電路老化不均勻成為 IC 設(shè)計(jì)師面對的大問題

工程團(tuán)隊(duì)尋找新的方法來提高可靠性并確保芯片在其預(yù)期壽命內(nèi)的功能性，電路老化成為一個(gè)首要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

在數(shù)據(jù)中心和汽車中，對可靠性的需求是顯而易見的，芯片故障可能導(dǎo)致停機(jī)或損傷。它在移動(dòng)和消費(fèi)電子產(chǎn)品中也越來越重要，這些電子產(chǎn)品正被用于家庭健康監(jiān)測或?qū)Ш降葢?yīng)用，并且設(shè)備的成本一直在上升。但是，老化也需要在代工廠的變化模型、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的背景下進(jìn)行評估，所有這些都使得準(zhǔn)確預(yù)測芯片在一段時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)變得更加困難。

Cadence 數(shù)字與簽核集團(tuán)研發(fā)副總裁 Sharad Mehrotra 說：「代工廠首先提供 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(xiàn)在實(shí)施中，這些工具也認(rèn)識(shí)到可變性效應(yīng)，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(xiàn) PPA。隨著設(shè)備老化成為首要問題，類似的事情正在發(fā)生，尤其是汽車和 HPC 等應(yīng)用。這些芯片在數(shù)據(jù)中心環(huán)境中承受著巨大的壓力，因此，數(shù)據(jù)中心提供商必須能夠預(yù)測這些芯片在一段時(shí)間內(nèi)的性能，而不僅僅是在剛出廠時(shí)。」

可靠性和 PPA 的相互依賴性。來源：Cadence/Arm/Arm DevSummit

這些問題在最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)和復(fù)雜的異構(gòu)封裝中尤為明顯。西門子數(shù)字工業(yè)軟件公司 Tessent 集團(tuán)產(chǎn)品營銷總監(jiān) Lee Harrison 說：「隨著我們加大設(shè)備的力度，我們正試圖從設(shè)計(jì)中嚴(yán)格限制計(jì)算能力，在溫度和電壓方面也面臨著各種挑戰(zhàn)。這是一個(gè)由來已久的問題，即無論何時(shí)設(shè)計(jì)芯片，都會(huì)遇到時(shí)間差的問題。從一開始就沒有太多的懈怠，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。」

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(zhàn)。Fraunhofer IIS 自適應(yīng)系統(tǒng)工程部的集團(tuán)經(jīng)理 André Lange 指出：「關(guān)于 IC 老化有不同的觀點(diǎn)。首先，技術(shù)人員想知道微觀層面發(fā)生了什么，他們希望從有關(guān)如何減少設(shè)備老化的信息中得出結(jié)論，即如何使設(shè)備更可靠。然而，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，將沒有什么可以進(jìn)一步改進(jìn)的。這是第二階段的開始，了解仍需處理的不確定性和老化問題。這通常在技術(shù)認(rèn)證期間進(jìn)行調(diào)查。」

例如，AEC-Q100 要求代工廠研究熱載流子注入、偏置溫度不穩(wěn)定或時(shí)間依賴性介電擊穿的影響。Lange 說：「設(shè)計(jì)師必須處理這種老化和退化。我們看到，代工廠繼續(xù)在其 PDK 中添加精度更高的可靠性模型，使設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)其應(yīng)用的要求研究其設(shè)計(jì)的可靠性。雖然 IC 的可靠性多年來一直是汽車領(lǐng)域的一個(gè)重要話題，但它在其他細(xì)分市場（如工業(yè)、醫(yī)療甚至消費(fèi)領(lǐng)域）的重要性正與日俱增。設(shè)計(jì)師越來越關(guān)注老化的影響。然而，仍有挑戰(zhàn)需要解決，包括模型的驗(yàn)證工作可用性、任務(wù)配置文件的定義以及為驗(yàn)證設(shè)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(zhí)行官 Ashraf Takla 說：「通過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嚨雀邷睾烷L壽命應(yīng)用以及人工智能等高速應(yīng)用會(huì)加速老化效應(yīng)，這使得仿真變得至關(guān)重要。Takla 表示：「需要內(nèi)置更多的利潤，以應(yīng)對隨著老化而導(dǎo)致的性能惡化。安全操作區(qū)域（SOA）驗(yàn)證也是強(qiáng)制性的，以確保所有設(shè)備都在技術(shù)允許的最大限制內(nèi)運(yùn)行。在某些情況下，金屬老化是一個(gè)問題，還需要進(jìn)行廣泛的 EM 驗(yàn)證?！?/p>

