（本文编译自Semiconductor Engineering）
没有什么是永恒的，但在半导体领域，产品往往在其生命周期结束之前就变得过时了。但随着新型节点的出现，情况已不再如此，这在汽车等安全至关重要的市场中引发了担忧。
完全了解芯片内部发生的情况行业仍在努力中，分析方法也在努力跟上这一步伐。在此之前，增加额外的裕量是唯一能保护自己的方法。
Cadence产品管理总监Dan Lee表示：“从历史上看，我们在设计方面非常保守。我们尽可能地进行分析，但到目前为止，我们还没有看到很多关于老化是导致故障原因的报道或报告。”
部分原因是缺乏良好的数据。西门子EDA Tessent高级工程总监NilanjanMukherjee表示：“静默数据错误损坏突然成为了一个热门话题。现在，当人们遇到故障部件时，他们必须将其退回制造商（RMA），他们必须进行诊断以确定故障原因。整个行业都一致认为，他们看到的故障大多与小延迟缺陷有关，这意味着有些缺陷导致电路中的某些路径超出时钟周期，从而导致故障。”
在完全理解之前，需要征收裕量税。“我们一直在考虑老化问题，但他们的做法是在静态时序分析（STA）中设置保护带，”新思科技高级产品经理 Manoz Palaparthi表示，“他们有幅度高达5%-10%的保护带。他们对整个设计进行降额，就像对设计中的所有单元征收统一税一样，然后将其用作适用于设计的任何老化影响的阈值。但现在的情况是，我们的客户希望能够减少这些保护带并改善PPA。”
理解故障
半导体老化的原因有很多。“有多个因素，例如热载流子禁令和偏置温度不稳定性(BTI)，”新思科技的Palaparthi表示，“这些影响会因电压和温度以及所施加的应力条件而加速。应力还来自信号活动——占空比。所有这些因素都会加速设计的老化问题。”
虽然这些影响一直存在，但它们正被最新的技术节点放大。“我们正在研究非常小的特征，”Ansys高级首席应用工程师Kelly Morgan表示，“如果它们有任何变化，会对热可靠性和机械可靠性产生什么影响呢？如果我们稍微改变一些尺寸，再进行敏感性研究，从制造角度看，是否会出现一些问题，比如太薄或太厚，这会在某种程度上影响性能吗？”
这需要进行一些特殊类型的分析。“对于老化为题，就像热分析一样，你通常会考虑随时间变化的平均值，因此你不太担心小的峰值事件。”Ansys产品营销总监Marc Swinnen表示，“这更多关注的是长期活动和长期热图。由于老化与时间有关，因此不需要精确建模。它不像时序分析那样，单个事件就会导致时序失败。老化的情况并非如此。任何单一事件都不会产生太大的影响，它更多的是随时间变化的平均值。”
图 1：用于预测老化的热感知统计电磁仿真。
（来源：Ansys）
故障总是遵循传统的浴缸曲线。早期故障，即为时间t=0故障，通常在测试期间被发现，且看起来具有一定的随机性。但这些故障与老化或磨损故障不同。
“现场发生的故障大多都发生在早期生命周期，”Mukherje表示，“这些故障可分为两种不同类型的故障。一种是潜在缺陷，即我们在制造测试中没有对晶体管施加足够的压力。第二种是间歇性缺陷，即部件已在制造测试中进行了测试，但环境条件（例如电源轨上的电压下降和软件工作负载）无法模拟。这些是数据中心运行时存在的条件，而这些故障会在特定时间出现。如果改变工作负载，故障就不会出现。但如果运行相同的工作负载，故障就会出现。这些被称为间歇性缺陷。这种情况通常发生在前两周或一个月内，但六个月或一年后也可能会出现故障。这是因为晶体管老化，特别是由于工作负载导致的老化，因为工作负载已经连续数月运行。”
3D-IC影响
与3D-IC相关的一个问题是热量的产生以及如何消除它。“热学很有趣，因为许多电气特性和材料特性往往与温度有关，”Ansys的Morgan表示，“随着温度的升高，会影响电气特性，进而影响热量的产生，然后又回到热学。对这一循环有很好的理解可能会产生影响。”
老化与热量成正比。“问题在于，我们谈论的是一个复杂的结构，”Cadence的Lee表示，“虽然你可以应用诸如外推法之类的技术，也可以尝试将零碎的分析拼凑起来，但你面对的是一个高度复杂的问题，从技能角度来看，这个问题很难分析。方法和工具可能已经跟上了这一发展，也可能没有，但当你试图分析整个3D堆栈时，其规模实在是太大了。”
这需要重新考虑平面技术。“以前，设计师假设单个芯片上的热梯度分布是均匀的，”新思科技的Palaparthi表示，“但当两个芯片堆叠在一起时，这个假设就不再成立了。你会遇到截然不同的局部热效应。而且热分布变化的影响也会影响老化应力条件。导致器件老化的关键加速因素之一就是应力条件，包括工艺-电压-温度（PVT）方面、信号活动因素和占空比。作为PVT的一部分，如果你的温度对多芯片设计产生更大的影响，那么整个设计的老化就会加速。”
所有这些又增加了一层复杂性。“设计师还没有进行过真正的热分析和网格划分等，”Ansys的Swinnen表示，“他们使用功率密度作为温度的替代指标。传统的芯片工具可以计算功率密度，即每平方微米使用多少功率，他们使用功率密度作为温度的替代指标。他们认为更高的功率密度意味着更高的温度，并据此进行判断。”
