【E問(wèn)E答】為什么晶體管使用越久，功耗越低？

　　眾所周知，電子系統(tǒng)芯片中的晶體管會(huì)隨著時(shí)間而逐漸老化。它們會(huì)慢慢變舊，反應(yīng)變得遲緩，毛病越來(lái)越多，甚至突然崩潰死機(jī)。不過(guò)凡事都有兩面性，雖然晶體管老化對(duì)電子產(chǎn)品不是好事，但其功耗卻隨著時(shí)間的推移而降低。

　　在這個(gè)快節(jié)奏、快消費(fèi)的年代，人們總是在求新、求快。不光是手機(jī)、電腦、汽車(chē)，就連我們自身，都想要時(shí)尚，新朝，不落伍。如果我想說(shuō)老有老的好，舊有舊的妙，你一定不能認(rèn)同。但事實(shí)確是如此，我們不妨看幾個(gè)例子。

　　我們都知道汽車(chē)有一個(gè)磨合期，新車(chē)在最初的2000公里里程內(nèi)要注意磨合，以便各個(gè)部件比較順暢地吻合配搭，使汽車(chē)整體性能、使用壽命和駕駛體驗(yàn)達(dá)到最佳。其實(shí)人也是一樣，并非總是年輕的好，我們知道，人們年輕時(shí)候?qū)W習(xí)的知識(shí)，必須經(jīng)過(guò)人生的歷煉，需要時(shí)間的積累，才能變成智慧。那么，智能手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品是否也有類(lèi)似的有趣規(guī)律呢?

　　普通消費(fèi)者也許并不關(guān)心電腦CPU、智能手機(jī)存儲(chǔ)器和汽車(chē)自動(dòng)剎車(chē)系統(tǒng)的老化問(wèn)題。但是作為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師或芯片設(shè)計(jì)工程師，我們知道這些電子系統(tǒng)芯片中的晶體管是會(huì)逐漸老化的。跟人和汽車(chē)一樣，它們會(huì)慢慢變舊，反應(yīng)變得遲緩，毛病越來(lái)越多，甚至突然崩潰死機(jī)。

　　晶體管BTI變化對(duì)系統(tǒng)的積極作用

　　凡事都有兩面性，雖然芯片中晶體管的老化對(duì)電子產(chǎn)品不是好事，但其功耗卻隨著時(shí)間的推移而降低，這是英國(guó)南安普頓大學(xué)電子工程教授Bashir Al-Hashimi在一系列仿真和試驗(yàn)后得出的結(jié)論。這位教授及其團(tuán)隊(duì)對(duì)晶體管的一種特性—偏壓溫度不穩(wěn)定性(Bias Temperature Instability，BTI)進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)BTI的變化對(duì)芯片和系統(tǒng)整體系統(tǒng)有正面影響。

　　什么是BTI?簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，就是晶體管處于“開(kāi)”狀態(tài)時(shí)的一種電荷積聚效應(yīng)，在晶體管通道及其門(mén)絕緣介質(zhì)之間形成電荷積累，這會(huì)改變晶體管開(kāi)關(guān)變換狀態(tài)的電壓，隨著時(shí)間的推移晶體管開(kāi)關(guān)狀態(tài)變換動(dòng)作會(huì)越來(lái)越慢。隨著芯片制造商更多采用高K電介質(zhì)和金屬門(mén)材料，這種偏壓不穩(wěn)定性越來(lái)越明顯。

　　Bashir Al-Hashimi教授的團(tuán)隊(duì)在仿真試驗(yàn)中使用的是高性能CMOS邏輯晶體管，BTI老化使得這些器件的實(shí)際功耗在降低。試驗(yàn)表明，仿真1個(gè)月的使用，靜態(tài)功耗降低大約50%，10年降低78%。靜態(tài)功耗是晶體管不工作時(shí)消耗的能量，這是由于晶體管通道上的電流泄漏引起的。而在現(xiàn)今的芯片設(shè)計(jì)中，晶體管大部分時(shí)間是處于這種狀態(tài)，因此由BTI帶來(lái)的功耗降低是比較顯著的。

　　在實(shí)際芯片測(cè)試中，使用5年后泄漏電流大約降低11%。實(shí)際的電子系統(tǒng)功耗降低能否達(dá)到期望的程度還不知道，但至少晶體管老化與功耗降低的關(guān)聯(lián)理論上是說(shuō)得通的。這是否意味著智能手機(jī)使用時(shí)間越長(zhǎng)，電池續(xù)航性能反而越好呢?

