南科大陈全团队提出先进器件多物理建模和大规模电路仿真新方法
2022年09月19日 科研新闻 浏览量 :320

近日,南方科技大学深港微电子学院助理教授陈全团队在自旋转移力矩磁存储器件(STT-MRAM)建模仿真领域与大规模模拟电路瞬态仿真方面取得一系列新的进展,相关成果以“TEMT: A Transient Electronic-Magnetic-Thermal Coupled Simulation Framework for STT-MTJs”和“EI-MOR: A Hybrid Exponential Integrator and Model Order Reduction Approach for Transient Power/Ground Network Analysis”分别发表于电子设计自动化(EDA)领域国际知名学术期刊IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems (TCAD)和国际顶级学术会议 International Conference on Computer-Aided Design, ICCAD 2022上。

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EDA工具贯穿了集成电路从设计到制造的所有流程,涵盖了半导体器件建模仿真,电路仿真、逻辑综合、布局布线等环节,是现代芯片设计必不可少的工具,被誉为“芯片之母”。其中,半导体器件建模与仿真(TCAD)技术是指通过数值方法研究半导体器件的物理工作过程,从而为器件的设计与制造及后续的电路设计提供重要参考依据。此外,电路仿真是EDA中应用最广泛的工具之一,然而随着集成电路设计复杂度的提升,电路仿真的难度不断提高。主流电路仿真SPICE框架数十年没有重大变化,性能严重落后于产业界的需求,已成为现代EDA流程中的主要瓶颈之一。

STT- MTJ的电-磁-热多物理耦合建模与仿真

STT-MRAM作为一种新型的自旋电子器件,结构如图1所示。其利用磁隧穿结(MTJ)的磁阻效应存储0/1信息,而利用自旋极化电子的转移力矩实现信息的写入。由于非易失性、高读写速度以及良好工艺兼容性等优点,使MRAM最有可能替代传统的DRAM和SRAM而成为通用型存储器件。STT-MRAM器件的工作过程涉及到电(自旋电子输运)-磁(磁动力学)-热(热动力学)等三个动态物理过程,以及这些物理过程之间复杂的非线性耦合关系,如图1(中)所示。但由于多物理建模的困难和极高的计算复杂度,工业界长期以来只能基于单一或两种物理过程进行建模和仿真,导致仿真精度不足,难以用于指导现实器件和系统的设计。


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图 1 (左)1T-1R的STT-MRAM (中)在写入操作时,STT- MTJ所涉及的电、磁、热物理过程及他们之间的耦合关系;(右)瞬时电-磁-热仿真框架流程图

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图 2. 从上到下:在0.5V驱动电压下,不同横向尺寸(10nm, 30nm, 60nm)STT- MTJ的物理参数状态(温度、磁化强度,磁化方向,隧穿电流)的瞬时仿真结果 

为此,本研究首次提出一种高效的三物理模型耦合仿真框架及算法,分别采用量子非平衡态格林函数法(NEGF)、宏磁动力学方程(LLGS)和热传导方程(HCE)对其电-磁-热物理过程建模,并提出双层自洽迭代求解算法表述三个物理过程的耦合关系,如图1.(右)所示。在每一个时间节点上,我们只需利用NEGF计算MTJ两种特殊磁阻状态下电流密度,并依此构建隧穿电流的近似计算公式,用于后续的电-磁迭代计算中,避免了多次调用NEGF而提高了整个仿真速度(~15X)同时保持较高的计算精度。这是国际上首个可以完整描述STT-MRAM中三个物理模型在时域内耦合过程,同时具备工业界应用效率的仿真方法。利用此方法,我们研究了不同截面尺寸器件的动态翻转特性,如图2所示。仿真结果表明,当器件横向尺寸增大时,其电子态密度增加从而引起隧穿电流密度增大,导致其温度上升较快,翻转时间更短,与现有的实验结果相符。

南科大深港微电子学院2019级博士生刘大委为论文第一作者,陈全为通讯作者,南科大为论文第一单位。该工作得到国自然重点项目支持。

EI-MOR:一种用于电源地网络瞬态仿真的指数积分与模型降阶合成方法

版图后仿真(Post-layout simulation)是现代芯片设计验证最核心的步骤之一。随着摩尔定律的发展,电路后仿真规模越来越大,尤其是全芯片电源地网络(Power/Ground Network)规模,在先进技术节点下可达数亿到数十亿。当前主流的SPICE电路仿真框架已经数十年没有重大变化,在处理超大规模电路仿真时面临越来越严重的性能瓶颈。针对于这些问题,研究者深入研究了模型降阶(MOR)与指数积分(EI)这两种当前主流的电路仿真加速方法,并且通过严格数学推导首次证明出两者的等价性,发现指数积分法可以被认为是在每一个时间步内进行一次等效的模型降阶。并从这一等价性出发,创新地提出了一种指数积分与模型降阶合成方法,解决大规模电源地网络瞬态仿真中由于输入不对齐导致指数积分效率下降的问题。该方法通过对电源地网络的输入进行分组(图3),根据模型降阶和指数积分的特点,分别处理一组输入,并在时间节点上进行叠加(图4)。该方法可以减少指数积分法需要处理的输入断点数量,从而降低生成Krylov子空间的次数(表1),在不影响精度的前提下显著提升仿真效率。此外,模型降阶与指数积分等价性的证明,为学术界对电路仿真的加速算法研究提供了新的角度和思路,有助于开发突破传统SPICE框架的新一代电路仿真工具。

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图3. 输入源分组示例

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表1:EI-MOR算法的性能

南科大深港微电子学院2021级硕士生王聪、杨东恩为论文的第一、二作者,陈全为通讯作者,南科大为论文第一单位。该工作得到国自然专项项目和广东省重点研发计划支持。

 

论文链接:

1、https://ieeexplore.ieee.org/document/9877863 

2、https://iccad.com/ 


供稿:深港微电子学院

通讯员:杜玉梅

主图:丘妍

编辑:朱增光


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