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面向存算一体芯片的模拟计算阵列中老化监测与寿命预测电路设计.docx
资料介绍
面向存算一体芯片的模拟计算阵列中老化监测与寿命预测电路设计
——从BTI退化到电迁移的在线健康监测方案
引言
在存算一体芯片的长期运行中，晶体管的偏置温度不稳定性（BTI）退化、热载流子注入（HCI）退化和互连的电迁移退化导致芯片性能逐渐下降。在AI推理和边缘计算等长寿命应用中，存算一体芯片需要在10年以上的寿命期内保持计算精度和功能完整性。老化监测电路通过在线监测芯片的关键性能参数，实时评估芯片的健康状态，预测芯片的剩余寿命。本文系统分析面向存算一体芯片的模拟计算阵列中老化监测与寿命预测电路设计。
老化退化机制
BTI退化
偏置温度不稳定性（BTI）是晶体管的主要退化机制：
1. NBTI：PMOS在负偏置下，栅氧化层中的陷阱捕获空穴，导致阈值电压漂移，漂移量与应力时间呈幂律关系。
2. PBTI：NMOS在正偏置下，高K介质中的陷阱捕获电子，导致阈值电压漂移，在高K介质中更显著。
3. BTI恢复：在应力撤除后，部分陷阱释放电荷，阈值电压部分恢复，恢复量与应力历史和温度有关。
电迁移
互连的电迁移退化：
1. 电迁移机理：金属原子在电子风力的作用下沿电子流方向迁移，在阴极形成空洞，在阳极形成堆积。
2. 失效时间：电迁移的失效时间由电流密度、温度和互连结构决定，遵循Black方程。
3. 电迁移检测：通过监测互连的电阻变化，检测电迁移的进展。
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