考虑功耗的集成电路老化缓解技术的研究

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问题与负偏置温度不稳定性(Negativebiastemperatureinstability,NBTI)效应导致的电路老 化问题。在众多抗电路老化的方案中,多输入向量控制(multiinputvectorcontrol,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-IVC 技术在功耗方面的不足,论文提出一种低功耗的 M-IVC 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。