关键问题领域
设计的某些部分可能更容易老化。“即使你拥有最先进的数字设计，也需要有一些模拟元件来维持电压或电源，”Lee表示，“这些模拟元件都相当庞大。对这些元件进行老化模拟非常常见，因为它们的电流消耗很大，会造成很大的压力。这是我们真正需要重点关注老化分析的地方，以确保尺寸设计合理，确保产品的使用寿命可以达五年而不是六个月。在任务关键型应用中，物理层（PHY）是另一个需要关注的领域。它们是混合信号设计，会始终承受很大的电应力，因此将老化分析重点放在这些方面非常有意义。”
时钟树可能会非常活跃。“人们希望了解时钟网络的老化情况，”Palaparthi表示，“时钟通常以3GHz或更高的频率运行。我的新时钟抖动情况如何？两年后的老化抖动是多少？我的不确定性有多大，占空比失真是什么样的？这些影响在设计中始终存在。与老化类似，客户会插入裕量来抵消这些影响。在高频设计中，人们希望量化和调整这些裕量。”
在线路方面，情况也越来越糟。“物理尺寸在按一定比例缩小，但电源电压却没有缩小，”Lee表示，“在采用更先进的技术时，你可以容忍互连中的小缺陷，但如今，即使是一个缺陷也会损害互连的容量。切换几个MOSFET栅极所需的电流或电荷量也没有缩小电源电压。关键是，‘对电流密度的需求，即流过横截面的电流量，正在增加。’我们已经接近一个难以支撑密度的临界点。”
人们开始担心其他几个领域，但目前还没有足够的数据来判断这些问题有多严重。虽然业界还没有听说过3D-IC集成电路存在问题，但目前还不清楚是否会公布这些问题。即将出现的晶体管变化、背面功率和时钟、翘曲、膨胀系数不匹配以及更薄的基板都在关注范围内。
进行分析
当前的标准做法是从晶圆代工厂获取预先表征的老化库。这些库表示器件在典型条件下会如何退化。“问题是它假设所有晶体管的老化都是一致的。但实际上，老化取决于温度和活动桩体，”Swinnen表示，“设计中活跃的部分会比很少激活的部分老化得更快，而设计中温度较高的部分会老化得更快。整个设计的老化并不均匀。如果一组晶体管变慢而其他晶体管没有变慢，这可能会导致建立和保持时间的问题。捕捉这一点一直是个问题，因为需要考虑随时间变化的平均活动状态，然后将不同的库分配给不同的单元。将所有元件同等老化并不是最坏的情况，这才是问题所在，而且这种方法有些过于乐观。”
根据所需的精度，行业提供了一系列的解决方案。Palaparthi列举了四种可能性：
保护带：在整个设计中采用统一降额。这是一种简单的方法，但不够准确，因为它没有考虑局部效应。
晶圆代工厂模型：这种方法使用晶圆代工厂提供的老化库。它可以包含工作负载、信号概率、活动因素、年龄和时间的规范。使用这些信息，可以在给定的机器配置下对所有单元进行老化处理，并对老化后的单元进行表征。
增加灵敏度：您采用现有的晶圆代工厂老化库，并添加一个灵敏度库。你可以对标准单元的时序、延迟、斜率进行表征，并施加老化应力，并针对这些因素增强自定时行为。在时序分析期间，它会计算STA中的松弛偏移，并考虑老化效应。
SPICE 级别：在不同的PVT应力条件和模式下对器件进行激励，然后计算退化的程度。这是最准确的方法，但非常耗费资源。
通过提高精度水平，保护带可以从5%-10%的范围减少到2%左右。
大多数公司都会提供某种基于活动的敏感性分析，但这种分析形式可能会引入更多的老化因素，例如局部温度或其他形式的应力。
此外，还有一个新的转折点。“我们开始考虑局部布局效应(LLE)等影响，”Palaparthi表示，“晶圆代工厂正在增加对LLE的要求，即对当前单元附近布局的影响，以观察它如何影响开关或其他参数，如当前单元的延迟。”
处理错误
芯片行业正处于智能处理老化的早期阶段。智能处理老化不仅可以检测出老化何时会成为问题，还可以部署一些策略来确保即使设备部分退化也可以继续运行。
这一切在很大程度上都得益于内置监测器的使用。“有三件事需要做，”Mukherjee表示，“首先，我们必须确定监视器的放置位置。其次，如何跨路径共享这些监视器，以便最大限度地覆盖关键晶体管？第三，如何将数据传入和传出监视器？”
这些监测器可用于评估老化程度，并且数据还可反馈到控制系统，实现自适应电压或频率控制。设备可以减速运行，也可以提高电压，使系统恢复到工作范围。内
监视器还可用于确定发生故障的原因。“如果我可以在现场应用结构化、确定性模式，并确保我关注的是最关键的路径，那么我就可以开始进行相关性分析，”Mukherjee表示，“如今，当监视器显示某个部分发生故障时，它已经失效了。但你无法弄清楚它为什么会失效。一旦你有了结构化模式，它就可以为你提供这些信息。它可以提供更多的诊断信息。我可以了解设计的哪一部分或哪些逻辑锥更容易发生故障，而哪些锥不容易发生故障。现在我开始预测。我不需要等到路径发生故障。就可以预测它们距离故障还有多远。”
结论
老化可以对半导体性能产生巨大影响，在每一个百分点都至关重要的时代，老化是一个必须获得更好理解的问题。如果不采用正确的方法和工具，这种负担将随着每个节点而增加。业界正在努力解决这个问题，但没有人真正知道设计离边缘有多近，或者什么时候会达到那个临界点。虽然更详细的分析是不可避免的，但也有可能得不偿失。