理解和缓解光子网络芯片中的VBTI老化效应

逍遥设计自动化

引言随着芯片架构向着数百个处理核心的多核方向发展，传统的电子网络芯片（ENoCs）在满足不断增加的核心间通信需求方面面临挑战。光子网络芯片（PNoCs）作为一种有前途的替代方案出现，提供了接近光速的信号传播、高带宽密度和低动态功耗等优势。然而，PNoCs也面临自身的挑战。影响PNoCs长期可靠性和能源效率的一个关键问题是微环谐振器（MRs）的电压偏置温度诱导（VBTI）老化，这些MRs是光子链路中的关键组件。
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本文概述了PNoCs中的VBTI老化效应，解释了其对系统性能和能源效率的影响，并讨论了缓解技术，重点关注4脉冲幅度调制（4-PAM）信号作为一种主动解决方案。
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* k) h! s" b" A0 {微环谐振器中的VBTI老化机制
微环谐振器是PNoCs中用作调制器、接收器和开关的紧凑型、波长选择性器件。在硅核中包含一个PN结，在周围的二氧化硅包层中包含一个微加热器。MR的共振波长可以通过操纵PN结的电压偏置来改变自由载流子浓度，或通过操纵微加热器的电压偏置来改变局部温度进行调整。
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6 k% S2 Q8 i( D5 ^8 E! G图1：具有PN结的可调谐MR横截面，用于通过电压偏置实现载流子注入和耗尽。
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2 u5 L- P) u" l- ?5 ~5 q当在MR的PN结上施加负电压时，会在Si-SiO2界面产生电场。这个电场与热变化相结合，随时间推移导致在这些界面上产生陷阱，类似于MOSFET中的老化过程。这种现象被称为VBTI老化。
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陷阱生成机制可以用以下化学反应表示：

4 @0 u1 I  A+ Z) tSi-H + h+ → Si* + H

- O, X( Y  a* x/ a7 D- I% A' C其中h+代表MR的Si核中的空穴，Si-H是硅-氢键，Si*是产生的硅悬挂键，作为类似施主的界面陷阱。

VBTI老化对MR特性的影响
: V' n) x2 a3 g. ~5 c! \# A) QVBTI老化主要通过两种方式影响MR特性：

共振红移：随着界面陷阱增加，MR核心中的空穴浓度减少，导致核心的折射率增加。这导致MR的共振波长发生红移。

共振通带展宽：MR核心与周围环境之间折射率对比度的增加导致光散射损失增加，从而导致MR的Q因子降低（即共振通带宽度增加）。
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: c7 N9 `3 k3 l, C; C- ^图2：在三个工作温度300 K、350 K和400 K下，共振波长红移（ΔλRWRS）和QA随时间的变化。
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图3：在四个偏置电压-2 V、-4 V、-6 V和-8 V下，QA和共振波长红移（ΔλRWRS）随工作时间的变化。

这些图表显示，更高的工作温度和电压偏置水平会加速MRs中的VBTI老化。

VBTI老化对基于DWDM的OOK链路的影响
: b1 |1 {# d( c* t/ y5 ]- `为了理解VBTI老化对基于密集波分复用（DWDM）的开关键控（OOK）链路的影响，我们需要检查源节点和目标节点的效应。
; Z+ I, N1 `! S; [  {% P4 T
" _( j: [; }5 r, @) ~/ l; x1 V" J在源节点：
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: o0 v6 q- l% a6 J( e4 `5 F0 Y图4说明：频域中示例源节点的图示（a）老化前和（b）老化后。
- T5 B& N' [3 m
6 q6 b0 u& D5 i( g* w0 N+ [  A3 QVBTI老化导致调制器MRs的共振发生红移并增加通带宽度。这导致信号频谱与MRs共振波长之间的不对准，从而导致调制效率降低和互调串扰增加。

