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(jì)自動(dòng)化

引言隨著芯片架構(gòu)向著數(shù)百個(gè)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(hào)傳播、高帶寬密度和低動(dòng)態(tài)功耗等優(yōu)勢(shì)。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(gè)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(duì)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(hào)作為一種主動(dòng)解決方案。
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微環(huán)諧振器中的VBTI老化機(jī)制
( f4 w' l7 W9 F! r# c7 p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(gè)PN結(jié)，在周圍的二氧化硅包層中包含一個(gè)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。

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(shí)現(xiàn)載流子注入和耗盡。

1 n! `, r/ |' I! {當(dāng)在MR的PN結(jié)上施加負(fù)電壓時(shí)，會(huì)在Si-SiO2界面產(chǎn)生電場。這個(gè)電場與熱變化相結(jié)合，隨時(shí)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。
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+ ~$ o* h" ]4 z  ^0 }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

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(duì)MR特性的影響
7 w% ~  v) p" P( c8 H) @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(duì)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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$ r" e* o9 X; q! k( Y7 r圖2：在三個(gè)工作溫度300 K、350 K和400 K下，共振波長紅移（ΔλRWRS）和QA隨時(shí)間的變化。
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圖3：在四個(gè)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(shí)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(huì)加速M(fèi)Rs中的VBTI老化。

: d; A; I1 }) p! g+ q3 {, Q5 E( r0 cVBTI老化對(duì)基于DWDM的OOK鏈路的影響
1 T" e! I4 c; c( k' {4 J" m9 i為了理解VBTI老化對(duì)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)。

6 m9 {$ X) r* J! t# s在源節(jié)點(diǎn)：

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。
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. }6 r7 D4 p. {VBTI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(hào)頻譜與MRs共振波長之間的不對(duì)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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( T: P- }3 Y( B在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)：
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1 l, v/ I9 H8 h+ T6 [. M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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老化引起的接收器MRs變化加劇了兩種現(xiàn)象：

信號(hào)側(cè)帶截?cái)啵?/strong>MR通帶與信號(hào)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(hào)頻譜的部分重疊。
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$ P2 f' }3 q- ?" n6 s! m這些效應(yīng)導(dǎo)致信號(hào)退化和濾波/接收光信號(hào)的平均頻譜功率衰減。
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# Z; c* V' R& E/ x; q9 o% Q3 y緩解VBTI老化影響
' |& q4 @0 X& ]有兩種主要方法來緩解VBTI老化影響：反應(yīng)式和主動(dòng)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(huì)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(huì)帶來顯著的性能和/或面積開銷。
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2. 主動(dòng)緩解：4-PAM信號(hào)
4-PAM信號(hào)作為一種有前途的低開銷技術(shù)，可主動(dòng)緩解VBTI老化影響。

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圖6：（a）開關(guān)鍵控（OOK）信號(hào)方法和（b）四脈沖幅度調(diào)制（4-PAM）信號(hào)方法的時(shí)域表示圖示。
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4-PAM使用四個(gè)光傳輸級(jí)別在一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)中表示兩位信息，在給定信號(hào)波特率的情況下，有效地將帶寬翻倍。



' b7 N4 Q" y8 m) z6 [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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( m: t0 r8 r: n5 l1 ^6 ]4-PAM信號(hào)在緩解VBTI老化效應(yīng)方面的主要優(yōu)勢(shì)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?dāng)_。

主動(dòng)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。

- B0 ~% V$ H' }: x評(píng)估結(jié)果
為了展示4-PAM信號(hào)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(hào)）和CLOS-4PAM（使用4-PAM信號(hào)）。

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圖8：CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs在1年、3年和5年老化后在100個(gè)PV圖上的最壞情況信號(hào)功率損失。

主要觀察結(jié)果：
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VBTI老化隨時(shí)間增加CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs的最壞情況信號(hào)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(hào)功率損失。
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$ C# g; i4 H: ]8 C$ K7 G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(cè)試中考慮100個(gè)PV圖的每比特能耗（EPB）比較。
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$ [. I" d6 P. e) L$ ]- ^5 m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(cè)試中考慮100個(gè)PV圖的每比特能耗（EPB）比較。

. @2 g4 {% c8 l4 h1 e; c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(shí)現(xiàn)了5.5%更好的能源效率。
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結(jié)論
VBTI老化對(duì)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(hào)的使用成為一種有前途的主動(dòng)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(dòng)多核芯片設(shè)計(jì)的邊界，解決VBTI老化等可靠性挑戰(zhàn)對(duì)于光互連技術(shù)的廣泛采用將至為重要。
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3 w  i+ i- n6 X參考文獻(xiàn)
[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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