增加电路老化变异性

移动到较小的节点通常意味着另一个因素变得重要起来。该行业已经习惯于进行工艺、温度、电压(PVT)角分析，但现在必须将老化加入其中。

问题是电路老化的规划不再是一个纯粹的统计过程。老化取决于设备生命周期内的活动。需要修改工具和开发新的方法。在此之前，由于需要额外的保证金，有些东西被留在了桌面上。

这个问题有多严重?设计方法论部门主管罗兰•扬克(Roland janke)表示:“传统上，由于老化造成的偏差大约是个位数的百分比。夫琅和费IIS自适应系统工程部．“如果变化在相同的范围内，所产生的效果低于特征值的1%。然而，这种推理曾经适用于低至20nm的技术。在最新的10nm以下技术中，老化和变化的价值明显更大。”

这些变异因素还在增加。“这在过去不是问题，但对于从28nm开始的技术节点，我们开始看到一些老化的模型，”该公司产品工程总监艾哈迈德•拉马丹(Ahmed Ramadan)表示西门子EDA．“当我们拥有3nm技术时，这将是必须的。老龄化将成为一个更大的问题。”

今天，这是一个非常重要的问题，它已经成为一些行业的必须。“我们经常看到老化对路径延迟的两位数百分比的影响，”位于美国的Digital & Signoff集团的产品管理总监Hitendra Divecha说节奏．“这是设计师不能再忽视的东西。不能准确地模拟差分老化会导致硅失效。同时，过于悲观地对老化建模会对PPA[功率，性能，面积]产生负面影响。这就是为什么有一个准确而实用的老化感知静态时序分析解决方案很重要。”

老化对安全关键型设计尤为重要，直到最近，这些设计还没有在前沿节点上进行。“汽车正在成为一个更大的行业，他们很关心这一点，”福特汽车的产品营销总监马克•斯温宁(Marc Swinnen)表示有限元分析软件．“业界有很多担忧，因为人们意识到我们目前拥有的方法是不够的。但他们确实有一些东西。他们确实有老化的库，这就是他们正在使用的。有一个变通的办法，所以从这个意义上说，人们只能用现有的东西勉强度日。但我们有动力寻求更好的解决方案。”

是什么让衰老如此难以应对?SLM硬件策略总监Stephen Crosher表示:“对于复杂的高级节点soc，电路老化和退化的主题继续与单一的基本挑战作斗争-很难预测未来Synopsys对此．“随着时代模拟能力的不断发展和模型精度的提高，这一努力在半导体开发的设计阶段取得了巨大的进展。然而，我们仍然面临这样一个事实，即生产引起的工艺变化很难预测，以及芯片寿命活动。所以致命的问题就是‘不可预测性’。”

最基本的
可变性以不同的方式起作用。“今天，我们分析过程、电压和温度(PVT)的可变性，”西门子的Ramadan说。“过程本质上是统计的，它是可变性的静态来源。如果你看电压和温度，它们是变化的动态来源。电压的增加意味着会发生变化。如果你在某些电路中有更高的功率，那么温度就会升高，变化就会发生。当温度降低或电压偏置改变时，这些动态因素就会下降。当谈到来自老化的可变性时，随着时间的推移，它是一个更永久的可变性来源，因为当设备发生退化时，它是不可恢复的。当阈值电压增加时，它不会再次下降。”

除非它真的发生了。“随着时间的推移，一些老化实际上会逆转，”Ansys的斯温宁说。“有些老化可以愈合，就像在适当的条件下注射热载体一样。随着时间的推移，这些问题会逐渐缓解和消退，所以如果你暂时不用它，它实际上可能会再次改善。有很多复杂的因素，这就是问题所在。”

忽略了这种复杂性，该行业正在使用当前的方法。“有相当好的老化模型，可以为任何老化的晶体管提供BSim模型，”Swinnen继续说。“根据你对活动、温度等的假设，你可以描述标准图书馆的特征，你可以描述一个有5年历史的图书馆，一个有10年历史的图书馆，一个有20年历史的图书馆。然后在每一种状态下重新分析设计。5年，10年，20年后我的时间会是怎样的?没有人对此感到高兴。”

最大的问题是，并非所有事物的老化都是一致的。“我们需要捕捉衰老退化在时间和空间上的不均匀性，”Cadence的Divecha说。“这有时被称为差异衰老。当涉及到反映现代芯片上的实际操作时，时间上的不均匀性非常重要，这些芯片具有不同电压的多个模式。另一方面，差异老化源于各种因素。例如，芯片上的晶体管具有不同的参数(阈值电压大小)，对老化应力的反应不同。此外，相同单元的不同实例可能经历不同的活动，如占空比和切换率。因此，同一库单元格的两个实例的老化时间将不同。到目前为止，用工业解决方案可接受的成本来模拟这些影响一直是一个挑战。”

并非所有的解决方案都是优雅的。拉马丹说:“我见过大型铸造厂在蒙特卡洛进行老化。”“运行蛮力蒙特卡洛算法很耗时，运行老化算法本身也会很耗时。有研究表明，把它们放在一起运行会让你更准确地估计衰老将如何影响你的设计。大多数过度设计最终都会增加电路的功耗。这可以通过一个精确的方法来避免，即同时运行蒙特卡罗和老化。”

