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理解和缓解光子网络芯片中的VBTI老化效应

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发表于 2024-10-30 08:02:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
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。
7 R4 ~' {" k( M' I% S5 i9 m' m* d" E) }4 I* [6 D7 m: T
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。
: d* c+ Z0 j1 t5 c" Q& D9 q( @- A- v' K) K2 d4 H; x% f0 Y9 d- p
微环谐振器中的VBTI老化机制* s% d0 ?9 }) Z9 i# `/ e
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。
, Z* f/ P5 s, v, d/ ]5 c0 N' }

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4 a. f* ?0 Y: h3 N$ C3 ]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。$ {( N! z% J: R# P
) N* z) N& \% o# M
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。
! x+ g; }& G0 B+ L! r7 v0 N/ Z7 Q7 G# d( u
陷阱生成机制可以用以下化学反应表示:$ {/ K2 J+ A7 w4 z2 V/ U6 C' _

8 I# L0 Y2 h) r9 `! C$ |Si-H + h+ → Si* + H7 z( O- D; o8 J
4 ]* \' p2 z/ w( Y
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。
$ C$ [! V' v. k, u! o( |- F; o6 k$ a
VBTI老化对MR特性的影响; x* Q  c( y& B, C' e4 [) w7 h
VBTI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)。& x# l1 x8 h# f, R2 _
    [/ol]
    ' G1 l* O8 @. v$ g( E" o  G- k. Z  J0 ^
    - W# {: \) I( j1 d% r, G$ x

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    6 \; C! E6 Y+ f) G* m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。
    : s5 Z1 x% K) ~4 E: t* m$ b6 R- a7 p* n8 o

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    " f3 i; E( B: o/ r/ o& f
    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。; ^( }, c) G+ Y
    $ t, g$ s7 d- k% v( ?+ _
    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。
    . L/ u* P5 |6 s5 p( n/ U& Y/ M9 R0 I! {! d! U2 b
    VBTI老化对基于DWDM的OOK链路的影响( ]- t6 Q! [% U" l. J2 G
    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, S3 S& D* l4 H7 U
    1 V/ N$ J. Y# J0 u. d
    在源节点:0 I& X: t3 j' E) u

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    & u5 W3 R+ L/ q7 A* f9 t图4说明:频域中示例源节点的图示(a)老化前和(b)老化后。
    1 i3 v5 O+ G' T! g' e
    4 ?- d7 Z, m: d. j7 gVBTI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。
    " l# e6 o  f, m& l# t' B  q$ O. |: W: u  P( k# N( S
    在目标节点:
    / s8 f0 `, g+ b$ j

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    # d; Z6 t4 Z. C+ A9 E图5:频域中示例目标节点的图示(a)老化前和(b)老化后。
    ( Q) {3 p- J( h: u- C3 K* ]
    9 {& p% i  Z5 Z. Q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。
    ! z" ?1 ]8 Z, v! y) @4 X[/ol]
    ! d, a- v% j0 l2 C1 [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。
    . X& w6 W5 b9 k: G
      @+ K- a7 i1 N4 q6 g- R( F" C5 Y缓解VBTI老化影响; i5 A0 ?. U: w7 v( k& e: F/ T
    有两种主要方法来缓解VBTI老化影响:反应式和主动式技术。
    & |8 V8 z5 A, {3 {6 K5 |  F+ C0 s
    ; R) A" z  v9 e. i8 v; Z8 X1. 反应式缓解:
    # ~2 A. S. {" F: N7 e; r
  • 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。7 J& |! m/ m$ o3 L4 D9 e8 N) V
    ; G+ C$ ~7 e- s" T
    2. 主动缓解:4-PAM信号
    / G# e  Q; g- j3 O+ D- c4-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。' n- h$ b5 x# D$ g% Z- o1 ^

    6 t( a4 q: J2 f1 A$ p

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    , T" \0 U1 N' Y  H- b: O
    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。: D  O5 y: F  g! O

      b; j0 o5 m3 {) Z: 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。
    ! j/ j+ v" _- U/ `3 \, R
    2 F5 T5 @/ q. e5 ?, |4 K$ c$ V
    4 z4 A5 V4 H3 ^' ^1 q0 O* f

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    9 g; c2 J% a4 h! L7 ?
    图7:频域中(a)基于OOK和(b)基于4-PAM的目标节点图示。
    ' y  @1 R( U+ v: D# [3 }2 R1 }6 I# ^+ B: n) R3 q' ~- \
    4-PAM信号在缓解VBTI老化效应方面的主要优势是:
    7 a8 o" b& o0 K
  • 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。
    1 H! V& U2 z) ?- k% q

    4 }) M$ V1 F- t8 |! r- R评估结果# j3 z& w/ Y* o  b
    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)。
    & q  N, a" q% w3 S* H0 ^. q& g$ w$ f: @% Q- H8 M" q2 ^( f( Z  z

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    - T; M! z" L& j. \" G& h% j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。
    - {* a7 K5 e" _* |7 M& \1 e# P! N5 L* j% E2 p) }
    主要观察结果:: `: a+ i# Q0 o5 X' o8 f
  • 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。/ h  E  ]% E) H) I6 e8 S; s" F& V2 B
    ) ]8 y1 N/ D9 l! U- a% x8 F5 X
    6 b  d' `% O4 \4 ~7 y

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    0 T) j$ _6 x6 ^1 W% M" Q8 p+ i+ k: A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。
    % M% r* k3 }: R2 g8 e  m7 Z/ m
    3 W4 l3 Z) r/ L) q# x

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    : P* S$ ^7 x3 s3 S
    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。
    , {! |" J8 v* [7 F) W% q, B/ z8 l8 ]( g  U5 l
    这些结果表明:
    * F3 S1 k; d* ?
  • 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。  C% _' V7 n; c" x' C4 {( R
    3 T' ~  f3 e: e- L  L0 Z
    结论
    " j+ W' o7 M6 W, @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。
    # `; F4 x, L! h( @
    1 x+ H1 {; p' q7 B  D参考文献
    3 E8 p, D2 q. s0 l[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.
    # [. ?' P' A. ?6 q& j8 {+ a+ W5 Q; {  {7 Q2 q7 w
    END( s( O+ B+ t: L, x& C2 c5 `9 I

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    1 u8 K8 N9 w; g& x2 j转载请注明出处,请勿修改内容和删除作者信息!7 o& a2 y6 Y& `- T5 r% V. N
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