理解和緩解光子網(wǎng)絡(luò)芯片中的VBTI老化效應(yīng)

逍遙設(shè)計自動化

引言隨著芯片架構(gòu)向著數(shù)百個處理核心的多核方向發(fā)展，傳統(tǒng)的電子網(wǎng)絡(luò)芯片（ENoCs）在滿足不斷增加的核心間通信需求方面面臨挑戰(zhàn)。光子網(wǎng)絡(luò)芯片（PNoCs）作為一種有前途的替代方案出現(xiàn)，提供了接近光速的信號傳播、高帶寬密度和低動態(tài)功耗等優(yōu)勢。然而，PNoCs也面臨自身的挑戰(zhàn)。影響PNoCs長期可靠性和能源效率的一個關(guān)鍵問題是微環(huán)諧振器（MRs）的電壓偏置溫度誘導(dǎo)（VBTI）老化，這些MRs是光子鏈路中的關(guān)鍵組件。
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本文概述了PNoCs中的VBTI老化效應(yīng)，解釋了其對系統(tǒng)性能和能源效率的影響，并討論了緩解技術(shù)，重點(diǎn)關(guān)注4脈沖幅度調(diào)制（4-PAM）信號作為一種主動解決方案。

8 U6 y. h) @2 Y5 S3 B微環(huán)諧振器中的VBTI老化機(jī)制
微環(huán)諧振器是PNoCs中用作調(diào)制器、接收器和開關(guān)的緊湊型、波長選擇性器件。在硅核中包含一個PN結(jié)，在周圍的二氧化硅包層中包含一個微加熱器。MR的共振波長可以通過操縱PN結(jié)的電壓偏置來改變自由載流子濃度，或通過操縱微加熱器的電壓偏置來改變局部溫度進(jìn)行調(diào)整。
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! X) F# r- u" ^圖1：具有PN結(jié)的可調(diào)諧MR橫截面，用于通過電壓偏置實現(xiàn)載流子注入和耗盡。
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* h" }6 d( S" k6 e. }+ J; z# Q當(dāng)在MR的PN結(jié)上施加負(fù)電壓時，會在Si-SiO2界面產(chǎn)生電場。這個電場與熱變化相結(jié)合，隨時間推移導(dǎo)致在這些界面上產(chǎn)生陷阱，類似于MOSFET中的老化過程。這種現(xiàn)象被稱為VBTI老化。

9 v+ b( e0 @: i% U% t0 b1 n5 C# `- Q陷阱生成機(jī)制可以用以下化學(xué)反應(yīng)表示：

Si-H + h+ → Si* + H
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其中h+代表MR的Si核中的空穴，Si-H是硅-氫鍵，Si*是產(chǎn)生的硅懸掛鍵，作為類似施主的界面陷阱。

VBTI老化對MR特性的影響
5 |! v+ U5 p5 j% @VBTI老化主要通過兩種方式影響MR特性：

共振紅移：隨著界面陷阱增加，MR核心中的空穴濃度減少，導(dǎo)致核心的折射率增加。這導(dǎo)致MR的共振波長發(fā)生紅移。

共振通帶展寬：MR核心與周圍環(huán)境之間折射率對比度的增加導(dǎo)致光散射損失增加，從而導(dǎo)致MR的Q因子降低（即共振通帶寬度增加）。
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圖2：在三個工作溫度300 K、350 K和400 K下，共振波長紅移（ΔλRWRS）和QA隨時間的變化。
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圖3：在四個偏置電壓-2 V、-4 V、-6 V和-8 V下，QA和共振波長紅移（ΔλRWRS）隨工作時間的變化。
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這些圖表顯示，更高的工作溫度和電壓偏置水平會加速M(fèi)Rs中的VBTI老化。

VBTI老化對基于DWDM的OOK鏈路的影響
為了理解VBTI老化對基于密集波分復(fù)用（DWDM）的開關(guān)鍵控（OOK）鏈路的影響，我們需要檢查源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的效應(yīng)。

2 I# W: {1 w" a: n在源節(jié)點(diǎn)：

1 K9 l, [4 N8 y& W2 j: p圖4說明：頻域中示例源節(jié)點(diǎn)的圖示（a）老化前和（b）老化后。

' J+ ?7 N* |3 S4 w5 Y1 H6 J$ EVBTI老化導(dǎo)致調(diào)制器MRs的共振發(fā)生紅移并增加通帶寬度。這導(dǎo)致信號頻譜與MRs共振波長之間的不對準(zhǔn)，從而導(dǎo)致調(diào)制效率降低和互調(diào)串?dāng)_增加。
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$ C; y1 \' U$ q- _5 w0 k' M在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)：
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圖5：頻域中示例目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的圖示（a）老化前和（b）老化后。
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; ]9 y- a+ Z* R% E. N2 i老化引起的接收器MRs變化加劇了兩種現(xiàn)象：

