理解和緩解光子網(wǎng)絡(luò)芯片中的VBTI老化效應(yīng)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言隨著芯片架構(gòu)向著數(shù)百個(gè)處理核心的多核方向發(fā)展，傳統(tǒng)的電子網(wǎng)絡(luò)芯片（ENoCs）在滿足不斷增加的核心間通信需求方面面臨挑戰(zhàn)。光子網(wǎng)絡(luò)芯片（PNoCs）作為一種有前途的替代方案出現(xiàn)，提供了接近光速的信號(hào)傳播、高帶寬密度和低動(dòng)態(tài)功耗等優(yōu)勢(shì)。然而，PNoCs也面臨自身的挑戰(zhàn)。影響PNoCs長期可靠性和能源效率的一個(gè)關(guān)鍵問題是微環(huán)諧振器（MRs）的電壓偏置溫度誘導(dǎo)（VBTI）老化，這些MRs是光子鏈路中的關(guān)鍵組件。
" v% H8 b4 e  ?
" D: F+ }% ^& z" z, ~/ G( _- w本文概述了PNoCs中的VBTI老化效應(yīng)，解釋了其對(duì)系統(tǒng)性能和能源效率的影響，并討論了緩解技術(shù)，重點(diǎn)關(guān)注4脈沖幅度調(diào)制（4-PAM）信號(hào)作為一種主動(dòng)解決方案。

. Q, H; k6 v! m" Z  B# ?微環(huán)諧振器中的VBTI老化機(jī)制
微環(huán)諧振器是PNoCs中用作調(diào)制器、接收器和開關(guān)的緊湊型、波長選擇性器件。在硅核中包含一個(gè)PN結(jié)，在周圍的二氧化硅包層中包含一個(gè)微加熱器。MR的共振波長可以通過操縱PN結(jié)的電壓偏置來改變自由載流子濃度，或通過操縱微加熱器的電壓偏置來改變局部溫度進(jìn)行調(diào)整。
! {, ?7 K( r1 {
圖1：具有PN結(jié)的可調(diào)諧MR橫截面，用于通過電壓偏置實(shí)現(xiàn)載流子注入和耗盡。

; M& T1 V' `( G  V% y! g# r! y) |當(dāng)在MR的PN結(jié)上施加負(fù)電壓時(shí)，會(huì)在Si-SiO2界面產(chǎn)生電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)與熱變化相結(jié)合，隨時(shí)間推移導(dǎo)致在這些界面上產(chǎn)生陷阱，類似于MOSFET中的老化過程。這種現(xiàn)象被稱為VBTI老化。
6 Y8 c, r5 H  X) b
陷阱生成機(jī)制可以用以下化學(xué)反應(yīng)表示：

9 o# R/ H! U* Z- S$ dSi-H + h+ → Si* + H
/ K8 U+ W5 D! t' m3 c- a
其中h+代表MR的Si核中的空穴，Si-H是硅-氫鍵，Si*是產(chǎn)生的硅懸掛鍵，作為類似施主的界面陷阱。
9 T/ m; J/ e. t$ Z+ g7 o) }# E
$ \1 L5 c- J6 a( |8 uVBTI老化對(duì)MR特性的影響
VBTI老化主要通過兩種方式影響MR特性：

共振紅移：隨著界面陷阱增加，MR核心中的空穴濃度減少，導(dǎo)致核心的折射率增加。這導(dǎo)致MR的共振波長發(fā)生紅移。

共振通帶展寬：MR核心與周圍環(huán)境之間折射率對(duì)比度的增加導(dǎo)致光散射損失增加，從而導(dǎo)致MR的Q因子降低（即共振通帶寬度增加）。
& c& y3 P: n& Z: P' Q2 ?+ I: [[/ol]

; Y9 q! A" f5 h, L
. S! ?6 }! I3 J; L6 A( h5 g6 }圖2：在三個(gè)工作溫度300 K、350 K和400 K下，共振波長紅移（ΔλRWRS）和QA隨時(shí)間的變化。


