張璐雅，羅蘭

（解放軍西安通信學(xué)院基礎(chǔ)部應(yīng)用技術(shù)教研室，西安710106）

數(shù)字電路老化失效預(yù)測(cè)與防護(hù)

張璐雅，羅蘭

（解放軍西安通信學(xué)院基礎(chǔ)部應(yīng)用技術(shù)教研室，西安710106）

隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，數(shù)字電路的性能得到很大的提高，但是電路老化現(xiàn)象變得異常嚴(yán)重。本文針對(duì)電路老化現(xiàn)象進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并提出了相應(yīng)的防護(hù)措施。

數(shù)字電路老化；失效預(yù)測(cè)；防護(hù)

1　導(dǎo)致數(shù)字電路老化的原因及影響

現(xiàn)在電子技術(shù)發(fā)展很快，電子產(chǎn)品的集成度也越來(lái)越高，工藝相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，在制造的過(guò)程中，會(huì)因?yàn)槭褂玫牟牧稀⒃O(shè)計(jì)和工藝程序不合理導(dǎo)致產(chǎn)品不符合要求，在使用過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品老化很快，結(jié)構(gòu)組織不穩(wěn)定。電路的老化也很容易受溫度、濕度等外在環(huán)境的影響，電路在長(zhǎng)期工作狀態(tài)下，就會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高而出現(xiàn)老化現(xiàn)象。

數(shù)字電路老化在不同的層次有不同的表現(xiàn)特征。在器件級(jí)，電路的老化會(huì)使邏輯門翻轉(zhuǎn)的速度逐漸減慢；在電路級(jí)，老化會(huì)增大電路的整體時(shí)延，引起時(shí)序違例，最終會(huì)導(dǎo)致電路的失效；在晶體管級(jí)，電路老化會(huì)使晶體管發(fā)生飽和，漏極電源逐漸減小，電壓升高。電路老化會(huì)使數(shù)字電路的性能大幅度下降，因此，只有對(duì)數(shù)字電路老化進(jìn)行失效預(yù)測(cè)和防護(hù)才能提高電子產(chǎn)品的性能，也能減少后期的維護(hù)成本，延長(zhǎng)電路壽命。

2　數(shù)字電路老化失效預(yù)測(cè)方法

2.1建立相關(guān)數(shù)字老化模型

建立老化電路模型可以更好地分析電路中比較敏感的通路，能有效預(yù)測(cè)電路的老化現(xiàn)象。數(shù)字電路的基本組成元件是晶體管，所以建立晶體管級(jí)的老化模型受到越來(lái)越多的關(guān)注。在現(xiàn)代納米工藝中，電路老化的主要因素就是NBTI效應(yīng)，所以晶體管老化模型的研究目標(biāo)就是NBTI效應(yīng)。在該效應(yīng)中，由于表面硅氫鍵斷裂，晶體管中就會(huì)有氫氣溢出，這樣就會(huì)引起闕值電壓的升高。反應(yīng)晶體管老化的主要參數(shù)就是闕值電壓，通過(guò)電壓變化和時(shí)延變化值進(jìn)行整合，來(lái)進(jìn)行電路老化失效的預(yù)測(cè)。

2.2對(duì)數(shù)字電路老化進(jìn)行在線測(cè)試

在數(shù)字電路中采用aging sensor的老化測(cè)試方法，通過(guò)判斷時(shí)鐘采樣沿和邏輯信號(hào)的跳變來(lái)判斷電路是否存在問(wèn)題。Aging sensor的在線監(jiān)測(cè)是檢測(cè)電路老化比較常用的方法，電路老化主要表現(xiàn)在路徑時(shí)延的增加，圖1就是基于aging sensor的老化在線測(cè)試結(jié)構(gòu)。

圖1　Aging sensor的老化在線測(cè)試結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of online test structure for sensor Aging

它的測(cè)試方式可分為老化檢測(cè)和預(yù)測(cè)兩種，檢測(cè)的目的主要是發(fā)現(xiàn)數(shù)字電路中存在的問(wèn)題和故障，如果電路存在問(wèn)題時(shí)，會(huì)發(fā)出預(yù)警信號(hào)；老化測(cè)試的目的是在電路要發(fā)生故障時(shí)，發(fā)出預(yù)示信號(hào)，圖2、圖3揭示了預(yù)測(cè)和檢測(cè)之間的區(qū)別。檢測(cè)窗口在時(shí)鐘采沿之后叫做Detection Slack，預(yù)測(cè)窗口采沿之前叫作Guardband［1］。

圖2　老化預(yù)測(cè)和老化檢測(cè)的區(qū)別Fig.2 The difference between the aging prediction and the aging test.

