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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0 h( ^5 }6 l# C% H; Z0 S4 B5 \+ }% e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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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。

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：

Si-H + h+ → Si* + H

" k# ]) ^' V+ f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。
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* X6 k# ]" F. X4 b% o5 `0 O$ }VBTI老化对MR特性的影响
" V, r/ ^* {) E: SVBTI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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1 B) Y) F# F& j7 ]! R$ G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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! q6 C: v# r7 H  v# S$ `7 c6 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。

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
$ {; O- |2 p7 w) U  C" y0 p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。

9 x  F% `+ X$ f. w& i" L- `. E在源节点：
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图4说明：频域中示例源节点的图示（a）老化前和（b）老化后。
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VBTI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。
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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。

8 B' [, @; N: m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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" h0 k' l+ m& ^: w# t4 a8 g3 U' B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。
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缓解VBTI老化影响
) p6 d# V) s, H2 _: }有两种主要方法来缓解VBTI老化影响：反应式和主动式技术。

6 G6 d* K/ Q2 T0 n1. 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。

2. 主动缓解：4-PAM信号
4-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。
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/ \( A1 S7 x; o$ @# ~# m7 c, O4-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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图7：频域中（a）基于OOK和（b）基于4-PAM的目标节点图示。

8 A* x2 Y, h1 ~! S7 D. Z: c4-PAM信号在缓解VBTI老化效应方面的主要优势是：
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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。

! y2 n" G3 }) K& A' G  z2 J4 z  B评估结果
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。
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) E! \4 J# |6 B. f0 }0 n1 T( l/ A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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& o( Z# H  x; D6 [% Y# E1 {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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( v, v* [; o2 f+ ~) C# v6 o( E% @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。

( `! N" B. W, r3 l/ Y这些结果表明：
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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。

结论
5 R5 P2 ~2 q- ~0 P) Q2 [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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: w6 L6 I3 Q3 r! Y  u/ s1 p9 ^& s: n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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