集成電路為什么要使用片上監視器？傳感器在監控IC上又發揮著什么作用？

　　隨著半導體工藝和設計的復雜性不斷提高，以及物聯網，汽車，電信和數據中心等多個行業對零件壽命要求的不斷提高，促使硅器件公司，片上監視器IP供應商和數據分析公司加大了對芯片的可靠性進行表征的努力，以篩選出潛在缺陷并預測現場故障。

　　比如通過溫度傳感器收集的數據可評估產品使用壽命內的溫度，以持續評估老化和可靠性風險。因為高溫在可靠性和老化中起著關鍵作用，大多數老化過程/可靠性問題在高溫下會加速，尤其是電遷移，NBTI和PBTI（負和正偏置溫度不穩定性）和TDDB（隨時間變化的介電擊穿）。

　　集成電路為什么要使用片上監視器？

　　工程師們長期以來一直使用片上電路監控來協助集成電路制造測試，芯片調試和故障分析，以進行芯片內部電路的可見性和可控性的測試，有效的硅調試以及提高診斷復雜硅器件中問題的能力。片上監視器可進行特定的參數測量，隨著每一代CMOS工藝技術的發展，片上監視器測量IC參數可用于優化性能，識別熱變化并了解工藝變化。

　　隨著AI的發展，如今還增加了片上監視器的部署，以便為整個IC器件中的參數測量提供更大的粒度。將機器學習算法應用于內部參數數據分析以及所收集的其他硅數據分析，可讓工程師更深入了解制造過程和現場操作，進而可以減少下一代芯片的缺陷率，并提高現有和新芯片的可靠性。

　　顯而易見，通過帶有多個傳感器的片上監視器，提供芯片內部的可見性對制造過程有幫助。現在，半導體行業在產品的整個生命周期中都越來越主動地使用這些數據。“傳統ATE可以用來收集數據，”NI公司半導體業務部的副總裁兼總經理OptimalPlus認為，“這些傳感器的先進性在于它們可以收集的信息越來越好。”

　　同時，半導體數據分析公司也已經越來越多地參與片上監視器。“我們將技術視為另一種方法。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技術的分析公司。”proteanTecs的營銷總監TamarNaishlos說道。“因此，實際上，這涉及很多來自集成電路上的全面、深層的數據——即IC片上各電路點的數據情況。但是這些信息必須納入機器學習算法中，以便我們能夠以最佳方式解釋一切。”

　　還有專注于監視時鐘抖動，電壓和溫度的IP模塊的公司也認識到使用監視數據能設計出超出預期的優化應用程序。

　　“我們對這種片上電路的數據收集及分析非常感興趣，這不僅可以直接用于優化單個芯片，還使數據可用。從更大數量的芯片中查看數據也很有價值，”Moortec市場總監RichardMcPartland說。“這可以與醫療保健相提并論。醫生不僅要查看單個患者，還需要查看人群并確定特定的疾病或健康問題。同樣，通過應用片上監控，不僅可以得到可用數據，還能查看單個管芯的情況。片上傳感器對于提供內部所有情況的可見性至關重要——那具有巨大的價值。”

　　來自片上監視器的附加數據跨越了制造過程的所有步驟，保證了最終產品交付的質量。整個過程的數據使工程師可以進行更復雜的分析，以滿足產量，質量和可靠性的目標。

　　傳感器在監控IC上的作用

　　工程師在分析來自片上監控器的數據之前，他們需要了解計量的分析需求和電路的計量功能。當今的IC中使用了各種片上監視器。

　　“最常見的片上傳感器將是PVT實時監視器，里面包含電壓和溫度傳感器等。您可以在整個SoC中放置許多此類微型傳感器。”Cadence市場營銷設計IP主管TomWong說。“簡單的環形振蕩器可以告訴您工藝隨時間的變化，因為您可以測量隨時間變化的頻率。它可以在使用的小時數/天數/月數/年數內為您指示芯片的運行狀況。”

　　“環形振蕩器電路一直是過程監控的主要工具。環形振蕩器已經存在了數十年。晶圓驗收測試中使用的劃線線結構提供了對晶圓工藝控制和一般工藝條件的評估，”PDFSolutions首席技術專家AndrzejStrojwas說道。“為了更具體地了解IC/芯片在工藝方面的行為，那么您可以將環形振蕩器作為芯片的工藝監控器。”

　　到2000年代中期，諸如Intel，TSMC和Samsung之類的制造商已經依靠遍布整個芯片的環形振蕩器網絡來更好地理解IC內的工藝變化。通過對環形振蕩器數據進行分析，可以洞悉整個晶圓以及整個芯片所經歷的工藝變化。