圖3　老化檢測(cè)和老化預(yù)測(cè)判定窗口的區(qū)別Fig.3 The difference between the window of the aging test and the aging prediction

在預(yù)兆單元的基礎(chǔ)上進(jìn)行老化測(cè)試，首先在電路中插入一條功能電路做參考。在測(cè)試中，要采集預(yù)兆單元上的數(shù)據(jù)和正常標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)相比較，通過(guò)比較數(shù)據(jù)來(lái)看電路的老化情況。

3　數(shù)字電路老化的防護(hù)

第一，調(diào)整工作參數(shù)。調(diào)整工作參數(shù)就是通過(guò)調(diào)整電路工作中的相關(guān)電氣參數(shù)來(lái)防止物理器件的快速老化。目前主要通過(guò)調(diào)整電路的頻率和動(dòng)態(tài)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。闕值電壓的不斷升高，會(huì)導(dǎo)致器件的翻轉(zhuǎn)速度下降，將電壓調(diào)小，就可以減少闕值升高帶來(lái)的問(wèn)題。

第二，輸入向量控制。輸入向量控制是指在電路靜止?fàn)顟B(tài)下，向電路輸入向量，使老化的晶體管柵級(jí)保持高電平，使晶體管處于恢復(fù)時(shí)期，用來(lái)減緩電路的老化現(xiàn)象。

采用時(shí)序拆借的老化容忍方法也能在一定程度上延緩電路老化，主要針對(duì)的是流水電路，利用的是不同的路徑時(shí)序量不同的原理，在路徑增大時(shí)，挪用其他路徑上的時(shí)序量增大本路徑的時(shí)間，從而防止時(shí)序違例情況的發(fā)生。但是這種方法只適用于流水電路的防護(hù)［2］。

第三，合理控制受壓時(shí)間來(lái)延緩電路老化。晶體管的受壓時(shí)間越長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致電路老化情況越來(lái)越嚴(yán)重?？刂凭w管的受壓時(shí)間能有效減緩電路老化，如果不是非常必要的情況下，盡量讓它保持空載狀態(tài)，這樣就可以減緩晶體管的老化速度。其中最常用的方法就是控制冗余電路分流工作和控制邏輯門帶電時(shí)間。

4　結(jié)語(yǔ)

納米技術(shù)下數(shù)字電路的應(yīng)用雖然給人們的生活帶來(lái)了很多方便，但是它也存在老化嚴(yán)重這一問(wèn)題，應(yīng)該加強(qiáng)數(shù)字電路的預(yù)測(cè)和防護(hù)，減緩電路的老化，延長(zhǎng)電路的使用壽命。

［1］徐輝.集成電路老化預(yù)測(cè)與容忍［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

［2］史冬霞.數(shù)字集成電路老化預(yù)測(cè)及單粒子效應(yīng)研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

［3］嚴(yán)魯明，梁華國(guó)，黃正峰.基于時(shí)-空冗余的集成電路老化失效防護(hù)方法［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2013，（01）：38-44.

Failure Prediction and Protection of Digital Circuit Aging

ZHANGLu-ya,LUOLan
(Department ofApplied Technology,Xi'an Communication Institute,Xi'an 710106,China)

With the development ofsemiconductor technology,the performance ofdigital circuit has been greatlyimproved,but the phenomenon of circuit aging has become very serious.In this paper,the phenomenon of circuit aging is predicted,and the corresponding protective measures are put forward.

Digital circuit aging;Filure prediction;Protection

TN79

A

1674-8646（2015）09-0086-02

2015-05-29