【E問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)芯片中的晶體管會隨著時間而逐漸老化。它們會慢慢變舊，反應變得遲緩，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，人們年輕時候學習的知識，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)設計師或芯片設計工程師，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電子工程教授Bashir Al-Hashimi在一系列仿真和試驗后得出的結論。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，在晶體管通道及其門絕緣介質之間形成電荷積累，這會改變晶體管開關變換狀態(tài)的電壓，隨著時間的推移晶體管開關狀態(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、操作系統(tǒng)、安裝的APP軟件和用戶使用習慣等。消費者需求和市場競爭一直驅動著手機廠商和芯片供應商不斷地更新迭代，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)芯片的老化效應不會關注的。但是，我們工程師在設計芯片和智能設備產(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計中，以協(xié)助微處理器自動檢測運轉性能，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，半導體研究公司授予其2016年卓越技術獎即是半導體業(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上，這樣器件開關轉換的電壓就會改變。BTI和HCI也許對芯片正常工作沒有明顯的影響，但TDDB就會引起災難性的問題，隨著晶體管的老化，各種缺陷會在門介質上堆積，積聚到一定程度就會引起短路，從而導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”概念及其相應的測量電路設計已經(jīng)引起半導體行業(yè)的重視，包括Intel、TI和IBM在內的芯片制造商已經(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?shù)姆绞絹硌a償因為老化導致的芯片性能下降。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。

　　隨著芯片設計和制造工藝的發(fā)展，以及智能設備的操作系統(tǒng)和軟件的成熟，未來的智能設備在有限的供電環(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。