不同的用例

設(shè)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(yù)測異構(gòu)設(shè)備的使用方式并不總是顯而易見的。Ansys 的產(chǎn)品營銷總監(jiān) Marc Swinnen 表示：「電路切換得越多，老化的時(shí)間就越長，這給時(shí)間安排帶來了挑戰(zhàn)。電路的一部分可能比另一部分老化得更快，因?yàn)樗褂玫馗唷，F(xiàn)今的方法通常會(huì)全面考慮老化問題，就像整個(gè)芯片老化和所有東西一樣老化，但這不是現(xiàn)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(jì)算局部溫度，以及芯片或封裝范圍的溫度和焦耳自熱，當(dāng)電流在特定導(dǎo)線上引起局部加熱時(shí)，就會(huì)發(fā)生焦耳自熱。Swinnen 解釋說：「它們會(huì)比周圍的電路溫度高很多，熱量會(huì)散發(fā)出來。這是另一個(gè)方法論問題。老化晶體管的模型已經(jīng)存在，而且已經(jīng)建立得很好了，代工廠做到了這一點(diǎn)，但這本質(zhì)上不是問題所在。問題在于如何將這些老化信息應(yīng)用于 2 億個(gè)實(shí)例的設(shè)計(jì)，尤其是在存在差異老化的情況下?！?/p>

從物理學(xué)的角度來看，過熱、過度活動(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(wěn)定和熱載流子注入會(huì)隨著時(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題并在正確的時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

Synopsys 的杰出架構(gòu)師 Adam Cron 表示：「為了檢測它們，可以使用過程監(jiān)視器。我們有溫度傳感器來跟蹤設(shè)計(jì)內(nèi)部的情況。路徑裕量監(jiān)視器可以分散在周圍，特別是在活動(dòng)區(qū)域，如果我們知道該區(qū)域在哪里，就可以找到問題，然后隨著時(shí)間的推移調(diào)整 Vmin 以處理差異或更改頻率，或類似的事情，以處理老化和延遲。最后，可以周期性地使用邏輯 BiST 來捕捉諸如短路和開路之類的問題?！?/p>

解決老化問題

老化具有物理和電學(xué)兩個(gè)方面。西門子定制 IC 驗(yàn)證部門的首席產(chǎn)品經(jīng)理 Pradeep Thiagarajan 說：「例如，電壓閾值正在發(fā)生變化，源漏通道開始崩潰。還有許多其他現(xiàn)象以不同的方式影響不同的設(shè)備，但基本上三個(gè)主要影響很突出——HCI、NBTI（負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性）和 PBTI（正偏壓溫度不穩(wěn)定性）。」

大型代工廠已經(jīng)意識(shí)到了這些影響，并已采取措施應(yīng)對這些影響。Cadence 的 Mehrota 說：「許多代工廠現(xiàn)在都支持相當(dāng)精確的設(shè)備老化模型，這就是設(shè)備在特定溫度和特定電壓下受到壓力時(shí)如何隨著時(shí)間的推移而退化。這些設(shè)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(jié)合在一起。一旦我們知道如何用它來做 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(xiàn)象 來源：Cadence/Arm/Arm DevSummit

其中一些是通過標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)。西門子的 Thiagarajan 說：「如果沒有這一點(diǎn)，所有代工廠和 IDM 都必須嚴(yán)重依賴他們自己開發(fā)的老化模型。此外，EDA 供應(yīng)商提供不同的專有老化解決方案。代工廠需要支持所有這些多種解決方案以滿足客戶需求，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(yīng)商還需要為每個(gè)代工廠支持他們自己的獨(dú)特接口，因此，存在一種非標(biāo)準(zhǔn)方法，這增加了供應(yīng)商和最終用戶的復(fù)雜性和支持成本。這確實(shí)滿足了對行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)老化平臺(tái)的需求，該平臺(tái)支持老化建模、老化模擬和分析，以支持任何退化機(jī)制。這導(dǎo)致了 OMI（開放模型接口）。」

