Проблема старения, моделирование и проектирование ИС

Проблема старения, моделирование и проектирование ИС

Выпуск 6(6730) от 25 марта 2021 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

По мере масштабирования ИС работы по их проектированию сталкиваются со все большим количеством проблем. Это и старение конструкций ИС, и вопросы потребляемой мощности, и вопросы тепловыделения… Их решение переносится на все более ранние этапы процесса проектирования, начиная с уровня архитектуры. Все более острым становится и вопрос обеспечения надежности. Он усугубляется тем фактом, что многие из приборов, как ожидается, будут служить дольше, чем в прошлом. При этом традиционные подходы к повышению надежности плохо сочетаются с новейшими ИС, реализуемыми по минимальным проектным нормам, делая их неконкурентоспособными.

При проектировании ИС с высокой надежностью разработчики уже давно рассматривают старение как одну из важнейших проблем. К подобным применениям в первую очередь относились ИС для автомобильной, медицинской электроники, а также систем, работающих в крайне жестких условиях окружающей среды. Теперь же такой подход становится обычным при проектировании стандартных ИС широкого круга применений.

Отмечается, что на технологических уровнях с меньшими проектными нормами и возрастающими требованиями к быстродействию старение становится гораздо более важным конструктивным соображением. Влияние фактора старения должно быть оценено и учтено во временных ресурсах на ранних этапах проектирования. Кроме того, появляется необходимость в верификации, подтверждающей, что окончательный временной ресурс проектируемой ИС соответствует предполагаемому ресурсу старения.

Важность решения проблемы старения теперь касается не только критически значимых систем (с точки зрения их безопасности и непрерывности функционирования), но и многих других областей, включая сложнофункциональные (СФ) блоки, инструментальные средства САПР и т. д. Вместе с увеличением потребности в моделях старения растут возможности использовать для моделирования старения инструментальные средства САПР. В этом плане значительное внимание уделяется программам моделирования типа SPICE и FastSPICE. То есть общей практикой проектировщиков ИС и конечных электронных систем становится моделирование старения СФ-блоков и микросхем.

Самый существенный фактор изменчивости параметров, влияющих на срок службы, – ​температура. Работа электроники при пониженных температурах часто оказывает значительное воздействие на срок службы и старение ИС. Другой фактор – ​потребляемый ток. Более сильный ток может сократить срок службы из-за электромиграции и других нежелательных эффектов. Современные методы проектирования ИС сталкиваются с рядом противоречий из-за того, что вычислительная плотность увеличивается при каждом уменьшении проектных норм. Одновременно снижение напряжения оказывает влияние на увеличение потребляемого тока в пределах одной и той же огибающей мощности. В последние несколько лет в ряде приложений наблюдается тенденция к росту рабочих токов при более высоких температурах, что делает обеспечение надежности более сложной задачей.


Влияние геометрии

Хотя основные вызывающие старение механизмы не изменились, их значение на каждом новом технологическом узле с меньшими проектными нормами увеличивается. Надежность зависит от размера прибора, в частности от длины канала. По мере того как длина канала сокращается, эффект короткого канала становится более выраженным. Электрическое поле внутри канала может увеличиваться. При разработке приборов с проектными нормами 45 нм и менее фактор надежности необходимо рассматривать все более пристально.

Это не означает, что конструкции, реализованные на более зрелых технологических уровнях (с бóльшими проектными нормами), могут безопасно игнорировать проблему старения. Хотя данная проблема в большей мере актуальна на уровне технологий с проектными нормами 28 нм и менее, она существует и у приборов с проектными нормами 40 нм и более. В последнее время узкоспециализированные кремниевые заводы, предоставляющие услуги по изготовлению ИС с минимальными размерами топологических элементов 130 и 180 нм, начинают рассматривать возможность предоставления своим клиентам моделей старения. Это вызвано в первую очередь запросами самих клиентов.

Новые технологии повышают серьезность проблемы старения. Некоторые технологии старения были известны уже на уровне 28‑нм проектных норм – ​например, при снижении толщины затворов конструкция становится подверженной чрезмерной напряженности. При этом помимо уменьшения минимальных размеров топологических элементов происходили и архитектурные изменения, такие как переход к FinFET-транзисторам с характерными для него новыми механизмами старения, такими как структура «плавника», что делает проблему старения более заметной.

