电源门控电路的老化特性分析与抗老化技术研究

发布时间：2017-10-16 03:24

  本文关键词：电源门控电路的老化特性分析与抗老化技术研究

  更多相关文章： 偏置温度不稳定性 电源门控 休眠管 性能损失 动态尺寸 受压控制

【摘要】：在当前的集成电路设计中,利用电源门控技术来降低静态功耗已成为一种趋势。随着特征尺寸的不断缩小,集成电路的可靠性问题越来越严重,由偏置温度不稳定性(Bias Temperature Instability, BTI)引起的电路老化成为威胁集成电路可靠性的重要因素。当电源门控电路处于正常工作模式时,休眠管会受到严重的BTI效应影响,导致电源门控电路的性能损失加重,并最终引起电路失效。现有的电源门控电路老化特性分析,并没有考虑老化效应与性能损失之间的关系,缺少电路老化后的性能损失模型。本文综合考虑休眠管与逻辑网络的BTI效应对电源门控电路的影响,建立由BTI效应导致的电源门控电路性能损失模型,并且通过分析两种不同类型(Header型与Footer型)的电源门控电路,得出两者的模型一致。结果表明,HSPICE仿真得到的电源门控电路使用寿命与老化性能损失模型的计算值变化趋势相吻合。在Header型电路的抗老化研究中,当电路处于正常工作模式时,传统休眠管尺寸方法会使所有接通的休眠管都处于受压状态,造成抗老化设计过于悲观。本文通过分析Header型电路的老化特性,提出将休眠管进行分组,通过间断接通休眠管,等效于动态调节休眠管尺寸或导通电阻,使部分休眠管处于恢复期,从而减小由休眠管老化引起的Header型电路性能损失。利用HSPICE软件在45nm工艺库下的仿真结果表明,动态休眠管尺寸方法与传统休眠管尺寸方法相比,最高可以提升Header型电路29.99%的使用寿命。在Footer型电路的抗老化研究中,现有的休眠管受压控制法缺少对休眠管分组方法的研究,并且忽略休眠管的最小尺寸问题。为此本文提出了一种基于最小尺寸的休眠管分组方法,同时结合动态休眠管尺寸法与休眠管受压控制法,让休眠管以设定的频率轮流导通,当性能损失到达设定阈值后,再利用动态休眠管尺寸方法,逐步增大休眠管尺寸,进而改进休眠管的切换策略。利用HSPICE软件在32nnm高k材料工艺库下的仿真结果表明,与现有的休眠管切换策略相比,改进的休眠管切换策略可以平均增加Footer型电路8.8%的使用寿命。
【关键词】：偏置温度不稳定性 电源门控 休眠管 性能损失 动态尺寸 受压控制
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN40
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-15
• 第一章 绪论15-27
• 1.1 课题研究背景与意义15-21
• 1.2 国内外研究现状21-25
• 1.3 本文的主要工作和内容安排25-27
• 第二章 老化基本模型及仿真工具27-36
• 2.1 NBTI老化模型27-31
• 2.2 PBTI老化模型31-32
• 2.3 HSPICE仿真工具32-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第三章 电源门控电路的老化特性分析36-42
• 3.1 电源门控电路的结构与工作原理36-37
• 3.2 休眠管的选择37
• 3.3 Header型电路的老化特性分析37-40
• 3.3.1 逻辑网络的老化特性分析37-38
• 3.3.2 休眠管的老化特性分析38-39
• 3.3.3 Header型电路的老化性能损失模型39-40
• 3.4 Footer型电路的老化特性分析40-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第四章 基于动态休眠管尺寸法的Header型抗老化研究42-49
• 4.1 研究动机42
• 4.2 考虑NBTI效应的Header型电路性能损失模型分析42-43
• 4.3 传统休眠管尺寸方法43
• 4.4 动态休眠管尺寸方法43-46
• 4.4.1 动态休眠管尺寸抗老化方案44-45
• 4.4.2 动态休眠管尺寸方法对泄漏功耗的影响45-46
• 4.5 仿真结果与分析46-48
• 4.6 本章小结48-49
• 第五章 基于休眠管受压控制法的Footer型抗老化研究49-58
• 5.1 研究动机49
• 5.2 PBTI效应对Footer型电路的影响49-50
• 5.3 休眠管受压控制法50-52
• 5.4 基于休眠管受压控制法的Footer型抗老化方法研究52-55
• 5.4.1 休眠管分组方法研究52-53
• 5.4.2 基于休眠管受压控制法的Footer型电路抗老化设计53-55
• 5.5 仿真结果与分析55-57
• 5.6 本章小结57-58
• 第六章 结论与展望58-60
• 6.1 研究工作总结58-59
• 6.2 未来工作展望59-60
• 参考文献60-65
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况65

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