OMI 始于 2013 年 Si2 緊湊型模型聯(lián)盟（CMC）的一項(xiàng)調(diào)查。OMI 的第一個(gè)版本在五年后發(fā)布，基于臺(tái)積電的 TMI 接口，該接口為用戶提供了定制 CMC 標(biāo)準(zhǔn)模型以適應(yīng)其自身應(yīng)用程序的靈活性但不涉及 CMC 標(biāo)準(zhǔn)型號的實(shí)際本機(jī)實(shí)現(xiàn)。最初的目標(biāo)是讓代工廠、IDM 和 EDA 供應(yīng)商能夠支持單一的通用標(biāo)準(zhǔn)接口。

事情并沒有按計(jì)劃進(jìn)行。每個(gè)代工廠都有不同的方法，對于不同的模型表達(dá)方式?jīng)]有單一的標(biāo)準(zhǔn)。Mehrotra 說：「除了 OMI，TMI 和 URI 是當(dāng)今使用的其他類型的模型。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(zhǔn)確，并且根據(jù)代工廠擁有的硅數(shù)據(jù)進(jìn)行了很好的校準(zhǔn)。因此，鑄造部分相當(dāng)完善。而不太成熟的是使用這些鑄造模型的方法。」

在 SPICE 仿真中，這很簡單。Mehrota 說：「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(shù)。你做一個(gè)模擬說，在這些壓力條件下，這就是設(shè)備老化的情況。棘手的是，設(shè)備在整個(gè)運(yùn)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(fù)并執(zhí)行不同的操作特性。一次模擬不會(huì)給出完美的答案。挑戰(zhàn)在于處理設(shè)備的可變?nèi)蝿?wù)配置文件?！?/p>

Ansys 的 Swinnen 補(bǔ)充說，傳統(tǒng)的方法是為零日、1 年、5 年和 10 年創(chuàng)建庫來建立時(shí)序?！高@樣就可以計(jì)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(yù)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(shè)置和保持開始變得棘手。需要一種方法來捕獲每個(gè)塊或每個(gè)區(qū)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(jì)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(qū)塊的平均溫度與那個(gè)區(qū)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(fù)雜，而且必須將大量數(shù)據(jù)集中到同一個(gè)地方并按時(shí)處理，這就是問題所在?！?/p>

此外，西門子的 Thiagarajan 表示，第一步是在沒有電壓或溫度影響的任何壓力的情況下進(jìn)行新的模擬。「由此，可以從瞬態(tài)分析中獲得基線。第二步是對其施加壓力，例如特定應(yīng)用所需的極端溫度和電壓條件。一旦運(yùn)行，就可以根據(jù)使用的老化模型查看設(shè)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。第三步是在提前年齡值下運(yùn)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(yù)期退化。作為其中的一部分，還必須考慮器件的自熱方面，因?yàn)槊總€(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。」

未來

盡管仍在不斷發(fā)展，但如今大多數(shù)部分已經(jīng)到位，以滿足人們對成熟流程節(jié)點(diǎn)的理解。但是，在未來的節(jié)點(diǎn)以及高級封裝的異構(gòu)設(shè)計(jì)中，仍有許多工作要做。Thiagarajan 說：「即使是一些經(jīng)過生產(chǎn)測試和理解的高級 finFET 工藝節(jié)點(diǎn)，其部件也在那里。然而，對于我們現(xiàn)在正在研究的較新的高級節(jié)點(diǎn)，當(dāng)接近 3nm 和 2nm 時(shí)，它們確實(shí)以更小的通道長度突破了物理的邊界，這些節(jié)點(diǎn)需要另一組創(chuàng)新來正確地模擬老化，然后找到增加這些設(shè)備壽命的方法。」但隨著更多的定制、更多的選項(xiàng)和功能，這是否會(huì)有所改善或變得更困難還有待觀察。至少就目前而言，EDA 公司正在認(rèn)真研究芯片生命周期中需要什么。挑戰(zhàn)將是擴(kuò)大規(guī)模，到目前為止，沒有人談?wù)撊绾巫龅竭@一點(diǎn)。