基于双约束M-IVC的集成电路NBTI老化缓解技术研究

摘要

在纳米工艺水平下，负偏置温度不稳定性(Negative Bias TemperatureInstability，NBTI)效应引起的电路老化成为威胁数字集成电路可靠性的一个重要因素。IVC抗老化方法是在集成电路处于待机模式时，给防护电路的输入施加输入向量，缓解电路的NBTI效应。随着该方法的改进与完善，其抗老化效果也越来越好。本文将探讨现有M-IVC方法存在的不足，提出了一种双约束的M-IVC方法。
　　现有的M-IVC方法是在待机模式下，通过非均匀的方式对电路施加多组输入向量，以此来缓解电路NBTI效应。然而现有的M-IVC仅仅考虑到输入信号的占空比约束，却忽略了输入信号波形的影响，从而也影响了电路的抗老化效果。本文提出了一种改进的M-IVC方法。首先利用遗传算法求解出防护电路的最优占空比。然后在输入占空比约束条件下，生成每个周期内波形随机的输入向量。对基于45nm晶体管工艺下的ISCAS85基准电路进行对比实验，实验结果表明，在S/A（待机时间/活动时间）为5/5的情况下，相比较现有的M-IVC方案和伪随机输入向量控制方案，采用本文方案的电路平均时延退化改善率达到为51.5％。而且随着电路待机时间的增加，使用所提方案的抗老化效果变得越好.
　　考虑本文所提方案中的输入向量需要周期更新，所以需要设计出能满足两个约束条件的向量生成器电路。本文采用了LFSR器件来实现向量的伪随机性约束，同时通过计数器来控制实现输入占空比的约束。实验结果表明，相比现有M-IVC方法，本文方案的额外面积开销平均增加了27％。对于C6288大电路来说，额外的面积开销只增加了12％。在现有的M-IVC方法和双约束的M-IVC方法（本文方案）中，通过对防护电路的防护引脚进行分类控制也能减小面积开销问题。实验结果表明，防护引脚分类控制的方法使得向量施加控制电路的平均面积开销下降38％。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 结构优化技术

1．2．2 防护控制技术

1．2．3 IVC技术缓解电路NBTI效应

1．3 本文的主要工作

第二章 研究工作基础

2．1 NBTI效应及建模

2．1．1 NBTI效应

2．1．2 NBTI效应的建模

2．2 Hspice仿真工具

2．3 静态时序分析软件

2．4 本章小结

第三章 考虑输入占空比和随机性的M-IVC方法研究

3．1 研究动机

3．2 解决方案的提出

3．3 防护电路最优输入占空比求解

3．3．1 电路时延退化计算模型

3．3．2 最优占空比的求解

3．4 考虑随机性约束下向量个数选择问题

3．5 实验仿真结果与分析

3．6 本章小结

第四章 向量生成器设计和引脚分类控制的研究

4．1 研究动机

4．2 向量生成器结构分析

4．3 向量生成器的设计

4．4 向量生成器的设计输入与仿真

4．4．1 向量生成器的设计输入

4．4．2 向量生成器的仿真结果与分析

4．5 控制向量生成器硬件开销及分析

4．6 防护电路引脚分类控制方案

4．7 引脚分类控制的面积开销评估

4．8 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 研究工作总结

5．2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士期间的学术活动及成果情况