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引言隨著芯片架構(gòu)向著數(shù)百個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傳播、高帶寬密度和低動態(tài)功耗等優(yōu)勢。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),解釋了其對系統(tǒng)性能和能源效率的影響,并討論了緩解技術(shù),重點關(guān)注4脈沖幅度調(diào)制(4-PAM)信號作為一種主動解決方案。
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6 m9 I7 j- M9 C& K( B$ O. P微環(huán)諧振器中的VBTI老化機制
' k, R" S+ P: g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PN結(jié),在周圍的二氧化硅包層中包含一個微加熱器。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行調(diào)整。8 r- {2 o- W- P1 \' f. n. y
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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現(xiàn)載流子注入和耗盡。
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當(dāng)在MR的PN結(jié)上施加負(fù)電壓時,會在Si-SiO2界面產(chǎn)生電場。這個電場與熱變化相結(jié)合,隨時間推移導(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。7 W, q6 I4 X2 p
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陷阱生成機制可以用以下化學(xué)反應(yīng)表示:! T% I& _: V9 m# S, L) X. A
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Si-H + h+ → Si* + H
0 ^/ R0 D# |; _0 e( v
" [. t9 }/ c- Z4 h# R0 K+ W7 r' J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。6 }8 _) [1 k2 X" C6 K
4 `/ a; m& Z) c! i8 DVBTI老化對MR特性的影響
! v+ m! j8 D# yVBTI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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圖2:在三個工作溫度300 K、350 K和400 K下,共振波長紅移(ΔλRWRS)和QA隨時間的變化。
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2 L% _* W' |, x* \5 h圖3:在四個偏置電壓-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加速MRs中的VBTI老化。
" V+ U8 U" w; W: f! [+ v5 M
' c- e2 \/ z; NVBTI老化對基于DWDM的OOK鏈路的影響- Q% g$ O7 w; S+ V
為了理解VBTI老化對基于密集波分復(fù)用(DWDM)的開關(guān)鍵控(OOK)鏈路的影響,我們需要檢查源節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點的效應(yīng)。8 @' I' B5 O/ b2 V8 I" U6 a
: u8 U, R [; u' @0 P6 B6 Z在源節(jié)點:
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圖4說明:頻域中示例源節(jié)點的圖示(a)老化前和(b)老化后。
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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)致信號頻譜與MRs共振波長之間的不對準(zhǔn),從而導(dǎo)致調(diào)制效率降低和互調(diào)串?dāng)_增加。5 Z. z; `& v7 j% L& q! y% J' x
4 q( B# ~0 V) w+ r& R4 `9 Y在目標(biāo)節(jié)點:
& u; h& @; x: v! ]. N1 b3 b
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圖5:頻域中示例目標(biāo)節(jié)點的圖示(a)老化前和(b)老化后。- T, v$ y1 n; s. z5 j6 K/ r* J
2 c! ^" m' s" E/ h9 i' a5 |老化引起的接收器MRs變化加劇了兩種現(xiàn)象:信號側(cè)帶截斷:MR通帶與信號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頻譜的部分重疊。: s+ n0 `6 U" [: E$ K! F; [: ^
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這些效應(yīng)導(dǎo)致信號退化和濾波/接收光信號的平均頻譜功率衰減。
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緩解VBTI老化影響% I3 @* ^# | T1 K/ E& E
有兩種主要方法來緩解VBTI老化影響:反應(yīng)式和主動式技術(shù)。
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1. 反應(yīng)式緩解:
# l3 r! t: R: B; L1 n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,可能會導(dǎo)致MR通帶進一步展寬。串?dāng)_緩解技術(shù):先前的工作提出了各種方法,但通常會帶來顯著的性能和/或面積開銷。
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0 p# @# S6 t9 _( e0 S; q2. 主動緩解:4-PAM信號8 Z; g1 K- I0 K# b
4-PAM信號作為一種有前途的低開銷技術(shù),可主動緩解VBTI老化影響。& b* ]3 x+ Q0 q8 r! r
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圖6:(a)開關(guān)鍵控(OOK)信號方法和(b)四脈沖幅度調(diào)制(4-PAM)信號方法的時域表示圖示。) Z% Q0 e4 f% [( R Y n5 D
) Z) P- D& N- A9 U" {3 o; u& w4-PAM使用四個光傳輸級別在一個數(shù)據(jù)符號中表示兩位信息,在給定信號波特率的情況下,有效地將帶寬翻倍。, r0 ~( m) e$ I: U* R9 V$ M3 M
; I2 y) w7 D* j7 M2 z$ x* W( f
, I, U7 Q1 _* f7 y- x7 R
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圖7:頻域中(a)基于OOK和(b)基于4-PAM的目標(biāo)節(jié)點圖示。
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& V' X/ h! ^7 y! s M4-PAM信號在緩解VBTI老化效應(yīng)方面的主要優(yōu)勢是:
9 z0 x2 f# \7 j4 v- ^1 v' a% W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。
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/ H+ {0 K4 B( N+ e5 F" o f0 O評估結(jié)果- v6 v/ U. L4 S7 r7 q
為了展示4-PAM信號在緩解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)和CLOS-4PAM(使用4-PAM信號)。
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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PV圖上的最壞情況信號功率損失。
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主要觀察結(jié)果:
7 g6 x4 _; g8 F' R7 f! b4 nVBTI老化隨時間增加CLOS-OOK和CLOS-4PAM PNoCs的最壞情況信號功率損失。在老化條件下,CLOS-4PAM PNoC始終表現(xiàn)出比CLOS-OOK PNoC更低的信號功率損失。! |0 O3 e8 w8 }3 F( W
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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)測試中考慮100個PV圖的每比特能耗(EPB)比較。
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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)測試中考慮100個PV圖的每比特能耗(EPB)比較。
' Y7 l$ G" j" v
, \4 S( H" D1 W這些結(jié)果表明:& D( Z: H' O, h; {& z! p' Y+ {# P" P
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實現(xiàn)了5.5%更好的能源效率。/ x' M" L+ K1 \% `* b
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結(jié)論% b4 h* g3 o+ [& E4 _/ G/ a7 u
VBTI老化對光子網(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老化的基本機制和影響,我們可以制定有效的緩解策略。4-PAM信號的使用成為一種有前途的主動解決方案,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)推動多核芯片設(shè)計的邊界,解決VBTI老化等可靠性挑戰(zhàn)對于光互連技術(shù)的廣泛采用將至為重要。
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參考文獻
- o8 H6 S3 o L[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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