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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。
  f- U% A9 f& [$ \
0 h8 Q2 A7 c0 z- d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。# T6 D, [9 B7 X5 C( v9 x, n- l
9 d7 ]2 P7 V, H+ I4 I# J5 `2 w
微环谐振器中的VBTI老化机制
# W& Y( U1 c8 k' `1 c5 O7 l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。
- w6 h9 X/ ]+ X( g3 p) z6 A

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2 ~% F% b, r7 u# D9 S1 Y* q
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。
! f+ |0 s" p0 k! m% u! W
! |: h% G/ e% C2 V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。
" R2 Z6 z6 y6 s0 E4 }7 {, f! M$ A9 J8 ], [4 z( F- N
陷阱生成机制可以用以下化学反应表示:
* i2 B" k5 K7 ^% L: o/ T4 O
0 k4 S2 s- ~( r6 U$ |Si-H + h+ → Si* + H$ e3 [# |$ z  p, ]6 ^
2 b' v; w# b7 p8 \$ E8 T/ t) C6 z
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。, d9 G1 b- F- F4 C4 \5 L( l

' @( q/ Y) x4 oVBTI老化对MR特性的影响
+ i8 J- g- L- G4 zVBTI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)。. n- h4 Y. P5 o
    [/ol]1 P& T# m& i& c/ D5 O( F& S! _

    4 r$ |6 K: z8 [, w

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    ! x: V- W' ]1 A7 Q! d4 q
    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。
    / p; e8 z/ f6 c: H; i2 d1 L5 @5 N( d4 X2 ^/ B. Y  t. u4 Z' v

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    % F' {9 t7 T' `
    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。
    9 w4 G  w* [, |$ O/ X1 p+ {/ ~  a
    ' i2 o( F  i* [- P  g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。
    ; q  K/ h$ f8 n& V
      ?5 y% w/ T3 W$ wVBTI老化对基于DWDM的OOK链路的影响4 t- @0 d& J1 A/ M7 A! F" {
    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。
    & V, o$ O  h7 z2 s
    * a/ r4 t5 J" H8 F9 H在源节点:: s* O8 p( D! b% H8 {: `

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      n0 {; u- V7 y8 e, o
    图4说明:频域中示例源节点的图示(a)老化前和(b)老化后。
    ) S; R$ l1 {' t. g! k4 y# O
    * M6 l% ^& Z9 D. j' LVBTI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) r" v+ c% P( Z/ N
    + y9 v' ?' Y% C* D0 r$ w在目标节点:8 i0 R" ~% s% ^" B( A0 [

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    : o. s. I' }$ `* E7 u7 I图5:频域中示例目标节点的图示(a)老化前和(b)老化后。9 t' w  u- w+ u, S
    ' h6 _  M# s* s+ l
    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。6 ?+ @  F* _4 b5 l% Z
    [/ol]. v( {7 ~0 i* Y& q. i( Y& D# M  i
    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。; L, q  i" Q1 I3 I" L" |0 A
    1 r. g. s  t; W' d7 x" ]% P2 F
    缓解VBTI老化影响
    9 k2 |) n; o8 t! I0 [3 M( U* T" 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。! j& \! W. l  {# s. [* f

    & T& ^6 Y. p) ]1. 反应式缓解:
    ) c( H& _1 W7 f; l2 H  f
  • 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。
    5 Q+ _3 b4 m! ?% D/ F9 O
    : Y" O$ z$ Q2 }5 G+ J- q
    2. 主动缓解:4-PAM信号  O5 }" w" A+ F1 {: W4 M
    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。$ C+ V6 w* b$ S1 @# W
    1 Q5 \4 p, ~' f5 \8 v5 u3 a! U# I. Y

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    & t5 G' Y- f8 B& v; e9 @
    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。  i# N! v* a$ ?
    " S# f+ g) }- D" U' L  D) @+ N
    4-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。
    + [( U* O8 M6 s
    . w8 ~" f  u: t
    " ~! F6 O5 b" `

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    1 ^9 ^( G7 b0 v4 T0 w4 e图7:频域中(a)基于OOK和(b)基于4-PAM的目标节点图示。9 K# k1 O5 W3 K( Z# m5 g
    . H3 [$ \; n. ]8 M
    4-PAM信号在缓解VBTI老化效应方面的主要优势是:
    ' I2 p$ H8 ~( O' L. h1 ~
  • 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。
    : x4 c4 a' `' X- p  j

      f) g+ t% T8 s  @' L  ^评估结果* f" ~/ [& F+ J' C
    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)。& v9 A0 V% F8 V
    : j* ]& A. a, T6 I; b- `

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    8 X* S; W& f1 L5 `1 ?: o9 h
    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。; ?2 r; p8 ~. J" s  W

    6 a- z8 }, I$ p2 ~. }; Z, d主要观察结果:' f7 x% T1 w: a7 j6 E% \% K7 s
  • 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。
    8 |3 `% _7 `% X

    $ U& E, c+ M0 Q
    - K* x: m- c; a3 ^

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    # l) N8 E3 D- B8 ]+ O' d8 j
    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。
    : v3 e  l( P' y* i9 [
    7 v) q; j. T3 @: e7 E

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    $ d# m' |& b! \0 t8 P) V8 w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。9 W2 d7 }6 P: r# d. R& u/ R& v
    . R* z( z6 A9 f5 L9 J
    这些结果表明:3 r' G* C5 D2 h' u4 J
  • 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。
    ) M' ^, ^8 ], N# D+ q

    " _' N/ @3 A; C* ~结论2 U$ L: `* B, Y3 }; n
    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。
    + h7 a( T! _* Z" _# {! L7 H! }! ~2 ~9 n( x5 J7 U2 l
    参考文献
    ; a. M1 u3 p! ?: r[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, 2021.3 C( z0 M7 D6 P% D$ f2 U  @
    * _# c/ c# k) c, ?0 a' M; D
    END* M7 F& B$ A( i2 J# V( l3 o4 H6 B) s
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    & q( |3 S' S6 I# k: A6 t8 w深圳逍遥科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家专注于半导体芯片设计自动化(EDA)的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件,提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务,广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作,推动特色工艺半导体产业链发展,致力于为客户提供前沿技术与服务。9 }' N/ G' C4 C. b9 r! p# A

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