刘 帅,虞致国,洪广伟,顾晓峰

(江南大学 物联网技术应用教育部工程研究中心 电子工程系,江苏 无锡 214122)

0 引 言

集成电路工艺特征尺寸的缩小和集成度的提高导致器件特征对缺陷的敏感度显著增加,从而给电路的可靠性带来了严峻的挑战,电路老化已成为影响其可靠性和性能的一个重要瓶颈。负偏压温度不稳定性(negative bias temperature instability,NBTI)效应是一种主要作用于PMOS晶体管的老化效应[1],导致晶体管的阈值电压增大、驱动电流减少,使PMOS管的导通时间延长,最终导致电路路径延迟增大[2]。

对于微处理器核,由于NBTI效应的存在,导致数据通路的延时增加[3],使触发器不能保证正确的建立时间,无法完成相应的功能,直接导致微处理器核的功能失效。目前,针对NBTI效应导致电路老化的研究工作有两类,一类是在芯片的设计阶段,对NBTI效应进行理论分析和验证[4],指导芯片的设计工作；另一种则是在流片后,在芯片使用阶段对NBTI效应进行在线防护,采用片上检测器模块对电路进行检测[5]。然而,目前大多数研究是对电路老化的检测,判断电路是否进入老化状态,并不能细粒度地反映出电路老化程度。

针对上述问题,本文设计了一种NBTI效应的检测电路,能够分别检测出处理器核不同关键电路的老化延时信息,准确地评估电路的老化程度,提供细粒度的防护信息。

1 NBTI效应的机理

目前,主要使用反应—扩散模型来解释NBTI效应的原理[6]。对于NBTI效应而言,根据栅源电压的不同,可将其分为两个阶段：受压阶段和恢复阶段。……