Одна из крупных проблем – ​неравномерное масштабирование при переходе к геометриям ИС с уменьшенными размерами элементов. Темпы масштабирования длины и ширины транзисторов опережают аналогичные показатели в случае подзатворного слоя оксида, что приводит к возникновению в приборе дополнительной напряженности. Также возникают вопросы с масштабированием рабочего напряжения из-за отсутствия достаточного пространства выше порогового напряжения. Это, в свою очередь, приводит к росту напряженностей, с которыми будет сопряжена работа прибора.

Масштабирование затвора без масштабирования напряжения порождает серьезную проблему. Если условный транзистор потреб-ляет тот же ток, что и старые транзисторы с бóльшими проектными нормами, то это приводит к увеличению плотности мощности. Это же относится и к выделяемому теплу, с которым связана значительная доля проблем старения. Особенно четко это проявляется при переходе от планарных к FinFET-транзисторам, в которых может наблюдаться самонагрев. Все это обостряет проблемы с надежностью и вынуждает проектировщиков искать пути их смягчения с целью достичь -сколь-либо приемлемого срока службы приборов.

Проблема обостряется и по мере увеличения числа кристаллов ИС, размещаемых в одном модуле. При этом многие из перспективных конструкций модулей уникальны, а кристаллы ИС в них могут стареть с разной скоростью. Крупнейшей проблемой становится огромное число вариантов реализации. Зачастую даже непонятно, как их сравнивать. Проектирование ИС облегчается в случае наличия предшествующих поколений, теперь же имеется огромный выбор как модулей (корпусов), так и используемого в них ПО.

Количество вероятных нештатных ситуаций возрастает и внутри модуля. Помимо коробления или деформации существует и механическая напряженность, и потенциал рассогласования тепловых параметров. Необходимо обеспечивать питание всех входящих в модуль кристаллов даже при выходе из строя отдельных микроконтактных столбиков. Но в результате уменьшения их числа могут возникать скачки тока, что будет приводить к отказам других микроконтактных столбиков. Понимание того, как соединяются различные элементы ИС или модуля, требует проведения гораздо более глубокого анализа на всем протяжении процесса проектирования.


Модели старения

Анализ начинается с наличия подходящих моделей, иначе моделирование явлений, которые не до конца понятны, может оказаться слишком сложным. Всегда существует возможность, что проектировщик не знает, достаточно ли точны модели на самом деле.

В конечном счете модели предсказывают старение каждой конкретной схемы, и только время и эксплуатация схем показывают точность и правильность прогнозов, получаемых при использовании той или иной модели. Это сложный вопрос, и дело не только в уже известных механизмах старения. Существуют также явления саморазогрева, изменчивости параметров процесса, проявления метода Монте-Карло и другие эффекты, которые необходимо учитывать при анализе любой конкретной схемы. Кремниевые заводы в сотрудничестве с поставщиками инструментальных средств САПР и другого инструментария постоянно совершенствуют свои модели старения. Их цель – ​повысить точность на основе измерений физического уровня.

Применимость привычных методов, таких как длительные непрерывные испытания, которые были успешны в случае традиционных приборов, по отношению к новым типам приборов и приборных архитектур сомнительна. Сейчас требуется получать результаты моделирования и испытаний как можно быстрее. Для этого нужны эквиваленты процессов старения, позволяющие за короткий промежуток времени осуществить те же изменения, которые в «реальной жизни» происходят за длительный срок. Соответственно, возникает потребность в новых теоретических обоснованиях и наработках.

Отраслевые специалисты работают над этой проблемой довольно давно – ​«Коалиция разработки компактных моделей» (Compact Model Coalition, CMC) существует уже более 20 лет. В ее рамках около семи лет назад началось обсуждение стандартной модели старения. В то время не удалось прийти к единому стандарту в отношении инжекции горячих носителей (hot-carrier injection, HCI), нестабильности температуры при отрицательном напряжении смещения (negative-bias thermal instability, NBTI) и ряда других вопросов, которые удовлетворяли бы все сообщества кремниевых заводов и проектировщиков.

Такая ситуация приводит к тому, что последнее слово остается за фирмами--производителями ИС. Например, корпорация Xilinx гарантирует, что ее коммерчески доступные вентильные матрицы, программируемые пользователем (FPGA), будут оставаться надежными не менее 10 лет при соблюдении эксплуатационных параметров. Специалисты корпорации указывают, что существуют две ситуации, которые могут потребовать дальнейшего рассмотрения и анализа: проект создания ИС, требующих гарантированного срока службы более 10 лет, или проект, в рамках которого закладываются возможности превышения эксплуатационных условий и понимания воздействия этого на срок службы. Корпорация обладает имитационными моделями, инструментальными средствами анализа и данными о надежности, которые могут быть использованы применительно к некоторым условиям эксплуатации конкретных приборов. Это позволяет не только точно настроить спецификации срока службы, но иногда и определить более эффективный рабочий диапазон. Работы в этой области специалисты корпорации Xilinx проводят уже длительное время и постоянно совершенствуют свои модели на основе последних теоретических и эмпирических данных.

