新來(lái)正確地模擬老化，然后找到增加這些設備壽命的方法?！沟S著(zhù)更多的定制、更多的選項和功能，這是否會(huì )有所改善或變得更困難還有待觀(guān)察。至少就目前而言，EDA 公司正在認真研究芯片生命周期中需要什么。挑戰將是擴大規模，到目前為止，沒(méi)有人談?wù)撊绾巫龅竭@一點(diǎn)。