數字電路老化失效預測與防護

張璐雅，羅蘭

（解放軍西安通信學院基礎部應用技術教研室，西安710106）

數字電路老化失效預測與防護

張璐雅，羅蘭

（解放軍西安通信學院基礎部應用技術教研室，西安710106）

隨著半導體工藝的發展，數字電路的性能得到很大的提高，但是電路老化現象變得異常嚴重。本文針對電路老化現象進行了預測，并提出了相應的防護措施。

數字電路老化；失效預測；防護

1　導致數字電路老化的原因及影響

現在電子技術發展很快，電子產品的集成度也越來越高，工藝相對來說比較復雜，在制造的過程中，會因為使用的材料、設計和工藝程序不合理導致產品不符合要求，在使用過程中就會出現產品老化很快，結構組織不穩定。電路的老化也很容易受溫度、濕度等外在環境的影響，電路在長期工作狀態下，就會因為溫度過高而出現老化現象。

數字電路老化在不同的層次有不同的表現特征。在器件級，電路的老化會使邏輯門翻轉的速度逐漸減慢；在電路級，老化會增大電路的整體時延，引起時序違例，最終會導致電路的失效；在晶體管級，電路老化會使晶體管發生飽和，漏極電源逐漸減小，電壓升高。電路老化會使數字電路的性能大幅度下降，因此，只有對數字電路老化進行失效預測和防護才能提高電子產品的性能，也能減少后期的維護成本，延長電路壽命。

2　數字電路老化失效預測方法

2.1建立相關數字老化模型

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，能有效預測電路的老化現象。數字電路的基本組成元件是晶體管，所以建立晶體管級的老化模型受到越來越多的關注。在現代納米工藝中，電路老化的主要因素就是NBTI效應，所以晶體管老化模型的研究目標就是NBTI效應。在該效應中，由于表面硅氫鍵斷裂，晶體管中就會有氫氣溢出，這樣就會引起闕值電壓的升高。反應晶體管老化的主要參數就是闕值電壓，通過電壓變化和時延變化值進行整合，來進行電路老化失效的預測。

2.2對數字電路老化進行在線測試

在數字電路中采用aging sensor的老化測試方法，通過判斷時鐘采樣沿和邏輯信號的跳變來判斷電路是否存在問題。Aging sensor的在線監測是檢測電路老化比較常用的方法，電路老化主要表現在路徑時延的增加，圖1就是基于aging sensor的老化在線測試結構。

圖1　Aging sensor的老化在線測試結構Fig.1 The structure of online test structure for sensor Aging

它的測試方式可分為老化檢測和預測兩種，檢測的目的主要是發現數字電路中存在的問題和故障，如果電路存在問題時，會發出預警信號；老化測試的目的是在電路要發生故障時，發出預示信號，圖2、圖3揭示了預測和檢測之間的區別。檢測窗口在時鐘采沿之后叫做Detection Slack，預測窗口采沿之前叫作Guardband［1］。

圖2　老化預測和老化檢測的區別Fig.2 The difference between the aging prediction and the aging test.

圖3　老化檢測和老化預測判定窗口的區別Fig.3 The difference between the window of the aging test and the aging prediction

在預兆單元的基礎上進行老化測試，首先在電路中插入一條功能電路做參考。在測試中，要采集預兆單元上的數據和正常標準的數據相比較，通過比較數據來看電路的老化情況。

3　數字電路老化的防護

第一，調整工作參數。調整工作參數就是通過調整電路工作中的相關電氣參數來防止物理器件的快速老化。目前主要通過調整電路的頻率和動態電壓來實現。闕值電壓的不斷升高，會導致器件的翻轉速度下降，將電壓調小，就可以減少闕值升高帶來的問題。

第二，輸入向量控制。輸入向量控制是指在電路靜止狀態下，向電路輸入向量，使老化的晶體管柵級保持高電平，使晶體管處于恢復時期，用來減緩電路的老化現象。

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

第三，合理控制受壓時間來延緩電路老化。晶體管的受壓時間越長，就會導致電路老化情況越來越嚴重。控制晶體管的受壓時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，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間。

4　結語

納米技術下數字電路的應用雖然給人們的生活帶來了很多方便，但是它也存在老化嚴重這一問題，應該加強數字電路的預測和防護，減緩電路的老化，延長電路的使用壽命。

［1］徐輝.集成電路老化預測與容忍［D］.合肥：合肥工業大學，2013.

［2］史冬霞.數字集成電路老化預測及單粒子效應研究［D］.合肥：合肥工業大學，2013.

［3］嚴魯明，梁華國，黃正峰.基于時-空冗余的集成電路老化失效防護方法［J］.電子測量與儀器學報，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