但这不是通解。拉马丹解释说:“你从一个新的模拟开始，有时是短时间内的压力模拟，并测量电路中每个设备的活动。”“基于这种活动，你可以计算出特定设备的老化因素。这可以测量施加在该设备上的压力有多大，可能是由于偏差条件和活动。有了这样的应力量，通过老化方程，设计中所有器件的模型参数将根据每个器件上的应力量进行更新。然后运行另一个模拟，它将代表10年后设备的实际状态。从最终的分析中，你将能够找出哪些设备在电路中造成了最大的退化。”

结合分析
然而，在将传统蒙特卡罗模拟与老化相结合时，有一些陷阱需要注意。拉马丹说:“当谈论统计分析时，人们可能会想到最坏的情况，认为这是老龄化的最坏情况。”“并非如此。可能会有一些相关性，因为最佳情况下的转角可能会驱动更多的电流，这可能会影响器件上的应力，进而影响老化。但你不能只选择最悲观的角度，然后用它来找出衰老会如何影响我的设计。也许统计上最好的情况会导致更高的年龄。”

最大的因素是活动。“衰老在很大程度上依赖于活动和热量，”斯温宁说。芯片的某些部分可能很少使用，可能只在启动时使用，这种情况每月发生一次。还有其他部分在不停地切换。整个芯片的老化是可变的，整个芯片的温度也是不同的。所以，并不是说我们不能确定这些部件对老化的反应，而是我们必须找出哪些部件会老化，老化程度有多大。然后，如果芯片的两个部分老化程度不同，就会出现时钟偏差问题。”

这不是一个简单的问题。斯温宁说:“时钟路径的一部分快，另一部分慢，以前我们只是满足持有时间，现在突然之间，5年后就不一样了。”“所以说整个芯片已经有5年或10年的历史是不够的。你真的需要个别因素。你真正需要的是能够根据一段时间内的输入、活动和温度为逻辑片段选择适当的计时模型，然后可以在运行中使用不同模型对逻辑的不同部分进行计时模拟。”

影响有多大?“在高级节点设计中，老化是一个一级问题，值得关注，”Divecha说。“即使是在产品寿命的前两年，5%到10%的退化也是很常见的。对于gpu、服务器cpu等高性能产品，在更高的电压和温度下工作，性能退化会更快。对于汽车和工业零部件等设计寿命较长的产品来说，这也是一个大问题。简单的方法，如降低时间，已经不足以解决问题。”

还能做些什么呢?
在完整的分析成为可能之前，有几种方法可以将影响最小化。

“有时在电路设计中，为了实现功能行为，需要两个或多个设备之间的完美匹配，例如差分对，”弗劳恩霍夫的janke说。“现在，如果这样一对的两个器件都受到不对称的应力，它们将以不同的方式老化，迟早差分对将失去其匹配特性。因此，缓解技术已经开发出来，在两个输入端之间定期切换差分对的输入，以避免不对称应力。”

另一种可能是跟踪设备老化的过程。Synopsys的Crosher说:“通过观察、测量和量化可操作硅内部老化的影响，你不仅能够确定降解率，还能够看到局部、差异老化的影响。”“这种可见性的吸引力在于，不仅可以在整个产品系列中看到老化趋势，而且可以在每个芯片中看到老化趋势。这允许算法预测何时需要维护或何时可能发生故障。另一个好处是，这种现场运行退化信息可以反馈到年龄模型中，以提高模拟精度。”

测量热量尤其有用。Crosher说:“虽然热测量可以被认为是一种传统的传感器，但它是迄今为止管理衰老影响的最有效的资源，特别是如果使用准确的话。”“我们不仅看到电路活动会通过自热和应力加速老化，而且还会通过电路复杂性加速老化。当考虑到高密度信号和功率跟踪之间的交叉热导率的加热效应时，复杂性与局部老化和电迁移尤其相关，而为了缓解高级节点soc的路由拥塞，越来越多的金属层加剧了这一效应。”

然而，有些东西是无法监控甚至测试的。当你看的时候电迁移这是一种衰老效应，”Swinnen说。“但你无法检测它，而且它依赖于温度。我们现在有了对温度敏感的电迁移分析。我们可以反馈芯片每个部分的温度，我们可以让电迁移极限随着局部热区域的变化而变化。然后我们可以标记那些通常看起来有足够宽的电线的区域，但因为它们太热了，所以它们不够宽。”

老化模型
与EDA中的许多事情一样，它从模型开始。“直到最近，精确的老化分析只能用香料Divecha说。“这需要专家从半导体物理、电学分析、逻辑分析、时序分析等各个学科引入知识，彻底研究问题及其影响。工业上有时采用的另一种方法是在固定老化应力条件下对图书馆进行表征。库是使用固定值的参数生成的，如应力、电压、温度、开关活动等，这用于静态时序分析，以考虑老化效应。然而，它几乎不实用，也不是一个足够准确的解决方案，因为它假设在时间和空间上均匀老化，并且需要非常高的计算资源来生成额外的库。”

不过，这方面正在取得进展。拉马丹说:“最近，我们一直在推动来自Si2下的Compact Model Coalition (CMC)的标准解决方案。”这个解决方案被称为开放模型接口。它是一种流程，使铸造厂或任何设计公司的CAD团队能够在该界面中集成老化模型，并与他们目前使用的任何模拟器一起工作。”

结论
变异性和老化都在恶化，它们在某种程度上是相互依赖的。然而，传统的蒙特卡罗模拟是不够的，因为老化是活动依赖的，尽管通常以复杂的方式进行。目前，该行业几乎没有可行的解决方案，但问题正日益严重，以至于一些行业，如汽车行业，很可能会努力寻求更全面的解决方案。

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