　　如果我們據(jù)此得出這樣的結(jié)論，未免過(guò)于武斷。畢竟智能手機(jī)的電池續(xù)航性能和使用壽命取決于多種因素，比如電池本身的材料和性能、電源管理技術(shù)、操作系統(tǒng)、安裝的APP軟件和用戶使用習(xí)慣等。消費(fèi)者需求和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)一直驅(qū)動(dòng)著手機(jī)廠商和芯片供應(yīng)商不斷地更新迭代，新產(chǎn)品替代周期越來(lái)越短，在這樣的環(huán)境下消費(fèi)者和商家對(duì)系統(tǒng)芯片的老化效應(yīng)不會(huì)關(guān)注的。但是，我們工程師在設(shè)計(jì)芯片和智能設(shè)備產(chǎn)品時(shí)，卻不得不考慮其影響。

　　芯片里程表

　　明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣工程教授Chris H. Kim早在10多年前就開(kāi)始對(duì)晶體管老化對(duì)芯片和電子系統(tǒng)的影響開(kāi)始進(jìn)行研究和試驗(yàn)。他最早提出了“芯片里程表(Odometer for silicon chip)”的概念，并開(kāi)發(fā)出一種電路用于測(cè)量可能影響芯片性能的晶體管老化指標(biāo)，他希望能將這種電路集成進(jìn)微處理器芯片設(shè)計(jì)中，以協(xié)助微處理器自動(dòng)檢測(cè)運(yùn)轉(zhuǎn)性能，通過(guò)均衡幾種老化指標(biāo)來(lái)讓芯片始終處于最佳性能狀態(tài)。Kim教授及其團(tuán)隊(duì)在芯片里程表方面的研究已經(jīng)卓有成效，半導(dǎo)體研究公司授予其2016年卓越技術(shù)獎(jiǎng)即是半導(dǎo)體業(yè)界對(duì)其研究的肯定。

　　芯片里程表可以測(cè)量晶體管老化的三個(gè)指標(biāo)：熱載流子注入(HCI)、偏壓溫度不穩(wěn)定性(BTI)、經(jīng)時(shí)介質(zhì)擊穿(TDDB)。BTI上文已經(jīng)解釋過(guò)，HCI是指晶體管發(fā)生狀態(tài)變換時(shí)的老化，電荷滯留在晶體管門(mén)介質(zhì)上，這樣器件開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的電壓就會(huì)改變。BTI和HCI也許對(duì)芯片正常工作沒(méi)有明顯的影響，但TDDB就會(huì)引起災(zāi)難性的問(wèn)題，隨著晶體管的老化，各種缺陷會(huì)在門(mén)介質(zhì)上堆積，積聚到一定程度就會(huì)引起短路，從而導(dǎo)致芯片甚至整個(gè)系統(tǒng)崩潰。這就跟人一樣，隨著年齡的增加，身體機(jī)能開(kāi)始老化，各種疾病開(kāi)始出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)甚至引起癌癥。

　　Kim教授提出的“芯片里程表”概念及其相應(yīng)的測(cè)量電路設(shè)計(jì)已經(jīng)引起半導(dǎo)體行業(yè)的重視，包括Intel、TI和IBM在內(nèi)的芯片制造商已經(jīng)在其芯片開(kāi)發(fā)中考慮晶體管老化的影響，正在采取適當(dāng)?shù)姆绞絹?lái)補(bǔ)償因?yàn)槔匣瘜?dǎo)致的芯片性能下降。也許很快在新的芯片中，就會(huì)集成類(lèi)似“芯片里程表”的功能模塊。

　　隨著芯片設(shè)計(jì)和制造工藝的發(fā)展，以及智能設(shè)備的操作系統(tǒng)和軟件的成熟，未來(lái)的智能設(shè)備在有限的供電環(huán)境下仍然能夠持續(xù)工作多年，也許這要部分歸功于“芯片里程表”。當(dāng)我們不再為了追趕潮流而頻繁更換手機(jī)時(shí)，我們可能會(huì)使用一部心儀的手機(jī)超過(guò)3年，手機(jī)的續(xù)航能力不降反升或許就不足為奇了。