ความไม่เสถียรของอุณหภูมิเนื่องจากการเบี่ยงเบนเชิงลบเป็นปัญหาที่ร้ายแรงมากขึ้นในโหนดกระบวนการที่ทันสมัยที่สุด แต่ก็พิสูจน์ได้ว่ายากมากที่จะควบคุมด้วยวิธีการทั่วไป ในที่สุดสิ่งนั้นอาจเริ่มเปลี่ยนไป

NBTI เป็นกลไกการเสื่อมสภาพในทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามซึ่งนําไปสู่การเปลี่ยนแปลงเส้นโค้งลักษณะของทรานซิสเตอร์ระหว่างการทํางาน ผลที่ได้อาจเป็นได้ว่าวงจรทรานซิสเตอร์ทํางานผิดปกติในทิศทางที่ไม่พึงประสงค์

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง NBTI สามารถเพิ่มเวลาแฝงของพอร์ตในแอปพลิเคชันดิจิทัล ซึ่งอาจนําไปสู่การละเมิดเวลา ทําให้ผลการคํานวณผิดพลาด ในวงจรเดียวกันแม้แต่การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในลักษณะของ FET ก็อาจส่งผลเสียต่อความแม่นยําของวงจรได้ ตัวอย่างเช่น FET ที่จับคู่อาจมีอายุต่างกันและนําไปสู่ข้อผิดพลาดในตัวแปลงแบบอะนาล็อกเป็นเกียร์ Kay-Uwe Giering ผู้ร่วมวิจัยของ Fraunhofer EAS อธิบาย

“ปัญหาที่ซับซ้อนอีกประการหนึ่งคือ FET ขนาดเล็กของเทคโหนดต้องเผชิญกับปัญหาความแปรปรวนของ NBTI ในขณะที่จํานวนข้อบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับ NBTI ลดลงตามพื้นที่พอร์ตออกไซด์" Giering กล่าว "ลักษณะข้อบกพร่องยังคงกระจายอยู่อย่างกว้างขวาง ดังนั้น FET ที่มีรูปร่างเดียวกันจึงสามารถมีอายุแตกต่างกันมาก ดังนั้นการลดทอน NBTI จึงได้รับอิทธิพลจากความแปรปรวนทางสถิติซึ่งเฉลี่ยแล้วในทรานซิสเตอร์ขนาดใหญ่ ”

Jim Dodrill ผู้อํานวยการด้านเทคนิคอาวุโสของ Physical Design Group ที่ Arm ตั้งข้อสังเกตว่าอัตราการเบี่ยงเบนของแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ (Vt) จาก NBTI เร่งความเร็วที่แรงดันไฟฟ้าสูง ซึ่งอาจจําเป็นสําหรับการออกแบบจํานวนมากเพื่อให้บรรลุเป้าหมายด้านประสิทธิภาพ และที่อุณหภูมิสูงขึ้น ขับเคลื่อนโดยการดําเนินการสลับความถี่สูงและเอฟเฟกต์ความร้อนในพื้นที่ . "เอฟเฟกต์เวลาจะเด่นชัดที่สุดเมื่อแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์ลดลงเพื่อทํางานที่ระดับพลังงานต่ํา"

Magdy Abadir รองประธานฝ่ายการตลาดของ Helic เห็นด้วย "เมื่ออุปกรณ์มีอายุมากขึ้น NBTI จะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ในอุปกรณ์ PMOS สิ่งนี้นําไปสู่เวลาแฝงและข้อผิดพลาดด้านเวลาที่เพิ่มขึ้น ผลกระทบของ NBTI จะสูงขึ้นที่โหนดขั้นสูง นอกจากนี้ ผลกระทบของ NBTI จะเพิ่มขึ้นเมื่อ VDD ลดลง ซึ่งเป็นแนวโน้มทั่วไปในโหนดขั้นสูงเพื่อลดความจุ”

ทําความเข้าใจกับ NBTI

ความไม่เสถียรของอุณหภูมิขั้วลบเป็นกลไกการสลายตัวที่ส่งผลต่อทรานซิสเตอร์ PMOS เกิดจากการเปลี่ยนแปลงที่ส่วนต่อประสานระหว่างพอร์ตออกไซด์และช่องสัญญาณ ผลลัพธ์อาจเป็นอะไรก็ได้ตั้งแต่การเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์และกระแสไฟรั่วไปจนถึงการลดลงของความคล่องตัวกระแสหลบหนีและการนําไฟฟ้า

