集成電路為什么要使用片上監(jiān)視器？傳感器在監(jiān)控IC上又發(fā)揮著什么作用？

　　隨著半導(dǎo)體工藝和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不斷提高，以及物聯(lián)網(wǎng)，汽車，電信和數(shù)據(jù)中心等多個(gè)行業(yè)對(duì)零件壽命要求的不斷提高，促使硅器件公司，片上監(jiān)視器IP供應(yīng)商和數(shù)據(jù)分析公司加大了對(duì)芯片的可靠性進(jìn)行表征的努力，以篩選出潛在缺陷并預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)故障。

　　比如通過(guò)溫度傳感器收集的數(shù)據(jù)可評(píng)估產(chǎn)品使用壽命內(nèi)的溫度，以持續(xù)評(píng)估老化和可靠性風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)楦邷卦诳煽啃院屠匣衅鹬P(guān)鍵作用，大多數(shù)老化過(guò)程/可靠性問(wèn)題在高溫下會(huì)加速，尤其是電遷移，NBTI和PBTI（負(fù)和正偏置溫度不穩(wěn)定性）和TDDB（隨時(shí)間變化的介電擊穿）。

　　集成電路為什么要使用片上監(jiān)視器？

　　工程師們長(zhǎng)期以來(lái)一直使用片上電路監(jiān)控來(lái)協(xié)助集成電路制造測(cè)試，芯片調(diào)試和故障分析，以進(jìn)行芯片內(nèi)部電路的可見(jiàn)性和可控性的測(cè)試，有效的硅調(diào)試以及提高診斷復(fù)雜硅器件中問(wèn)題的能力。片上監(jiān)視器可進(jìn)行特定的參數(shù)測(cè)量，隨著每一代CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展，片上監(jiān)視器測(cè)量IC參數(shù)可用于優(yōu)化性能，識(shí)別熱變化并了解工藝變化。

　　隨著AI的發(fā)展，如今還增加了片上監(jiān)視器的部署，以便為整個(gè)IC器件中的參數(shù)測(cè)量提供更大的粒度。將機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于內(nèi)部參數(shù)數(shù)據(jù)分析以及所收集的其他硅數(shù)據(jù)分析，可讓工程師更深入了解制造過(guò)程和現(xiàn)場(chǎng)操作，進(jìn)而可以減少下一代芯片的缺陷率，并提高現(xiàn)有和新芯片的可靠性。

　　顯而易見(jiàn)，通過(guò)帶有多個(gè)傳感器的片上監(jiān)視器，提供芯片內(nèi)部的可見(jiàn)性對(duì)制造過(guò)程有幫助?，F(xiàn)在，半導(dǎo)體行業(yè)在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中都越來(lái)越主動(dòng)地使用這些數(shù)據(jù)?！皞鹘y(tǒng)ATE可以用來(lái)收集數(shù)據(jù)，”NI公司半導(dǎo)體業(yè)務(wù)部的副總裁兼總經(jīng)理OptimalPlus認(rèn)為，“這些傳感器的先進(jìn)性在于它們可以收集的信息越來(lái)越好?！?/p>

　　同時(shí)，半導(dǎo)體數(shù)據(jù)分析公司也已經(jīng)越來(lái)越多地參與片上監(jiān)視器?！拔覀儗⒓夹g(shù)視為另一種方法。這不是一家擁有軟件的傳感器公司，而是一家基于高覆蓋率芯片遙測(cè)技術(shù)的分析公司?！眕roteanTecs的營(yíng)銷總監(jiān)TamarNaishlos說(shuō)道?！耙虼?，實(shí)際上，這涉及很多來(lái)自集成電路上的全面、深層的數(shù)據(jù)——即IC片上各電路點(diǎn)的數(shù)據(jù)情況。但是這些信息必須納入機(jī)器學(xué)習(xí)算法中，以便我們能夠以最佳方式解釋一切?！?/p>

　　還有專注于監(jiān)視時(shí)鐘抖動(dòng)，電壓和溫度的IP模塊的公司也認(rèn)識(shí)到使用監(jiān)視數(shù)據(jù)能設(shè)計(jì)出超出預(yù)期的優(yōu)化應(yīng)用程序。

　　“我們對(duì)這種片上電路的數(shù)據(jù)收集及分析非常感興趣，這不僅可以直接用于優(yōu)化單個(gè)芯片，還使數(shù)據(jù)可用。從更大數(shù)量的芯片中查看數(shù)據(jù)也很有價(jià)值，”Moortec市場(chǎng)總監(jiān)RichardMcPartland說(shuō)?！斑@可以與醫(yī)療保健相提并論。醫(yī)生不僅要查看單個(gè)患者，還需要查看人群并確定特定的疾病或健康問(wèn)題。同樣，通過(guò)應(yīng)用片上監(jiān)控，不僅可以得到可用數(shù)據(jù)，還能查看單個(gè)管芯的情況。片上傳感器對(duì)于提供內(nèi)部所有情況的可見(jiàn)性至關(guān)重要——那具有巨大的價(jià)值。”