Работа в рамках СМС продолжается, но единые модели пока не созданы. Каждый кремниевый завод и фирма--проектировщик ИС создает собственные модели. Некоторые из них изначально являются моделями физического уровня. Одновременно есть и большое число эмпирических формулировок, которые также можно подстроить к современным технологическим процессам и целевым применениям. Но остается вопрос в надежности этих моделей. Основное требование к ним – ​их способность дать достаточно точную оценку степени деградации приборов, которая может наступить при различных условиях эксплуатации.

Специалисты отмечают, что даже при наличии точных моделей существует достаточно других источников неточности. Сама природа моделирования старения основана на множестве приближений. Моделирование старения осуществляется в течение относительно короткого периода, а затем на основе его результатов делается экстраполяция на предполагаемый период. В экстраполяциях наличие приближений неизбежно, и для подтверждения данных моделирования требуется несколько лет реальной эксплуатации.

Наконец, вопрос старения нельзя рассматривать сам по себе. Значительную роль играет изменчивость параметров технологического процесса, усложнение приборных архитектур (включая увеличение плотности расположения затворов) и многое другое. Именно поэтому существует критическая потребность в том, чтобы в перспективных приборах использовалась -какая-либо форма встроенных измерений (см. рисунок). Если разработчики и производители получат возможность осуществлять измерения состояния ИС в реальном масштабе времени, увидеть процесс деградации и старения приборов, то они смогут предпринять меры по смягчению или устранению возникающих проблем.



Источник: Synopsys

Внедрение в конструкцию датчиков старения, предназначенных для анализа жизненного цикла

* РМ – распределение мощности.

** МН – мониторинг напряжения.

*** ТИ – тепловые измерения.

**** ЦТИ – цифровые температурные измерения.


На чем сосредоточиться?

Анализ и моделирование старения по-разному будет охватывать аналоговые и цифровые ИС, аналоговые и цифровые блоки «систем-на-кристалле» (SoC). Одни из них подвержены частым изменениям, другие – ​нет, интенсивность их использования также неодинакова. Наиболее интенсивно используемые элементы и приборы в большей мере чувствительны к старению. Цифровые элементы и приборы масштабируются быстрее аналоговых (физические пределы масштабирования у аналоговых приборов выше, чем у цифровых), свое значение имеют вопросы синхронизации, использование методик смещения напряжения и т. п. При проектировании всегда будут использоваться различные элементы и к каждому из них необходим свой подход – ​только так можно добиться увеличения надежности как конкретных элементов и приборов, так и системы в целом.

С конструкциями, в которых используется метод динамического масштабирования напряжения и частоты (DVFS), необходимо соблюдать особую осторожность. Проблемы часто возникают при оптимизации приборов за счет снижения тока питания. При попытках использовать метод адаптивного напряжения вопрос заключается в том, насколько снижается напряжение питания и будет ли используемая логика соответствовать требованиям синхронизации. Могут существовать конструкции, запускающие увеличение тока питания при необходимости. Если падение производительности не может быть скорректировано, то важным конструктивным соображением станет снижение негативных последствий.

Один из способов решения проблемы – ​анализ чувствительности. Например, существует определенный проектный параметр, волнующий разработчика, – ​коэффициент усиления усилителя. Требуется определить чувствительность каждого транзистора и его вклад в усиление. Затем можно рассмотреть воздействие старения на пороговое напряжение или ток стока–истока (Ids). При помощи анализа чувствительности проектировщики могут понять, насколько велико влияние старения на конкретные приборы конструкции по сравнению с остальными устройствами. Затем возможно принятие определенных мер для их защиты.

При этом необходимо тщательно рассмотреть все важные области. Специалисты корпорации Cadence указывают, что существует явление непроводящей напряженности. Рассмотрим такое устройство, как сторожевой таймер. Он может не активироваться в течение многих лет, но необходимо, чтобы он сработал при наступлении определенного события. При этом надо учитывать, что даже не активированные схемы и элементы подвергаются напряженности и другим воздействиям. Они могут стареть и стать непригодными к использованию из-за старения в неактивированном режиме.


Как решить проблему старения?