“NBTI มีความสําคัญมากขึ้นเนื่องจากขนาดกระบวนการที่ขยายออกไป" Art Schaldenbrand ผู้จัดการผลิตภัณฑ์อาวุโสของ Cadence กล่าว "มาตราส่วนกระบวนการส่งผลให้สนามไฟฟ้าบนเกตออกไซด์เพิ่มขึ้น อุปกรณ์ทํางานที่อุณหภูมิสูงขึ้นเนื่องจากมีกําลังกระจายที่มากขึ้นและชั้นเกตออกไซด์ที่ซับซ้อนมากขึ้น และปัจจัยทั้งหมดเหล่านี้มีส่วนทําให้มีโอกาสได้รับผลกระทบจาก NBTI เพิ่มขึ้น ทรานซิสเตอร์ n-channel ก็เริ่มแสดงความเป็นไปได้ที่จะได้รับผลกระทบจากความไม่เสถียรของอุณหภูมิขั้วบวก (PBTI))”

แต่ NBTI ก็คาดเดาได้ยากเช่นกัน "สิ่งที่ทําให้การวิเคราะห์ปัญหาซับซ้อนยิ่งขึ้นก็คือ ขึ้นอยู่กับวิธีการทํางานของ/ความเครียดของอุปกรณ์ มันสามารถฟื้นตัวจากผลกระทบ BTI ได้" Schaldenbrand กล่าว เนื่องจาก NBTI เพิ่มแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์และลดความคล่องตัว จึงส่งผลต่อเวลา พลังงานไดนามิก วงจรรั่วของเซลล์แบตเตอรี่มาตรฐานดิจิทัล"

การมีเพศสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EM) ทําให้เรื่องซับซ้อนเท่านั้น อาจส่งผลให้เวลาแฝงตัวแปรสูงมาก ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการสลับของสัญญาณจับคู่ชุดใหญ่

“ความผันแปรของความล่าช้าเหล่านี้ช่วยลดแอมพลิจูดของเวลาได้อย่างมาก ดังนั้นความทนทานต่อผลกระทบจากริ้วรอยของ NBTI จึงแย่ลง และข้อผิดพลาดอาจเกิดขึ้นได้เร็วขึ้น" Abadir จาก Helic กล่าว "ซึ่งแตกต่างจากการมีเพศสัมพันธ์แบบ capacitive ตรงที่การมีเพศสัมพันธ์แบบแม่เหล็กมีอิทธิพลที่หลากหลายมากและแทบจะไม่สามารถป้องกันได้ ด้วยเหตุนี้ การมีเพศสัมพันธ์แบบแม่เหล็กจึงสามารถประสบกับความแปรผันของเวลาแฝงได้มากกว่าการมีเพศสัมพันธ์แบบ capacitive การเปลี่ยนแปลงของข้อต่อแม่เหล็กเหล่านี้ยังส่งผลต่อความผันผวนของนาฬิกาและการเบี่ยงเบนในกรณีที่เลวร้ายที่สุด ซึ่งทําให้การขาดแอมพลิจูดของเวลารุนแรงขึ้น แอมพลิจูดความคลาดเคลื่อนของ NBTI จะลดลงอย่างมากเนื่องจากการมีเพศสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า”

นอกจากนี้ การรวมกันของเอฟเฟกต์แม่เหล็กและการเหนี่ยวนําที่มีอยู่ในเครือข่ายการจ่ายไฟฟ้า (PDN) ทําให้ PDN ลดลง ซึ่งลดค่าที่มีประสิทธิภาพของการจ่ายไปยังพอร์ต CMOS เขากล่าวว่าผลกระทบของ NBTI เพิ่มขึ้น

ศาสตราจารย์ Yehea Ismail จากมหาวิทยาลัยอเมริกันในไคโรกล่าวว่าการรวมตัวของแม่เหล็กเป็นที่ทราบกันดีว่าทําให้เกิดการโอเวอร์รันของเกณฑ์หรือเกณฑ์ที่ขาดหายไปในสัญญาณซึ่งอาจกลายเป็นนัยสําคัญในสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุดเมื่อสัญญาณสลับไปในทิศทางเดียวกันสร้างสนามแม่เหล็กบวก