　　來(lái)自片上監(jiān)視器的附加數(shù)據(jù)跨越了制造過(guò)程的所有步驟，保證了最終產(chǎn)品交付的質(zhì)量。整個(gè)過(guò)程的數(shù)據(jù)使工程師可以進(jìn)行更復(fù)雜的分析，以滿足產(chǎn)量，質(zhì)量和可靠性的目標(biāo)。

　　傳感器在監(jiān)控IC上的作用

　　工程師在分析來(lái)自片上監(jiān)控器的數(shù)據(jù)之前，他們需要了解計(jì)量的分析需求和電路的計(jì)量功能。當(dāng)今的IC中使用了各種片上監(jiān)視器。

　　“最常見(jiàn)的片上傳感器將是PVT實(shí)時(shí)監(jiān)視器，里面包含電壓和溫度傳感器等。您可以在整個(gè)SoC中放置許多此類微型傳感器。”Cadence市場(chǎng)營(yíng)銷設(shè)計(jì)IP主管TomWong說(shuō)?！昂?jiǎn)單的環(huán)形振蕩器可以告訴您工藝隨時(shí)間的變化，因?yàn)槟梢詼y(cè)量隨時(shí)間變化的頻率。它可以在使用的小時(shí)數(shù)/天數(shù)/月數(shù)/年數(shù)內(nèi)為您指示芯片的運(yùn)行狀況。”

　　“環(huán)形振蕩器電路一直是過(guò)程監(jiān)控的主要工具。環(huán)形振蕩器已經(jīng)存在了數(shù)十年。晶圓驗(yàn)收測(cè)試中使用的劃線線結(jié)構(gòu)提供了對(duì)晶圓工藝控制和一般工藝條件的評(píng)估，”P(pán)DFSolutions首席技術(shù)專家AndrzejStrojwas說(shuō)道?！盀榱烁唧w地了解IC/芯片在工藝方面的行為，那么您可以將環(huán)形振蕩器作為芯片的工藝監(jiān)控器?！?/p>

　　到2000年代中期，諸如Intel，TSMC和Samsung之類的制造商已經(jīng)依靠遍布整個(gè)芯片的環(huán)形振蕩器網(wǎng)絡(luò)來(lái)更好地理解IC內(nèi)的工藝變化。通過(guò)對(duì)環(huán)形振蕩器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以洞悉整個(gè)晶圓以及整個(gè)芯片所經(jīng)歷的工藝變化。

　　在過(guò)去的15年中，工程師們?cè)O(shè)計(jì)了更復(fù)雜的環(huán)形振蕩器。在2011年IEEE關(guān)于電子設(shè)備的交易論文中，英特爾工程師詳細(xì)描述了他們使用片上電路來(lái)測(cè)量工藝技術(shù)變化的情況。作者解釋了他們使用環(huán)形振蕩器以及對(duì)跟蹤晶體管特性。

　　對(duì)于微處理器，在0.18μmCMOS工藝節(jié)點(diǎn)上必須使用片上熱傳感器監(jiān)控溫度。隨著新產(chǎn)品的推出，驗(yàn)證硅片上的熱點(diǎn)已經(jīng)促進(jìn)了在整個(gè)芯片上增加更多的熱監(jiān)測(cè)器。出于可靠性目的，工程師對(duì)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)溫度感興趣。

　　歷史溫度高于正常水平的電路可以預(yù)測(cè)可靠性場(chǎng)故障。Ansys新興技術(shù)產(chǎn)品管理總監(jiān)CraigHillman表示，熱和電條件都會(huì)影響電遷移?！半娺w移的挑戰(zhàn)之一是準(zhǔn)確的分析和預(yù)測(cè)要求您達(dá)到穩(wěn)態(tài)，因?yàn)殡S著電流密度的增加，溫度會(huì)升高。隨著溫度升高，電阻升高，這意味著溫度升高。這種協(xié)同過(guò)程加速了電遷移。”但是，這也可能會(huì)根據(jù)使用情況和芯片布局而有所不同，傳感器需要能夠解決所有這些變化。

　　用余量表示的信號(hào)和時(shí)鐘時(shí)序關(guān)系代表了數(shù)字電路設(shè)計(jì)人員感興趣的參數(shù)，并且這也可以饋入分析算法中。

　　了解這一余量有兩個(gè)方面——理解時(shí)鐘的占空比和抖動(dòng)特性，以及理解兩個(gè)時(shí)鐘存儲(chǔ)元件之間組合電路的路徑延遲。

　　Synopsys高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理FaisalGoriawalla表示：“對(duì)于針對(duì)高可靠性應(yīng)用的SoC，一定要進(jìn)行片上監(jiān)控是至關(guān)重要的要求。“這些可能正在監(jiān)視關(guān)鍵PLL或一組片上PLL的占空比。作為我們?cè)O(shè)計(jì)STAR分層系統(tǒng)的一部分，測(cè)量單元集成了一些時(shí)鐘和過(guò)程監(jiān)視功能。它是一種輕量級(jí)的數(shù)字IP內(nèi)核，SoC設(shè)計(jì)人員可以輕松，一次，兩次或數(shù)百次集成該芯片?！?/p>