圖3：在四個(gè)偏置電壓-2 V、-4 V、-6 V和-8 V下，QA和共振波長紅移（ΔλRWRS）隨工作時(shí)間的變化。

# G) |. ~. y$ |, T+ O9 C4 R這些圖表顯示，更高的工作溫度和電壓偏置水平會(huì)加速M(fèi)Rs中的VBTI老化。

/ i* `2 ]& s4 ^0 d& C+ l/ x. GVBTI老化對(duì)基于DWDM的OOK鏈路的影響
為了理解VBTI老化對(duì)基于密集波分復(fù)用（DWDM）的開關(guān)鍵控（OOK）鏈路的影響，我們需要檢查源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的效應(yīng)。

在源節(jié)點(diǎn)：

圖4說明：頻域中示例源節(jié)點(diǎn)的圖示（a）老化前和（b）老化后。

! R/ m5 S# l: i2 J3 P( HVBTI老化導(dǎo)致調(diào)制器MRs的共振發(fā)生紅移并增加通帶寬度。這導(dǎo)致信號(hào)頻譜與MRs共振波長之間的不對(duì)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致調(diào)制效率降低和互調(diào)串?dāng)_增加。
; k: E8 A1 g& @# T; H5 }" X: C
在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)：
; w% P1 B% f" N! @1 [
0 i) I+ }6 r$ v  {8 _/ j2 i5 C, j圖5：頻域中示例目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的圖示（a）老化前和（b）老化后。

6 p( Y2 ], h0 w+ B$ v+ u9 q) X老化引起的接收器MRs變化加劇了兩種現(xiàn)象：

信號(hào)側(cè)帶截?cái)啵?/strong>MR通帶與信號(hào)頻譜之間的不完全頻譜重疊。

外差串?dāng)_：MR通帶與相鄰非共振信號(hào)頻譜的部分重疊。
7 o& s9 n. C7 U( H[/ol]
這些效應(yīng)導(dǎo)致信號(hào)退化和濾波/接收光信號(hào)的平均頻譜功率衰減。

緩解VBTI老化影響
有兩種主要方法來緩解VBTI老化影響：反應(yīng)式和主動(dòng)式技術(shù)。
! x% L" K  k/ p) S
1. 反應(yīng)式緩解：

局部修整：這種技術(shù)可以通過在MRs共振中引入藍(lán)移來抵消老化引起的共振紅移。但是，可能會(huì)導(dǎo)致MR通帶進(jìn)一步展寬。

串?dāng)_緩解技術(shù)：先前的工作提出了各種方法，但通常會(huì)帶來顯著的性能和/或面積開銷。
% q4 v0 R9 b' t, _, I. {. G# n# I
9 E$ D. B1 g# ^2 w5 }/ I2. 主動(dòng)緩解：4-PAM信號(hào)
' B4 q+ n" H( W2 z4-PAM信號(hào)作為一種有前途的低開銷技術(shù)，可主動(dòng)緩解VBTI老化影響。
! Z8 ~/ H! H1 p! I

圖6：（a）開關(guān)鍵控（OOK）信號(hào)方法和（b）四脈沖幅度調(diào)制（4-PAM）信號(hào)方法的時(shí)域表示圖示。

4-PAM使用四個(gè)光傳輸級(jí)別在一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)中表示兩位信息，在給定信號(hào)波特率的情況下，有效地將帶寬翻倍。
6 v; s+ V' b+ l: z  h& V+ \  w
9 R& \  I. J4 ?- o# o

& }# n+ K2 |+ l+ @0 i2 l! J9 }+ K圖7：頻域中（a）基于OOK和（b）基于4-PAM的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)圖示。

4-PAM信號(hào)在緩解VBTI老化效應(yīng)方面的主要優(yōu)勢(shì)是：
* t8 c. R' l5 w

更寬的信道間隔：4-PAM允許相鄰波長信道之間的信道間隔增加兩倍，自然最小化外差串?dāng)_。

主動(dòng)防范串?dāng)_：更寬的間隔為VBTI老化引起的MRs共振通帶展寬所導(dǎo)致的加劇串?dāng)_效應(yīng)提供了緩沖。

+ E, z% Y- `7 c2 z6 ~3 g評(píng)估結(jié)果
! f! K6 D; G0 }  V" L  v為了展示4-PAM信號(hào)在緩解VBTI老化影響方面的有效性，比較了CLOS PNoC架構(gòu)的兩種變體：CLOS-OOK（使用傳統(tǒng)OOK信號(hào)）和CLOS-4PAM（使用4-PAM信號(hào)）。