อิสมาอิลกล่าวว่า: "ปรากฏการณ์ที่เกินเกณฑ์และขาดหายไปเหล่านี้สามารถทําให้ผลกระทบของ NBTI รุนแรงขึ้นได้อย่างง่ายดายผ่านกลไกหลายอย่าง เกินเกณฑ์ส่งผลให้สนามไฟฟ้าสูง ซึ่งอาจทําให้เกิดเอฟเฟกต์อิเล็กตรอนร้อน ซึ่งจะเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ในลักษณะที่เพิ่มเอฟเฟกต์ NBTI อย่างมาก นอกจากนี้ ความผันผวนของสัญญาณเหล่านี้รอบ VDD ที่อินพุตของพอร์ตส่งผลให้มีค่าที่มีประสิทธิภาพเท่ากับ '1' ซึ่งแตกต่างจาก VDD และเปลี่ยนเอฟเฟกต์ NBTI นอกจากนี้ การโอเวอร์ชูตเกณฑ์ส่งผลให้เกิดกระแสแบบสองทิศทางในทรานซิสเตอร์ PMOS ที่เกินกระแส CMOS ทิศทางเดียวตามปกติที่จําเป็นในการชาร์จความจุเอาต์พุตไปยัง VDD ส่งผลให้ทรานซิสเตอร์ PMOS ร้อนเกินไปและเพิ่ม NBTI”

ความน่าเชื่อถือที่ดีขึ้น

ดังนั้นการเพิ่มความน่าเชื่อถือในการออกแบบจึงสามารถทําได้หลายวิธี Ismail กล่าว "ขั้นแรก ให้สร้างแบบจําลองลักษณะทางกายภาพของการออกแบบอย่างเหมาะสม (เช่น การสกัด RLCK) และรวมแบบจําลองที่แม่นยําเหล่านี้เข้ากับการคํานวณตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพหลักของการออกแบบ (เวลาแฝง VDD ที่มีประสิทธิภาพ การใช้พลังงาน สัญญาณรบกวนการมีเพศสัมพันธ์ ฯลฯ) แทนที่จะใช้แบบจําลองธรรมดาและพึ่งพาแอมพลิจูดตามอําเภอใจและมีค่าใช้จ่ายสูง โปรดทราบว่าหากมีแหล่งที่มาของการเปลี่ยนแปลงมากมายที่สร้างแบบจําลองไม่ถูกต้องการใช้แอมพลิจูดโดยพลการจะไม่แก้ปัญหาการออกแบบที่สําคัญและอาจมีค่าใช้จ่ายสูง”

นอกจากนี้ความน่าเชื่อถือของการออกแบบยังสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยใช้แบบจําลองอายุที่เหมาะสมเพื่อประมาณอายุที่คาดหวังของอุปกรณ์ภายใต้สภาวะการใช้งานจริงและสภาพแวดล้อม

Dodrill ของ Arm แนะนําว่าวิธีที่ง่ายที่สุดในการพิจารณาอายุของทรานซิสเตอร์ในระดับ SoC คือการรวมแอมพลิจูดเวลาเพิ่มเติมสําหรับการตั้งค่าและการถือครอง "วิธีที่ซับซ้อนกว่าเล็กน้อยในการอธิบายเรื่องนี้คือการตั้งค่าช่วงวิกฤตเป็นอย่างน้อย 10% ของรอบนาฬิกาเพื่อตั้งค่าและรวมแอมพลิจูดเวลาเพิ่มเติมสําหรับเส้นทางการคงซึ่งรวมถึงนาฬิกาที่มีรั้วรอบขอบชิด การกําหนดลักษณะ IP ให้รวมผลกระทบของความชรา เช่น NBTI จะไม่เป็นประโยชน์หากไม่มีโซลูชัน STA ระดับเส้นทาง วิธีแก้ปัญหาสุดท้ายคือซอฟต์แวร์ EDA ที่คํานึงถึงอายุเมื่อทําการวิเคราะห์เวลาแบบคงที่ ซึ่งไม่ใช่งานเล็ก ๆ ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวมีบริบทการสลับที่ไม่ซ้ํากัน การสร้างแบบจําลอง การวิเคราะห์ และการกําหนดลักษณะเพิ่มเติมจะเพิ่ม IP และการออกแบบที่ต้องใช้ CPU มากอยู่แล้ว แต่นี่เป็นสิ่งจําเป็นหากเราต้องการคํานึงถึงผลกระทบของ NBTI อย่างเหมาะสมโดยไม่ต้องเพิ่มระยะขอบในแง่ร้ายมากเกินไป"

โมเดล NBTI ขั้นสูง รวมถึงตัวแปร NBTI กําลังได้รับการพัฒนาและให้บริการแก่นักออกแบบวงจร ตามรายงานของ Giering ของ Fraunhofer โมเดลขั้นสูงใช้ประโยชน์จากข้อมูลเชิงลึกทางกายภาพเพื่อให้สามารถคาดการณ์อายุ NBTI ได้อย่างแม่นยําสูง

