晶体管越老,功耗却越低?

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       众所周知,电子系统芯片中的晶体管会随着时间而逐渐老化。它们会慢慢变旧,反应变得迟缓,毛病越来越多,甚至突然崩溃死机。不过凡事都有两面性,虽然晶体管老化对电子产品不是好事,但其功耗却随着时间的推移而降低。

 

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       在这个快节奏、快消费的年代,人们总是在求新、求快。不光是手机、电脑、汽车,就连我们自身,都想要时尚,新朝,不落伍。如果我想说老有老的好,旧有旧的妙,你一定不能认同。但事实确是如此,我们不妨看几个例子。

 

       我们都知道汽车有一个磨合期,新车在最初的 2000 公里里程内要注意磨合,以便各个部件比较顺畅地吻合配搭,使汽车整体性能、使用寿命和驾驶体验达到最佳。其实人也是一样,并非总是年轻的好,我们知道,人们年轻时候学习的知识,必须经过人生的历炼,需要时间的积累,才能变成智慧。那么,智能手机、电脑等电子产品是否也有类似的有趣规律呢?

 

       普通消费者也许并不关心电脑 CPU、智能手机存储器和汽车自动刹车系统的老化问题。但是作为电子系统设计师或芯片设计工程师,我们知道这些电子系统芯片中的晶体管是会逐渐老化的。跟人和汽车一样,它们会慢慢变旧,反应变得迟缓,毛病越来越多,甚至突然崩溃死机。

 

晶体管 BTI 变化对系统的积极作用

       凡事都有两面性,虽然芯片中晶体管的老化对电子产品不是好事,但其功耗却随着时间的推移而降低,这是英国南安普顿大学电子工程教授 Bashir Al-Hashimi 在一系列仿真和试验后得出的结论。这位教授及其团队对晶体管的一种特性—偏压温度不稳定性(Bias Temperature Instability,BTI)进行了测试,发现 BTI 的变化对芯片和系统整体系统有正面影响。

 

       什么是 BTI?简单说来,就是晶体管处于“开”状态时的一种电荷积聚效应,在晶体管通道及其门绝缘介质之间形成电荷积累,这会改变晶体管开关变换状态的电压,随着时间的推移晶体管开关状态变换动作会越来越慢。随着芯片制造商更多采用高 K 电介质和金属门材料,这种偏压不稳定性越来越明显。

 

       Bashir Al-Hashimi 教授的团队在仿真试验中使用的是高性能 CMOS 逻辑晶体管,BTI 老化使得这些器件的实际功耗在降低。试验表明,仿真 1 个月的使用,静态功耗降低大约 50%,10 年降低 78%。静态功耗是晶体管不工作时消耗的能量,这是由于晶体管通道上的电流泄漏引起的。而在现今的芯片设计中,晶体管大部分时间是处于这种状态,因此由 BTI 带来的功耗降低是比较显著的。

 

       在实际芯片测试中,使用 5 年后泄漏电流大约降低 11%。实际的电子系统功耗降低能否达到期望的程度还不知道,但至少晶体管老化与功耗降低的关联理论上是说得通的。这是否意味着智能手机使用时间越长,电池续航性能反而越好呢?

 

       如果我们据此得出这样的结论,未免过于武断。毕竟智能手机的电池续航性能和使用寿命取决于多种因素,比如电池本身的材料和性能、电源管理技术、操作系统、安装的 APP 软件和用户使用习惯等。消费者需求和市场竞争一直驱动着手机厂商和芯片供应商不断地更新迭代,新产品替代周期越来越短,在这样的环境下消费者和商家对系统芯片的老化效应不会关注的。但是,我们工程师在设计芯片和智能设备产品时,却不得不考虑其影响。

 

芯片里程表

       明尼苏达大学电气工程教授 Chris H. Kim 早在 10 多年前就开始对晶体管老化对芯片和电子系统的影响开始进行研究和试验。他最早提出了“芯片里程表(Odometer for silicon chip)”的概念,并开发出一种电路用于测量可能影响芯片性能的晶体管老化指标,他希望能将这种电路集成进微处理器芯片设计中,以协助微处理器自动检测运转性能,通过均衡几种老化指标来让芯片始终处于最佳性能状态。Kim 教授及其团队在芯片里程表方面的研究已经卓有成效,半导体研究公司授予其 2016 年卓越技术奖即是半导体业界对其研究的肯定。


       芯片里程表可以测量晶体管老化的三个指标:热载流子注入(HCI)、偏压温度不稳定性(BTI)、经时介质击穿(TDDB)。BTI 上文已经解释过,HCI 是指晶体管发生状态变换时的老化,电荷滞留在晶体管门介质上,这样器件开关转换的电压就会改变。BTI 和 HCI 也许对芯片正常工作没有明显的影响,但 TDDB 就会引起灾难性的问题,随着晶体管的老化,各种缺陷会在门介质上堆积,积聚到一定程度就会引起短路,从而导致芯片甚至整个系统崩溃。这就跟人一样,随着年龄的增加,身体机能开始老化,各种疾病开始出现,严重时甚至引起癌症。

 

       Kim 教授提出的“芯片里程表”概念及其相应的测量电路设计已经引起半导体行业的重视,包括 Intel、TI 和 IBM 在内的芯片制造商已经在其芯片开发中考虑晶体管老化的影响,正在采取适当的方式来补偿因为老化导致的芯片性能下降。也许很快在新的芯片中,就会集成类似“芯片里程表”的功能模块。

 

       随着芯片设计和制造工艺的发展,以及智能设备的操作系统和软件的成熟,未来的智能设备在有限的供电环境下仍然能够持续工作多年,也许这要部分归功于“芯片里程表”。当我们不再为了追赶潮流而频繁更换手机时,我们可能会使用一部心仪的手机超过 3 年,手机的续航能力不降反升或许就不足为奇了。

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