考虑功耗的集成电路老化缓解技术的研究

赵海阳

摘要：随着半导体工艺技术进入纳米阶段，集成电路的集成度与性能随之不断提升，但由此引起的可靠性问题也日益凸显，严重威胁着集成电路的可靠性。目前可靠性的首要问题是功耗問题与负偏置温度不稳定性（Negativebiastemperatureinstability，NBTI）效应导致的电路老化问题。在众多杭电路老化的方案中，多输入向量控制（multiinputvectorcoatrol，M-IVC）技术因适用于大规模集成电路，且带来的额外面积开销较小，相比其它方法，该方案显现出明显的优势。但现存的M-IVC技术在精确度与动态功耗方面仍存在不足，本文主要针对以上两点不足分别进行了改进。利用M-IVC技术缓解电路老化的关键是求解最佳占空比。对此，论文提出一种基于关键路径与Time-adaptive遗传算法的最佳占空比求解方法。该方法首先综合考虑了电路的工作负载与逻辑拓扑结构，得出精确的老化率上限。然后，结合电路的时序余量设计对潜在关键路径集合进行精简，得出精简的关键路径集合。最后，论文提出了Time-adaptive遗传算法对M-IVC技术的最佳占空比进行求解。实验结果表明，采用本论文所提的最佳占空比的M-IVC技术产生的电路老化率最低为4.7%，相比现有方案平均改善了18.29%，体现了本论文所提方法在抗老化方面的有效性。考虑到现存的M-PVC技术在功耗方面的不足，论文提出一种低功耗的M-PVC技术缓解NBTI效应导致的电路老化。该技术通过分析最佳占空比约束下的不同波形对电路老化效应与动态功耗的影响后发现：在最佳占空比的约束下，降低信号的切换频率既可以保证对NBTI效应的缓解效果，又能够降低电路待机状态时的动态功耗。随后，根据切换因子在逻辑门中的传播规律，论文提出了一种以最佳占空比为约束的低切换频率的随机输入波形设计方案，该方案可以协同缓解待机状态下的NBTI效应与动态功耗。实验数据表明，在保证缓解NBTI效应产生的电路老化的同时，本论文方法相比双约束的随机输入向量控制法平均降低了12.94%的动态功耗，对比伪随机扫描输入向量控制法平均降低了16.96%的动态功耗，验证了论文所提方法的有效性。

关键词：NBTI效应;动态功耗;方法

引言

1958年9月德州仪器公司工程师JackS.Kilby首次在一块半导体器件上集成了多个电子元器件[1]，此举标志集成电路的诞生。如今，集成电路已经广泛应用在人类的生产生活等领域，它是信息技术产业发展的有力支撑也是国防信息安全的重要保障。当前，随着研究人员在人工智能领域各项研究的不断突破，各行各业进入智能化是大势所趋。在此背景下，集成电路技术的发展进步显得尤为重要。回顾集成电路的发展历程，会发现集成电路行业是人类工业发展史上的一个奇迹。在JackS.Kilby研制出第一块集成电路芯片的第二年，仙童半导体公司的工程师RobertNoyce研发出了集成度更高的硅集成电路，这也是人类迈人复杂集成度一硅集成电路时代的标志。20世纪60年代中期由美国无线电公司研制出的第一块包含50个门组成的门阵列，是现今大规模集成电路发展的基础。1971由Intel公司发明并推向市场的第一款商用计算机微处理器4004是人类历史上最具革命性的产品之一，它片内集成了2250个晶体管。1978年64kb的DRAM（动态随机存储器）问世，在不足0.5平方厘米的硅片上集成的晶体管数目达到14万个。1988年第一块动态随机存储器诞生，尽管它的容量只有16M，但它内部集成的晶体管数目达到千万级别。