Специалисты корпорации Cadence отмечают, что существует несколько способов учета этих проблем на этапах проектирования, внедрения и завершающих этапах. В принципе, возможно использование трех уровней анализа.

1. Мониторинг условий работы прибора. Этот метод позволяет эффективно отслеживать такие параметры, как электрическое поле, за счет рассмотрения размеров прибора и других факторов. Эти проверки называются подтверждениями параметров прибора. Они могут показать, что на -каком-либо приборе повышено напряжение. Соответственно, это чувствительное место и потенциальная проблема.

2. Выполнение анализа. При осуществлении анализа старения можно выяснить определенный период времени, в течение которого прибор будет работать при определенных условиях. Анализ старения может проводиться одновременно с анализом технологического угла или анализом методом Монте-Карло.

3. Постепенное старение. Этот подход реализуется методом кусочно--линейной аппроксимации рабочего жизненного цикла. Обычно проектировщики достаточно опытны и знают, какие блоки наиболее чувствительны к явлениям старения. При использовании этого метода нет необходимости проводить сплошное тестирование – ​такие подходы, как правило, относительно дороги.

Процесс перехода на меньшие проектные нормы становится все более дорогостоящим. Так, для каждого технологического перехода от 16 нм к 10, 7, 5 и вплоть до 3 нм объемы моделирования увеличиваются в три раза из-за дополнительных технологических углов процесса, напряжения и температуры (PVT corners), данные которых необходимо обработать. Это существенно увеличивает нагрузку на моделирование, необходимое для достижения успеха (в создании прибора) на физическом уровне с первого раза.

Но даже такой уровень анализа не обес-печивает уверенности. Надежность – ​это статистический показатель. Ее необходимо рассматривать как проблему Монте--Карло. Допустим, существует 100 приборов, идентичных при первоначальном изготовлении. Даже если применять к этим приборам один и тот же уровень напряженности, измеренная деградация приборов будет распределением. Подобное распределение большинством фирм-изготовителей применительно к аспекту старения не рассматривается.

Никто не хочет проектировать худший вариант. Если же разработчик или производитель использует датчики, нет нужды тратить время и средства на прогнозирование старения – ​его можно измерить. Далее при обнаружении старения возможно или внести коррективы в конкретную схему, или (обнаружив, что кристалл ИС близок к отказу) принять решение о переходе в безопасное состояние. Это позволит заменить неисправный компьютер в ЦОД или обеспечить безопасную работу самоуправляемого автомобиля.

Встроенный анализ с течением времени может претерпевать изменения. Например, корпорация Xilinx предлагает схему мониторинга системы, позволяющую пользователям для обеспечения безопасности работы контролировать температуру и напряжение. Программируемость этого устройства обеспечивает возможность расширения измерений и получения более полного представления о надежности многих приборов с фиксированной функцией.

Все это означает сужение использования принципа избыточности, широко применявшегося для обеспечения надежности до появления хороших моделей старения. Теперь из-за масштабирования для использования избыточности остается все меньше места.

Что касается деятельности CMC, то у его членов по-прежнему остается надежда на стандартизацию. В 2018 г. был выпущен стандарт, поддерживающий технологический процесс моделирования старения посредством открытого интерфейса моделирования (Open Modeling Interface, OMI). Появляются разработки, позволяющие включать в этот технологический процесс дополнительные модели. Многие фирмы--проектировщики ИС приняли этот стандарт. При этом, что еще важнее, данный стандарт получил поддержку ряда кремниевых заводов. Интерфейс не привязан к конкретной модели или системе моделирования – ​это означает, что кремниевым заводам не нужно создавать новые интерфейсы под разные модели и системы моделирования. Фирмам--проектировщикам и кремниевым заводам требовался интерфейс старения, и похоже, они его получили. Сообщается, что число кремниевых заводов, поддерживающих стандарт и интерфейс OMI, растет.


Заключение

Хотя механизмы, способствующие старению, понятны, промышленность продолжает прилагать усилия к созданию моделей, обеспечивающих достаточную точность. Частично проблема заключается в том, что не хватает времени для сбора данных, которые можно было бы использовать для оценки и точной настройки этих моделей. Процесс продолжается. До тех пор, пока точность моделей не достигнет приемлемого уровня, проектировщикам придется применять два подхода. Первый – ​использовать в определенной мере принцип избыточности. Второй – ​включать в свои приборы адаптивные схемы, чтобы иметь возможность смягчать любые проблемы старения по мере их возникновения.


Bailey Brian. Design for Reliability. Semiconductor Engineering, February 15, 2021: https://semiengineering.com/design-for-reliability


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.