信號側(cè)帶截斷：MR通帶與信號頻譜之間的不完全頻譜重疊。

外差串?dāng)_：MR通帶與相鄰非共振信號頻譜的部分重疊。
[/ol]
6 o# l/ b4 |2 l+ r  r' |這些效應(yīng)導(dǎo)致信號退化和濾波/接收光信號的平均頻譜功率衰減。
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- R% e2 L4 b7 g; W1 N8 c% I緩解VBTI老化影響
! q$ c4 P9 [2 F: @$ K" g  p有兩種主要方法來緩解VBTI老化影響：反應(yīng)式和主動式技術(shù)。
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1. 反應(yīng)式緩解：
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局部修整：這種技術(shù)可以通過在MRs共振中引入藍(lán)移來抵消老化引起的共振紅移。但是，可能會導(dǎo)致MR通帶進(jìn)一步展寬。

串?dāng)_緩解技術(shù)：先前的工作提出了各種方法，但通常會帶來顯著的性能和/或面積開銷。

2. 主動緩解：4-PAM信號
9 C" Z6 ~9 {- o- A/ ^6 G) @4-PAM信號作為一種有前途的低開銷技術(shù)，可主動緩解VBTI老化影響。


1 d/ S( R6 ]0 X7 E* n圖6：（a）開關(guān)鍵控（OOK）信號方法和（b）四脈沖幅度調(diào)制（4-PAM）信號方法的時域表示圖示。
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$ e1 q) t$ V' @4-PAM使用四個光傳輸級別在一個數(shù)據(jù)符號中表示兩位信息，在給定信號波特率的情況下，有效地將帶寬翻倍。



圖7：頻域中（a）基于OOK和（b）基于4-PAM的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)圖示。
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' q! ?6 m; Z, Y6 g, c  |4-PAM信號在緩解VBTI老化效應(yīng)方面的主要優(yōu)勢是：
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更寬的信道間隔：4-PAM允許相鄰波長信道之間的信道間隔增加兩倍，自然最小化外差串?dāng)_。

主動防范串?dāng)_：更寬的間隔為VBTI老化引起的MRs共振通帶展寬所導(dǎo)致的加劇串?dāng)_效應(yīng)提供了緩沖。
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# b8 P3 K! A7 F7 X' M評估結(jié)果
9 L+ `( A6 S6 s  z為了展示4-PAM信號在緩解VBTI老化影響方面的有效性，比較了CLOS PNoC架構(gòu)的兩種變體：CLOS-OOK（使用傳統(tǒng)OOK信號）和CLOS-4PAM（使用4-PAM信號）。
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  b0 T. r3 R* T: b% y  |圖8：CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs在1年、3年和5年老化后在100個PV圖上的最壞情況信號功率損失。
8 e% T/ B+ Q$ N8 x9 p. }
主要觀察結(jié)果：

VBTI老化隨時間增加CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs的最壞情況信號功率損失。

在老化條件下，CLOS-4PAM PNoC始終表現(xiàn)出比CLOS-OOK PNoC更低的信號功率損失。



圖9：基線CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs與經(jīng)過3年VBTI老化的變體在PARSEC基準(zhǔn)測試中考慮100個PV圖的每比特能耗（EPB）比較。
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- v* G# r* i1 R, ~# f( e圖10：基線CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs與經(jīng)過5年VBTI老化的變體在PARSEC基準(zhǔn)測試中考慮100個PV圖的每比特能耗（EPB）比較。

這些結(jié)果表明：

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

經(jīng)過3年VBTI老化的CLOS-4PAM PNoC比未經(jīng)老化的基線CLOS-OOK PNoC實現(xiàn)了5.5%更好的能源效率。

$ B+ Z; D8 N+ q結(jié)論
VBTI老化對光子網(wǎng)絡(luò)芯片的長期可靠性和能源效率構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。通過理解VBTI老化的基本機(jī)制和影響，我們可以制定有效的緩解策略。4-PAM信號的使用成為一種有前途的主動解決方案，即使在多年老化后，仍能提供比傳統(tǒng)基于OOK的架構(gòu)更好的能源效率。隨著我們繼續(xù)推動多核芯片設(shè)計的邊界，解決VBTI老化等可靠性挑戰(zhàn)對于光互連技術(shù)的廣泛采用將至為重要。

參考文獻(xiàn)
, v( w0 `) _, ^7 f7 V* H[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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