แม้จะมีการใช้เทคโนโลยีบางอย่าง แต่ Ahmed Ramadan ผู้จัดการอาวุโสด้านวิศวกรรมผลิตภัณฑ์ของ AMS Foundry Program ที่ Mentor ซึ่งเป็นธุรกิจของซีเมนส์ กล่าวว่า NBTI เป็นหนึ่งในภัยคุกคามที่สําคัญที่สุดต่ออุปกรณ์ MOSFET ไม่ว่าจะเป็น NMOS หรือ PMOS ในวงจร VLSI ในปัจจุบัน "เมื่อความเครียดทางไฟฟ้าบนทรานซิสเตอร์เพิ่มขึ้น จะมีปัญหาที่เกี่ยวข้องกับอินเทอร์เฟซด้านซิลิกอน ด้วยความเครียดและอุณหภูมิสูงที่ใช้บนอินเทอร์เฟซนี้กับดักจะถูกสร้างขึ้นภายในชั้นออกไซด์ทําให้อุปกรณ์ค่อยๆเสื่อมสภาพ มันเป็นการสึกหรออย่างค่อยเป็นค่อยไป ไม่ใช่การสึกหรออย่างกะทันหันที่อาจเกิดขึ้นระหว่างการทดสอบอุปกรณ์เบื้องต้น ดังนั้น นั่นเป็นเหตุผลว่าทําไมมันถึงอันตราย คุณไม่สามารถออกจากมันได้ทันทีเมื่ออุปกรณ์อยู่ภายใต้ความกดดัน”

สิ่งต่าง ๆ มีแต่แย่ลงตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา "ในที่สุด วงจรทั้งหมดจะล้มเหลวเพราะทรานซิสเตอร์ช้าลง" รอมฎอนกล่าว "นอกจากนี้ยังมีปัญหาที่เกี่ยวข้องกับความเข้ากันไม่ได้ระหว่างอุปกรณ์ทั้งสอง คุณอาจมีอุปกรณ์หนึ่งที่ลดทอนมากกว่าอีกเครื่องหนึ่งซึ่งอาจเป็นส่วนหนึ่งของดิฟเฟอเรนเชียลคู่หนึ่งดังนั้นจึงเข้ากันไม่ได้อีกต่อไป และปัญหาที่เป็นไปได้อย่างหนึ่งในวงจรคือกระแสไฟรั่วอาจใหญ่ขึ้น"

นอกจากนี้ยังไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะคาดการณ์การฟื้นตัวหลังจาก NBTI "ในการคาดการณ์ความยืดหยุ่นนั้น จําเป็นต้องมีแบบจําลองไดนามิกที่ดีที่สามารถนํามาใช้ในการจําลองและสามารถคํานึงถึงผลการฟื้นตัวนี้ได้" "เมื่อพูดถึงโหนดที่ล้ําหน้าทางเทคโนโลยี คุณจะเห็นวงจรรวมที่ทํางานได้นานกว่าที่เคยเป็น ซึ่งอาจทําให้อุณหภูมิชิปสูงขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป"

อุณหภูมิที่สูงขึ้นมีผลต่อ NBTI ออกไซด์เกตบางเฉียบก็เช่นกัน

"อุปกรณ์จํานวนมากในโหนดเทคโนโลยีขั้นสูงใช้ออกไซด์ที่บางเฉียบสําหรับพอร์ต และเทคนิคในการลดการใช้ออกไซด์ที่บางเฉียบอาจทําให้เกิดการรั่วไหลได้" รอมฎอนกล่าว เพื่อแก้ปัญหาการรั่วไหลนี้จะใช้อิเล็กทริก k สูงร่วมกับพอร์ตโลหะ หากคุณใช้อิเล็กทริก k สูง แสดงว่าคุณสามารถใส่กับดักอินเทอร์เฟซซิลิกอนไดออกไซด์ได้มากขึ้น ในทางกลับกัน พวกเขาสามารถสร้างโอกาสที่สูงขึ้นของภาวะเศรษฐกิจถดถอยอันเนื่องมาจากสาเหตุเช่น NBTI นี่คือเหตุผลที่ปัญหานี้รุนแรงยิ่งขึ้นในโหนดขั้นสูงทางเทคโนโลยีที่ออกไซด์บาง ๆ ใช้อิเล็กทริก k สูง”

