為什么晶體管使用越久，功耗越低？

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

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

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

普通消費者也許并不關(guān)心電腦CPU、智能手機存儲器和汽車自動剎車系統(tǒng)的老化問題。但是作為電子系統(tǒng)設(shè)計師或芯片設(shè)計工程師，我們知道這些電子系統(tǒng)芯片中的晶體管是會逐漸老化的。跟人和汽車一樣，它們會慢慢變舊，反應(yīng)變得遲緩，毛病越來越多，甚至突然崩潰死機。

晶體管BTI變化對系統(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電子產(chǎn)品不是好事，但其功耗卻隨著時間的推移而降低，這是英國南安普頓大學(xué)電子工程教授Bashir Al-Hashimi在一系列仿真和試驗后得出的結(jié)論。這位教授及其團隊對晶體管的一種特性—偏壓溫度不穩(wěn)定性(Bias Temperature Instability，BTI)進行了測試，發(fā)現(xiàn)BTI的變化對芯片和系統(tǒng)整體系統(tǒng)有正面影響。

什么是BTI?簡單說來，就是晶體管處于“開”狀態(tài)時的一種電荷積聚效應(yīng)，在晶體管通道及其門絕緣介質(zhì)之間形成電荷積累，這會改變晶體管開關(guān)變換狀態(tài)的電壓，隨著時間的推移晶體管開關(guān)狀態(tài)變換動作會越來越慢。隨著芯片制造商更多采用高K電介質(zhì)和金屬門材料，這種偏壓不穩(wěn)定性越來越明顯。

Bashir Al-Hashimi教授的團隊在仿真試驗中使用的是高性能CMOS邏輯晶體管，BTI老化使得這些器件的實際功耗在降低。試驗表明，仿真1個月的使用，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)計中，晶體管大部分時間是處于這種狀態(tài)，因此由BTI帶來的功耗降低是比較顯著的。

在實際芯片測試中，使用5年后泄漏電流大約降低11%。實際的電子系統(tǒng)功耗降低能否達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)理論上是說得通的。這是否意味著智能手機使用時間越長，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，未免過于武斷。畢竟智能手機的電池續(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。消費者需求和市場競爭一直驅(qū)動著手機廠商和芯片供應(yīng)商不斷地更新迭代，新產(chǎn)品替代周期越來越短，在這樣的環(huán)境下消費者和商家對系統(tǒng)芯片的老化效應(yīng)不會關(guān)注的。但是，我們工程師在設(shè)計芯片和智能設(shè)備產(chǎn)品時，卻不得不考慮其影響。

芯片里程表

明尼蘇達大學(xué)電氣工程教授Chris H. Kim早在10多年前就開始對晶體管老化對芯片和電子系統(tǒng)的影響開始進行研究和試驗。他最早提出了“芯片里程表(Odometer for silicon chip)”的概念，并開發(fā)出一種電路用于測量可能影響芯片性能的晶體管老化指標，他希望能將這種電路集成進微處理器芯片設(shè)計中，以協(xié)助微處理器自動檢測運轉(zhuǎn)性能，通過均衡幾種老化指標來讓芯片始終處于最佳性能狀態(tài)。Kim教授及其團隊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)獎即是半導(dǎo)體業(yè)界對其研究的肯定。

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

Kim教授提出的“芯片里程表”概念及其相應(yīng)的測量電路設(shè)計已經(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)在其芯片開發(fā)中考慮晶體管老化的影響，正在采取適當(dāng)?shù)姆绞絹硌a償因為老化導(dǎo)致的芯片性能下降。也許很快在新的芯片中，就會集成類似“芯片里程表”的功能模塊。

隨著芯片設(shè)計和制造工藝的發(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時，我們可能會使用一部心儀的手機超過3年，手機的續(xù)航能力不降反升或許就不足為奇了。