6 L$ M; O4 P/ b- N( I3 Z- I
& l$ u/ W3 S, m圖8：CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs在1年、3年和5年老化后在100個(gè)PV圖上的最壞情況信號(hào)功率損失。

主要觀察結(jié)果：
* c  ^( h& M* |

VBTI老化隨時(shí)間增加CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs的最壞情況信號(hào)功率損失。

在老化條件下，CLOS-4PAM PNoC始終表現(xiàn)出比CLOS-OOK PNoC更低的信號(hào)功率損失。

3 L6 E4 X9 o# u8 G: f& y
8 s* o  A: Q9 S1 h9 |0 \4 G
圖9：基線CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs與經(jīng)過3年VBTI老化的變體在PARSEC基準(zhǔn)測(cè)試中考慮100個(gè)PV圖的每比特能耗（EPB）比較。
! l& F) i, E& w5 X% ]
5 ~! O' x  o; c; Y9 A+ c
圖10：基線CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs與經(jīng)過5年VBTI老化的變體在PARSEC基準(zhǔn)測(cè)試中考慮100個(gè)PV圖的每比特能耗（EPB）比較。
/ @7 q+ ~2 A$ e+ g0 u$ O
這些結(jié)果表明：

VBTI老化增加了CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs的每比特能耗（EPB）。

經(jīng)過3年VBTI老化的CLOS-4PAM PNoC比未經(jīng)老化的基線CLOS-OOK PNoC實(shí)現(xiàn)了5.5%更好的能源效率。
% U1 R& E. ]9 j5 p
結(jié)論
; K: G* Q- T0 M, n7 a* _4 o, nVBTI老化對(duì)光子網(wǎng)絡(luò)芯片的長期可靠性和能源效率構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。通過理解VBTI老化的基本機(jī)制和影響，我們可以制定有效的緩解策略。4-PAM信號(hào)的使用成為一種有前途的主動(dòng)解決方案，即使在多年老化后，仍能提供比傳統(tǒng)基于OOK的架構(gòu)更好的能源效率。隨著我們繼續(xù)推動(dòng)多核芯片設(shè)計(jì)的邊界，解決VBTI老化等可靠性挑戰(zhàn)對(duì)于光互連技術(shù)的廣泛采用將至為重要。
# W: S. Q1 z0 }* x6 M9 M9 W  p
* @7 Y1 i, z: V參考文獻(xiàn)
* p  U7 g, [3 X* o. `5 g[1] M. Nikdast, S. Pasricha, G. Nicolescu, and A. Seyedi, Eds., Silicon Photonics for High-Performance Computing and Beyond, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2021.

END
7 D9 k- H4 R8 h4 j0 a$ V% o
; x6 O: S3 n8 [3 U- n. z
軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)
( q% u& O$ O4 \  G; u- i+ k9 @
1 P( [4 L; q9 T+ c  l, U8 }歡迎轉(zhuǎn)載
" _" f! ~! w* j1 \- D
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
6 Q5 L3 F$ M0 A" q

  E1 g2 d0 Y8 [4 ^/ i
9 {" f. G$ z" |1 t6 y
. t2 [" N; W, s$ @; q" N
1 G% V; I0 c' s" J+ ~# y關(guān)注我們

& T1 O' p! j, b$ [8 ^( u  c) l: I: b

% b9 N9 p, k2 z% _6 N6 _, X, X

2 T- |+ Y; I! `4 q4 z$ w& g

0 x4 Z. I, {  h: i" U2 R8 ~ % T3 ~/ C. e1 y6 u

                     
6 ^5 p  k9 X5 W; N, z

* c" g7 m1 x0 y9 {2 X
& B. ?4 @9 \8 K1 p2 V關(guān)于我們：
深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
8 e+ [/ w8 S2 Z
7 K4 D* g7 E- j5 C& C% p3 @http://www.latitudeda.com/
# e2 W8 F, t9 B# ?（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）