สู่มาตรฐานที่มากขึ้น

ตอนนี้ผู้ให้บริการเครื่องมือ EDA แต่ละรายใช้โมเดลที่เป็นกรรมสิทธิ์ของตนเองเพื่อคาดการณ์ความยืดหยุ่นไม่ได้ช่วยอะไร แต่ความคืบหน้าก็เกิดขึ้นที่นั่นเช่นกัน

“ไม่มีแบบจําลองมาตรฐานในขณะนี้" รอมฎอนกล่าว "ผู้ให้บริการ EDA ได้พัฒนาแบบจําลองสําหรับสิ่งนี้ อย่างไรก็ตามทั่วทั้งอุตสาหกรรมโรงหล่อกําลังพัฒนาแบบจําลององค์กรต่างๆก็กําลังพัฒนาเช่นกันดังนั้นคณะกรรมการมาตรฐานรวมถึง Compact Model Alliance (CMC) จึงใช้ความพยายามอย่างมากในการพัฒนาแบบจําลองมาตรฐานสําหรับกระบวนการชรา กําหนดเป้าหมายไม่เพียง แต่ NBTI เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการฉีดพ่นพาหะร้อน TDDB (การย่อยสลายของเกตออกไซด์ตามเวลา) และกลไกการย่อยสลายอื่นๆ เป็นความร่วมมือระหว่างบริษัทต่างๆ รวมถึงโรงหล่อ ซัพพลายเออร์ EDA IDM และสถาบันการศึกษา เช่น University of California at Berkeley, University of Hiroshima และอื่นๆ.”

อีกครั้งเนื่องจากความน่าเชื่อถือและการจําลองอายุมีความสําคัญมากขึ้นด้วยโหนดขั้นสูง NBTI จึงเป็นส่วนสําคัญของการออกแบบและการผลิตที่ต้องได้รับการแก้ไข

ในด้านโรงหล่อผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์บางรายสามารถจัดการทุกอย่างได้ตั้งแต่การจัดหาและการปรับแบบจําลองไปจนถึงเทคโนโลยีของตน โมเดลเหล่านี้อาจเป็นทางกายภาพหรือทางกายภาพบางส่วน และบางส่วนเป็นการทดลองเพื่อให้เหมาะกับเทคโนโลยี โรงหล่อบางแห่งได้พัฒนาอินเทอร์เฟซอายุของตนเอง ซึ่งสามารถใช้เพื่อเรียกใช้การจําลองวงจรบนโซลูชันของผู้จําหน่าย EDA ในปัจจุบันทั้งหมด

อินเทอร์เฟซอายุนี้จําเป็นต่อการจําลองอายุ และตอนนี้ผู้จําหน่ายเครื่องมือ EDA รายใหญ่ที่สุดแต่ละรายมีโซลูชันสําหรับอายุของตนเอง มีความกังวลเพิ่มขึ้นว่าโรงหล่ออาจไม่ต้องการสนับสนุนโซลูชันทั้งหมดเหล่านี้ต่อไป และด้วยเหตุนี้ CMC จึงทํางานในช่วงเจ็ดปีที่ผ่านมาเพื่อพัฒนาอินเทอร์เฟซอายุมาตรฐาน อินเทอร์เฟซนี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับเครื่องจําลอง ดังนั้นหากรองรับโดยเครื่องมือ EDA จากผู้จําหน่าย EDA หลายราย ก็สามารถให้อินเทอร์เฟซเฉพาะที่โรงหล่อสามารถใช้ได้ สิ่งที่พวกเขาต้องทําคือพัฒนาโมเดลของตนเอง ใส่ลงในอินเทอร์เฟซ และจะทํางานร่วมกับผู้ให้บริการ EDA ที่หลากหลาย.

ผู้เสนอให้เหตุผลว่าสิ่งนี้จะทําให้ลูกค้าไม่ต้องพึ่งพาโซลูชันเดียวจากผู้ให้บริการ EDA รายเดียว แทนที่จะมุ่งเน้นไปที่อินเทอร์เฟซ ความพยายามของอุตสาหกรรมสามารถมุ่งเน้นไปที่วิธีที่โมเดลแสดงถึงเทคโนโลยีที่อุตสาหกรรมและลูกค้าต้องการในปัจจุบันได้อย่างถูกต้อง

หลายฝ่ายจะยังคงพยายามปรับปรุงความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์โดยจัดการกับปัญหาอายุและ NBTI ในทุกวิถีทางที่เป็นไปได้