( j" ?! c0 o) `2 I% Y在目标节点：
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图5：频域中示例目标节点的图示（a）老化前和（b）老化后。
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/ \$ v' n$ j5 R# ~  ^! ^9 u老化引起的接收器MRs变化加剧了两种现象：

信号侧带截断：MR通带与信号频谱之间的不完全频谱重叠。

外差串扰：MR通带与相邻非共振信号频谱的部分重叠。
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这些效应导致信号退化和滤波/接收光信号的平均频谱功率衰减。
- \; L2 F9 I7 L" {* m5 ?9 n+ l9 A
- A$ m+ m  T0 y% u' u缓解VBTI老化影响
( ~1 @, P9 A$ C* X% e9 y+ e2 g有两种主要方法来缓解VBTI老化影响：反应式和主动式技术。
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1. 反应式缓解：
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局部修整：这种技术可以通过在MRs共振中引入蓝移来抵消老化引起的共振红移。但是，可能会导致MR通带进一步展宽。

串扰缓解技术：先前的工作提出了各种方法，但通常会带来显著的性能和/或面积开销。
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2. 主动缓解：4-PAM信号
: f! y' G. S( g# q( W) {& A$ E4-PAM信号作为一种有前途的低开销技术，可主动缓解VBTI老化影响。

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图6：（a）开关键控（OOK）信号方法和（b）四脉冲幅度调制（4-PAM）信号方法的时域表示图示。

( s# v" N* j% B6 ?6 A8 a4-PAM使用四个光传输级别在一个数据符号中表示两位信息，在给定信号波特率的情况下，有效地将带宽翻倍。
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* m1 v7 J7 l8 [# _2 J9 |- J图7：频域中（a）基于OOK和（b）基于4-PAM的目标节点图示。

4-PAM信号在缓解VBTI老化效应方面的主要优势是：

更宽的信道间隔：4-PAM允许相邻波长信道之间的信道间隔增加两倍，自然最小化外差串扰。

主动防范串扰：更宽的间隔为VBTI老化引起的MRs共振通带展宽所导致的加剧串扰效应提供了缓冲。

9 w9 {3 `. }7 j/ N: T评估结果
! d' ~0 L) {5 i$ V4 \$ C/ R% k为了展示4-PAM信号在缓解VBTI老化影响方面的有效性，比较了CLOS PNoC架构的两种变体：CLOS-OOK（使用传统OOK信号）和CLOS-4PAM（使用4-PAM信号）。
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图8：CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs在1年、3年和5年老化后在100个PV图上的最坏情况信号功率损失。

主要观察结果：

VBTI老化随时间增加CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs的最坏情况信号功率损失。

在老化条件下，CLOS-4PAM PNoC始终表现出比CLOS-OOK PNoC更低的信号功率损失。

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图9：基线CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs与经过3年VBTI老化的变体在PARSEC基准测试中考虑100个PV图的每比特能耗（EPB）比较。
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图10：基线CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs与经过5年VBTI老化的变体在PARSEC基准测试中考虑100个PV图的每比特能耗（EPB）比较。

% C! w$ ]; ^5 f/ T$ @这些结果表明：

VBTI老化增加了CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs的每比特能耗（EPB）。

经过3年VBTI老化的CLOS-4PAM PNoC比未经老化的基线CLOS-OOK PNoC实现了5.5%更好的能源效率。
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结论
VBTI老化对光子网络芯片的长期可靠性和能源效率构成了重大挑战。通过理解VBTI老化的基本机制和影响，我们可以制定有效的缓解策略。4-PAM信号的使用成为一种有前途的主动解决方案，即使在多年老化后，仍能提供比传统基于OOK的架构更好的能源效率。随着我们继续推动多核芯片设计的边界，解决VBTI老化等可靠性挑战对于光互连技术的广泛采用将至为重要。
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参考文献
[1] M. Nikdast, S. Pasricha, G. Nicolescu, and A. Seyedi, Eds., Silicon Photonics for High-Performance Computing and Beyond, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2021.
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