1 单输入向量控制（S-IVC）

NBTI效应作用的两个阶段，偏置阶段和恢复阶段，处于偏置阶段的PMOS管，阈值电压随着时间的增加而增大，电路老化加剧，而处于恢复阶段的PMOS管，阈值电压会有部分减小，此时，之前因偏置阶段引起的电路老化会在恢复阶段得到部分缓解。输入向量控制技术就是利用处在恢复阶段的PMOS管能够部分降低阈值电压这一特点，来缓解NBTI效应导致的电路老化。IVC技术[42][44]一开始是用来缓解电路中的电流泄漏[41]问题，由于处于待机模式下的电路，其内部的电流泄漏不可避免，这显然与当前集成电路向着低功耗发展的方向相悖。因此，研究人员一直在寻找能够缓解电流泄漏的方法，经过长期的研究发现，晶体管中电流的泄漏大小和晶体管的输入状态有关，所以可以通过输入向量控制来让电路中大多数的晶体管处于低泄漏的状态，从而达到电路在待机情况下电流泄漏最小的设计目的。而NBTI的研究人员通过对比研究，发现NBTI效应引起的电路老化程度，也会受PMOS晶体管输入状态的影响。当PMOS管的输入信号为0时，此时该PMOS管处于NBTI偏置阶段，晶体管的阈值电压随着时间的增加而增长，由该晶体管构成的电路门节点的传播时延增加。当PMOS管的输入端为1时，该PMOS管处于NBTI效应恢复阶段，先前因处在NBTI效应偏置阶段增加的阈值电压，在这个阶段会有部分降低，由晶体管组成的门节点的传播时延也会部分降低。IVC的目的就是通过给待机状态下的电路输入端加上一组优化好的输入值，使得电路内部的PMOS晶体管的输入端尽可能多的从信号0变成信号1。该方法是由清华大学的汪玉等人首次用在缓解NBTI效应上 [25]。图16是利用SAW缓解电路老化的示意图。

3 多输入向量控制（M-IVC）

由于S-IVC在处理集成度高、内部拓扑层次较深的电路时效果不明显，文献[46]中提出了使用多输入向量控制M-IVC（MultipleInputVectorControl）的方法来缓解NBTI效应。因为即使电路内部的PMOS管输入不能一直为1，但可以通过给输入端一个占空比，从而避免该节点的输入状态一直是0的情况。该技术会生成多个向量，通过控制这些向量的输入顺序和作用时间来使电路达到偏置和恢复阶段的平衡。在生成向量的过程中M-IVC和SAW有很大的不同。在SAW中输入向量的生成问题可以通过简单尝试的方法来解决，比如一次性生成10000组输入向量，然后把它们加人到电路的输入端，通过观察反馈回来的结果，找到其中效果最好的一组输入向量，并将其作为最终的输入向量。但在M-IVC中如果输入向量的生成也采用类似尝试的生成方法，那么随着输入向量个数的增加，各种组合情况将呈现爆炸式的增长，此时尝试的方法不再实用。为解决M-IVC中向量生成的问题，提出了在占空比约束下生成M-IVC缓解电路老化的方法。我们前面的章节中也提到过占空比，它指的是一个周期内0信号的时长占整个周期的比值。

结语

1.针对现存的M-IVC技术在最佳占空比求解中存在的不足，本文提出改进策略。首先是关键路径集合的精简。现存的方案采用MDS方法进行筛选，该方法假设电路最差情况老化为所有节点占空比是0.95，实际中该最差情况不可能存在。由于该方法过于悲观和保守，因此得到的关键路径集合存在大量冗余，影响最佳占空比求解的精确度和效率。本文采用综合考虑工作负载与电路逻辑拓扑结构的老化率上限与时序余量的方法进一步对潜在关键路径进行精简，并提出时间自适应的遗传算法对最佳占空比进行求解，进一步提高了M-IVC技术的老化缓解能力。对基准电路I’8和I’8电路进行仿真实验，实验结果表明，相同条件下，采用本文求解的最佳占空比的M-IVC技术产生的电路老化率最低为4.7%，相比现存M-IVC平均改善率18.29%，体现了本文所提方法在抗老化方面的有效性。2.随着集成电路频率的提高，功耗问题愈加严重，现存的M-IVC技术在功耗控制方面显得捉襟见肘。为了兼顾M-IVC技术在降低动态功耗方面的能力，本文提出一种协同考虑NBTI效应与低功耗M-IVC技术。该技术通过设计一种以最佳占空比为约束的低切换频率随机波形对待机状态的电路进行控制，既保证了NBTI效应缓解效果，又降低了电路的额外动态功耗。对基准电路I’8和I’8电路进行仿真实验，实验结果表明，本文所提低功耗随机波形控制方案在保证NBTI效应缓解的同时，所产生的动态功耗相比双约束输入向量控制法和伪随机扫描向量控制法分别降低了12.94%和16.96%，验证了本方法的有效性。

参考文献

[1]韦斯特.CMOS超大规模集成电路设计[M].电子工业出版社，2012.

[2]周宽久，迟宗正，西方.嵌入式软硬件低功耗优化研究综述[J].计算机应用研究，2010，27（2）;423-428.