理解和緩解光子網(wǎng)絡芯片中的VBTI老化效應

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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（VBTI）老化，這些MRs是光子鏈路中的關(guān)鍵組件。

9 s. w% F; W) n7 D- ~本文概述了PNoCs中的VBTI老化效應，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。
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微環(huán)諧振器中的VBTI老化機制
% K1 a1 n! q9 ?" c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行調(diào)整。
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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。

! t( \  X" j7 Q6 ?7 s當在MR的PN結(jié)上施加負電壓時，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。

陷阱生成機制可以用以下化學反應表示：

( [: t5 {9 }' ]4 k' ZSi-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
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，導致核心的折射率增加。這導致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致光散射損失增加，從而導致MR的Q因子降低（即共振通帶寬度增加）。
[/ol]

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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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/ S9 p6 n8 i+ S; e; k0 ^2 b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。

) m  C& I# I" r( f: N$ t7 M這些圖表顯示，更高的工作溫度和電壓偏置水平會加速MRs中的VBTI老化。

VBTI老化對基于DWDM的OOK鏈路的影響
2 r* K1 M5 L5 j5 `" x! `: \- Z( |為了理解VBTI老化對基于密集波分復用（DWDM）的開關(guān)鍵控（OOK）鏈路的影響，我們需要檢查源節(jié)點和目標節(jié)點的效應。

4 B% q- _7 _( I0 w在源節(jié)點：
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- j5 J4 z  K0 W5 f( U% ^& ~3 P& @' P圖4說明：頻域中示例源節(jié)點的圖示（a）老化前和（b）老化后。

4 f! [3 N/ h! l" b1 G8 u6 }) `VBTI老化導致調(diào)制器MRs的共振發(fā)生紅移并增加通帶寬度。這導致信號頻譜與MRs共振波長之間的不對準，從而導致調(diào)制效率降低和互調(diào)串擾增加。
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8 s9 {! l0 t: @, ]0 S6 E在目標節(jié)點：
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圖5：頻域中示例目標節(jié)點的圖示（a）老化前和（b）老化后。

- H# u' X7 X% {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。

外差串擾：MR通帶與相鄰非共振信號頻譜的部分重疊。
[/ol]
這些效應導致信號退化和濾波/接收光信號的平均頻譜功率衰減。
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緩解VBTI老化影響
有兩種主要方法來緩解VBTI老化影響：反應式和主動式技術(shù)。

4 ?7 s% R! C$ h; ^% G% _. G1. 反應式緩解：

局部修整：這種技術(shù)可以通過在MRs共振中引入藍移來抵消老化引起的共振紅移。但是，可能會導致MR通帶進一步展寬。

串擾緩解技術(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。
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' r# L  z; L( o7 P2. 主動緩解：4-PAM信號
& n8 k( b; e6 m4 \/ D( n9 k+ \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。
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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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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。


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+ G3 T4 e. h' b圖7：頻域中（a）基于OOK和（b）基于4-PAM的目標節(jié)點圖示。
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  }6 A7 Y1 ]. k( P4-PAM信號在緩解VBTI老化效應方面的主要優(yōu)勢是：

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，自然最小化外差串擾。

主動防范串擾：更寬的間隔為VBTI老化引起的MRs共振通帶展寬所導致的加劇串擾效應提供了緩沖。
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9 u" A& R# i( K2 r. f+ p評估結(jié)果
/ p$ S1 U2 ^) Y% C+ v4 L  i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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; P1 V* f( c- C% c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。

主要觀察結(jié)果：
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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。
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圖9：基線CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs與經(jīng)過3年VBTI老化的變體在PARSEC基準測試中考慮100個PV圖的每比特能耗（EPB）比較。
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4 ^* x+ p" f! ^. y( ?% R圖10：基線CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs與經(jīng)過5年VBTI老化的變體在PARSEC基準測試中考慮100個PV圖的每比特能耗（EPB）比較。
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這些結(jié)果表明：
1 y* V9 S! ^& c4 d2 A2 T- ?$ [

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。
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1 |& Y. t. K9 u7 L8 @結(jié)論
2 F, [5 A' K7 v) Y) B8 D; L- n% EVBTI老化對光子網(wǎng)絡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。

1 m& n1 g& B7 A7 H5 k" h/ C參考文獻
[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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