　　在過去的15年中，工程師們設計了更復雜的環形振蕩器。在2011年IEEE關于電子設備的交易論文中，英特爾工程師詳細描述了他們使用片上電路來測量工藝技術變化的情況。作者解釋了他們使用環形振蕩器以及對跟蹤晶體管特性。

　　對于微處理器，在0.18μmCMOS工藝節點上必須使用片上熱傳感器監控溫度。隨著新產品的推出，驗證硅片上的熱點已經促進了在整個芯片上增加更多的熱監測器。出于可靠性目的，工程師對監視現場溫度感興趣。

　　歷史溫度高于正常水平的電路可以預測可靠性場故障。Ansys新興技術產品管理總監CraigHillman表示，熱和電條件都會影響電遷移。“電遷移的挑戰之一是準確的分析和預測要求您達到穩態，因為隨著電流密度的增加，溫度會升高。隨著溫度升高，電阻升高，這意味著溫度升高。這種協同過程加速了電遷移。”但是，這也可能會根據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。

　　用余量表示的信號和時鐘時序關系代表了數字電路設計人員感興趣的參數，并且這也可以饋入分析算法中。

　　了解這一余量有兩個方面——理解時鐘的占空比和抖動特性，以及理解兩個時鐘存儲元件之間組合電路的路徑延遲。

　　Synopsys高級產品營銷經理FaisalGoriawalla表示：“對于針對高可靠性應用的SoC，一定要進行片上監控是至關重要的要求。“這些可能正在監視關鍵PLL或一組片上PLL的占空比。作為我們設計STAR分層系統的一部分，測量單元集成了一些時鐘和過程監視功能。它是一種輕量級的數字IP內核，SoC設計人員可以輕松，一次，兩次或數百次集成該芯片。”

　　監視器越多，覆蓋范圍就越好。proteanTecs首席技術官兼聯合創始人伊夫林？蘭德曼（EvelynLandman）說：“我們使用保證金代理來衡量設計本身的頻率保證金。”“這不是站在側面的獨立電路。在芯片工作時，它實際上是在并行測量設計的數百萬條路徑的余量。”

　　這些監視器在硅后設計表征，生產測試和現場使用中都有應用。

　　集成電路片上監控器的集成和設計

　　片上監控器及其數據訪問需要設計到IC設備中，特別是如果工程師在整個IC中使用大量監控器來實現空間粒度和參數多樣性的話。

　　首先，為了促進數據收集，監視電路通常將感興趣的參數轉換為數字讀數。這使工程師能夠使用可用的測試訪問端口來允許在制造過程，新產品引入和現場評估期間進行分析。

　　其次，要訪問監視電路的分布式網絡，基礎結構電路必須在芯片設計的約束內工作。例如，對于大量的環形振蕩器，設計人員需要啟用和選擇每個環形振蕩器，以將其連接到外部裸片引腳以進行測量。另外，他們可以使用分頻器使其通過低速接口可讀。

　　有了多個片上顯示器，為這些顯示器配備一個集成良好的控制器可輕松實現。其中，放置的傳感器性質至關重要，尤其是在汽車領域，我們需要考慮整個芯片的特定電源水平，或者可能存在熱點的區域。

　　還有提供給任何分析框架的數據質量也非常重要。如果片上監視器缺乏提供可靠計量所需的設計穩健性，那么質量可能會受到影響。當使用片上監視器來評估產品生命周期內的工藝變化和性能下降時，電路設計人員需要確保其監視器不受半導體物理和制造變化的影響，比如老化。

　　結語：

　　通過在整個設計中放置片上監視器，工程師可以對硅上發生的事情進行更深入的了解，從而為如何對觀察到的制造差異做出反應提供指導。具體來說，數據可告知設計和工藝改進方面的反饋，并指導制造測試和潛在可靠性故障的前饋決策。

　　電路監控提供商和數據分析公司都認識到從片上數據獲得強大洞察力的潛力。

　　“一旦傳感器結構集成在芯片設計中，您就可以收集數據，不僅涵蓋整個產品范圍，而且還針對每個生產的設備。通過啟用嵌入式監控，我們可以進入芯片生命周期的每個步驟。這提供了一個強大的新機會，可以在制造，測試，封裝然后進入任務模式期間對芯片進行評估，最終導致使用壽命終止。”Crosher指出。“這確實使我們感到興奮，因為我們正在從芯片內部為設計師和整個行業提供有價值的見解，并生成可用于產品和系統生命周期分析的有意義的數據。”

　　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的可觀察性帶入了芯片本身，并在整個芯片的使用壽命中實現了持續的可觀察性。”