Abstrakte Verhaltensmodellierung und Zustandsüberwachung integrierter Schaltungen hinsichtlich Umgebungs- und Degradationseinflüssen

Abstract

Die technologischen Fortschritte bei der Herstellung moderner integrierter Schaltungen ermöglichen die Fertigung in immer kleineren Strukturgrößen, die mit signifikanten Steigerungen der Leistung und Effizienz einhergehen. Die geringen Strukturgrößen bringen jedoch auch Herausforderungen mit sich, da sie sehr anfällig gegenüber Störeinflüssen wie Prozessvariation, Spannungs- und Temperaturschwankungen sowie Alterung sind. Diese Faktoren, die als PVTA bezeichnet werden, können die Funktionalität der Schaltungen während des Betriebs beeinträchtigen. Daher ist für die Entwicklung zuverlässiger Schaltungen eine frühzeitige Berücksichtigung dieser Einflüsse im Entwurfsprozess unabdingbar. Die Simulation dieser Effekte ist, aufgrund der zu berücksichtigenden physikalischen Abhängigkeiten, meist lediglich auf einem geringen Abstraktionsniveau wie der Transistorebene möglich. Für große Systeme ist diese Art der Simulation jedoch angesichts der Komplexität und des damit verbundenen Rechenaufwands nicht praktikabel, so dass eine Betrachtung auf höheren Abstraktionsebenen erforderlich ist. Dafür werden Modelle und entsprechende Modellierungsmethoden benötigt, welche in der Lage sind, die relevanten Eigenschaften und Abhängigkeiten der betrachteten Schaltungskomponenten darzustellen. Trotz der Berücksichtigung der möglichen Einflüsse und Verwendung von Sicherheitsmarge im Entwurfsprozess kann es während des Betriebs zu Veränderungen des Schaltungsverhaltens kommen, was insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungsfeldern von höchster Relevanz ist. In diesen Fällen können zusätzliche Monitoringstrukturen Aufschluss über den aktuellen Zustand der Schaltung und über mögliche Veränderungen geben. Diese Arbeit konzentriert sich in diesem Zusammenhang auf zwei Themen: die Entwicklung einer neuartigen Modellierungsmethode für stochastische Verhaltensmodelle und die Untersuchung einer Monitoring-Methode für die Überwachung analoger Schaltungen. Die Modellierungsmethodik befasst sich mit der Erstellung von stochastischen Verhaltensmodellen unter Verwendung von Response-Surface-Modellen (RSM), die die stochastische Verteilung von Schaltungseigenschaften aufgrund von Prozessvariationen, Umgebungsbedingungen und Alterung berücksichtigen. Verschiedene Methoden, einschließlich der Erfassung von Variationen der Normal- und Lognormalverteilung und der Modellierung nicht-normalverteilter Variationen, werden entwickelt und durch Simulationen an verschiedenen Beispielschaltungen analysiert. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein Monitoring-Verfahren untersucht, welches die Koeffizienten digitaler adaptiver Filter zur Überwachung des Zustands analoger Schaltungen nutzt. RSM-basierte Verhaltensmodelle werden eingesetzt, um das Referenzsignal des idealen Schaltungsverhaltens zu erzeugen. Das Monitoring-Verfahren erlaubt zudem die Überwachung der Degradierung der Schaltung bei fortschreitender Alterung. Das Verfahren wird anhand von Simulationen sowie einer messtechnischen Auswertung einer Beispielschaltung untersucht.