来源：芝能汽车

在半导体行业，器件老化逐渐成为了一个不容忽视的问题，尤其在汽车等安全至关重要的领域，老化的影响越来越明显。

虽然在过去，由于设计较为保守，老化问题没有引起广泛关注，但随着工艺技术的不断进步，老化带来的不稳定因素越来越突出。

Part 1

芯片老化的复杂性与成因

半导体器件老化的原因非常复杂，包括多种因素。比如，热载流子注入和偏置温度不稳定性是两种常见老化机制。这些效应在高电压、温度和应力条件下会加速，信号活动、占空比等因素也会加剧老化现象。

在先进的工艺节点上，老化效应更加显著。随着半导体工艺进入纳米级，器件尺寸减小，任何细微变化都会对热性能和机械可靠性产生重要影响。传统静态时序分析工具已显不足，设计者需增加更多裕度以确保长期可靠性。

以前，在半导体设计中常采用5%至10%的裕度来预防老化引起的不确定性。然而，随着技术进步，为了满足客户对性能、功耗和面积的要求，减少设计裕度变得必要。这意味着需要更精确的分析工具来预测老化，防止系统过早失效。

老化并不是瞬间发生的，而是随时间逐渐累积的过程。例如，在数据中心应用中，设备可能在运行几个月后才表现出由老化引起的性能下降。这表明老化不仅限于早期故障，还可能在系统长期运行中出现，对关键任务应用提出了更高要求。

● 3D-IC老化：堆叠复杂性与热问题

随着3D-IC技术的发展，热管理问题日益突出。3D堆叠结构增加了系统的热密度，改变了热梯度分布，使传统平面设计难以适应新的热应力环境。当多芯片叠加时，局部热效应会显著增强，加剧整个系统的老化压力。因此，老化模拟和热分析工具变得尤为重要。

设计者需重新评估功率密度对系统温度的影响，以更准确地预测老化趋势。在3D堆叠中，简单的功率密度模型已不够精确，需要更复杂的热仿真工具来捕捉局部温度变化对老化的影响。

● 关键部件与时钟树老化

一些模拟设备，如用于维持电压或电源的器件，由于电流消耗较高，往往更容易老化。这类器件的可靠性对于整个系统的长期稳定性至关重要，特别是在汽车和航空等关键任务应用中。

时钟树网络也是容易受老化影响的关键部分。时钟网络通常以高频运行，任何老化导致的抖动或占空比失真都会严重影响系统性能。

随着设计复杂性的增加，仅仅依靠裕度已不足以解决问题，精确的时钟树老化分析变得至关重要。

● 新兴问题：局部布局效应与LLE

除了热管理和电流密度问题，局部布局效应也成为老化分析的新挑战。局部布局效应是指相邻单元布局对当前单元切换行为或延迟的影响。

随着工艺节点缩小，这种效应在先进工艺中更加明显。设计者必须对系统中各单元的相互作用进行细致分析，因为不同部分的老化速度会因温度、工作负载和活动因素而异。忽略这些局部差异可能导致某些单元老化过快，引发设置或保持问题。

Part 2

监控与自适应控制：

应对老化的未来路径

为了更好地应对老化问题，许多公司在芯片中加入了内置监控器。

这些监控器可实时评估系统老化程度，并将数据反馈给控制系统，实现自适应电压或频率控制。当监测到某部件老化速度过快时，系统可通过调整电压或频率来延缓老化。

此外，内置监控器还能帮助设计者确定故障原因，通过结构化模式和监控器，更准确地捕捉老化对系统各部分的影响，从而提前预测故障。

这种基于监控的老化管理策略不仅提高了系统可靠性，还延长了器件的使用寿命，特别是在关键任务应用中，确保系统在老化过程中仍能正常运行。

半导体老化问题是一个不断加剧的隐患，尤其在先进工艺节点和关键任务应用中，老化效应对系统性能的影响越来越明显。

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