微电学术 | 学院陈汪勇、蔡琳琳副教授课题组在TCAS-I发表重要研究进展

近日，中山大学微电子科学与技术学院陈汪勇、蔡琳琳课题组在集成电路可靠性在线监测领域取得重要研究进展。研究成果以“A Temperature-Aware Multi-Stage Aging Monitoring Circuit Driven by a VCTD-Based Analytical Model for On-Chip Degradation Early Warning”为题发表于期刊 IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers (TCAS-I)。学院2026届硕士毕业生熊凌为论文第一作者，陈汪勇副教授为通讯作者。该研究提出了一种抗温度干扰的物理级老化监测方案，攻克了深纳米工艺下热效应对老化感知精度的制约难题。该方案支持多级老化状态量化，旨在为芯片全生命周期管理（SLM）提供嵌入式、可扩展的智能预警 IP 解决方案。

背景意义

随着先进工艺节点不断微缩，偏置温度不稳定性（BTI）与热载流子注入（HCI）已成为制约高性能芯片可靠性的关键短板。此类老化效应会引发晶体管阈值电压漂移及载流子迁移率衰退，进而诱发时序违例乃至系统瘫痪。然而，芯片实际运行中的动态温变效应往往掩盖了真实的老化退化特征，导致监测数据失真与预警失灵。此外，现有监测方案多局限于故障临界点的二元判定，无法实现对电路健康度演变过程的连续、细粒度感知。

核心研究内容

针对上述挑战，研究团队提出了一种基于电压控制可调延迟（VCTD）单元的高精度、温度鲁棒型多级老化监测框架：

• 全工作区物理解析模型：研究团队通过深入分析晶体管在亚阈值区、饱和区和线性区的特性，推导出VCTD单元延迟特性的物理解析模型。该模型能够精确解耦温度变化与老化诱发的延迟漂移，为电路参数优化提供了理论依据。
• 温度感知的自适应偏置技术：基于所提出的物理模型，设计了一种自适应偏置发生器（ABG）。该模块能够动态调整监测单元的偏置电压，并利用晶体管的温度敏感特性补偿热漂移，从而确保在-40℃至125℃的工业级全温度范围内，监测窗口保持极高的稳定性。
• 多级演进式预警机制：不同于传统的单一失效标志，本设计引入了多阶段状态机。通过实时追踪退化程度，系统能够提供自定义细粒度的健康状态反馈，在故障发生前发出多级早期预警，为系统的预测性维护提供支持。

实验结果与性能对比

该设计核心监测单元面积仅为196 μm²。仿真与实测结果表明相比于未补偿的基准电路，该设计将温度影响的相对延迟变化降低了近30倍。此外，在全温度范围内，各级监测阈值的波动范围极小，且老化监测核心单元功耗仅为1.6 μW。

该研究得到了国家自然科学基金青年项目和广东省自然科学基金面上项目支持，依托珠海市智能EDA与高端芯片可靠性设计重点实验室、广东省高端集成电路设计与集成技术重点实验室等平台支持。

论文信息： L. Xiong, W. Chen, S. He, R. Liu, Z. Chen and L. Cai, “A Temperature-Aware Multi-Stage Aging Monitoring Circuit Driven by a VCTD-Based Analytical Model for On-Chip Degradation Early Warning,” in IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2026.