　　監(jiān)視器越多，覆蓋范圍就越好。proteanTecs首席技術(shù)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人伊夫林？蘭德曼（EvelynLandman）說(shuō)：“我們使用保證金代理來(lái)衡量設(shè)計(jì)本身的頻率保證金。”“這不是站在側(cè)面的獨(dú)立電路。在芯片工作時(shí)，它實(shí)際上是在并行測(cè)量設(shè)計(jì)的數(shù)百萬(wàn)條路徑的余量。”

　　這些監(jiān)視器在硅后設(shè)計(jì)表征，生產(chǎn)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)使用中都有應(yīng)用。

　　集成電路片上監(jiān)控器的集成和設(shè)計(jì)

　　片上監(jiān)控器及其數(shù)據(jù)訪問(wèn)需要設(shè)計(jì)到IC設(shè)備中，特別是如果工程師在整個(gè)IC中使用大量監(jiān)控器來(lái)實(shí)現(xiàn)空間粒度和參數(shù)多樣性的話。

　　首先，為了促進(jìn)數(shù)據(jù)收集，監(jiān)視電路通常將感興趣的參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字讀數(shù)。這使工程師能夠使用可用的測(cè)試訪問(wèn)端口來(lái)允許在制造過(guò)程，新產(chǎn)品引入和現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估期間進(jìn)行分析。

　　其次，要訪問(wèn)監(jiān)視電路的分布式網(wǎng)絡(luò)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)電路必須在芯片設(shè)計(jì)的約束內(nèi)工作。例如，對(duì)于大量的環(huán)形振蕩器，設(shè)計(jì)人員需要啟用和選擇每個(gè)環(huán)形振蕩器，以將其連接到外部裸片引腳以進(jìn)行測(cè)量。另外，他們可以使用分頻器使其通過(guò)低速接口可讀。

　　有了多個(gè)片上顯示器，為這些顯示器配備一個(gè)集成良好的控制器可輕松實(shí)現(xiàn)。其中，放置的傳感器性質(zhì)至關(guān)重要，尤其是在汽車領(lǐng)域，我們需要考慮整個(gè)芯片的特定電源水平，或者可能存在熱點(diǎn)的區(qū)域。

　　還有提供給任何分析框架的數(shù)據(jù)質(zhì)量也非常重要。如果片上監(jiān)視器缺乏提供可靠計(jì)量所需的設(shè)計(jì)穩(wěn)健性，那么質(zhì)量可能會(huì)受到影響。當(dāng)使用片上監(jiān)視器來(lái)評(píng)估產(chǎn)品生命周期內(nèi)的工藝變化和性能下降時(shí)，電路設(shè)計(jì)人員需要確保其監(jiān)視器不受半導(dǎo)體物理和制造變化的影響，比如老化。

　　結(jié)語(yǔ)：

　　通過(guò)在整個(gè)設(shè)計(jì)中放置片上監(jiān)視器，工程師可以對(duì)硅上發(fā)生的事情進(jìn)行更深入的了解，從而為如何對(duì)觀察到的制造差異做出反應(yīng)提供指導(dǎo)。具體來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)可告知設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)方面的反饋，并指導(dǎo)制造測(cè)試和潛在可靠性故障的前饋決策。

　　電路監(jiān)控提供商和數(shù)據(jù)分析公司都認(rèn)識(shí)到從片上數(shù)據(jù)獲得強(qiáng)大洞察力的潛力。

　　“一旦傳感器結(jié)構(gòu)集成在芯片設(shè)計(jì)中，您就可以收集數(shù)據(jù)，不僅涵蓋整個(gè)產(chǎn)品范圍，而且還針對(duì)每個(gè)生產(chǎn)的設(shè)備。通過(guò)啟用嵌入式監(jiān)控，我們可以進(jìn)入芯片生命周期的每個(gè)步驟。這提供了一個(gè)強(qiáng)大的新機(jī)會(huì)，可以在制造，測(cè)試，封裝然后進(jìn)入任務(wù)模式期間對(duì)芯片進(jìn)行評(píng)估，最終導(dǎo)致使用壽命終止?！盋rosher指出?！斑@確實(shí)使我們感到興奮，因?yàn)槲覀冋趶男酒瑑?nèi)部為設(shè)計(jì)師和整個(gè)行業(yè)提供有價(jià)值的見(jiàn)解，并生成可用于產(chǎn)品和系統(tǒng)生命周期分析的有意義的數(shù)據(jù)?！?/p>

　　西普利卡斯表示同意。“片上性能和可靠性傳感器將這種系統(tǒng)的可觀察性帶入了芯片本身，并在整個(gè)芯片的使用壽命中實(shí)現(xiàn)了持續(xù)的可觀察性?！?/p>