Self-heating in Short Intra-block Wires

近年,熱問題が主要な設計問題となってきている.エレク トロマイグレーション [1,2]などに代表される信頼性低下 要因やリーク電流は温度に強く依存し,温度上昇による リーク電力増大は発熱量をさらに増加させるためである. この問題を解決するために,チップ全体の熱解析やアー キテクチャレベル [3]から物理設計レベル [4]の熱指向設 計が産学界双方で注目されている. 微視的視点では.グローバル配線の自己発熱問題が集中 的に研究されてきた [5–11].配線抵抗によるエネルギー 消費が配線内部に熱を発生させ,それが温度上昇に繋が る現象が自己発熱効果である.配線の過熱により,(1)配 線の電気抵抗の増大による信号伝達速度の低下,(2)エレ クトロマイグレーションなどによる信頼性低下,が生じ る.グローバル配線での自己発熱問題は以下の理由によ り集中的に研究されてきた: (1)グローバル配線は基板か ら離れて配置されるため,発生した熱が放熱されにくい, (2)グローバル配線では通常大電流が流れるため,大量の 熱が配線内で発生する. 一方,ローカル・中間層配線の自己発熱は深刻視され てこなかった.基板に近いため放熱性が良く,温度上昇 が軽微であったためである.しかし,プロセススケーリ ングにより,自己発熱を悪化させる以下の要因が発生す る: (1)ローカルクロック周波数の超高速化(グローバル クロックよりも非常に高速),(2)配線断面積の縮小によ る熱抵抗の増大,(3)層間絶縁材料として low-k材料の採 用,などである.従って,短距離ブロック内配線で自己発 熱効果が無視できるか,または将来的に深刻な問題を生 じるか,は明らかではない. 本論文では,短距離ブロック内配線での自己発熱効果 の将来的動向を予測する.短距離ブロック内配線の温度 上昇を,今まで主に議論されてきたグローバル配線の温 度上昇と比較する.先行研究 [11]では,自己発熱問題を 警鐘するために,グローバル配線を流れる電流の極大値 を仮定した.しかし,バッファ挿入された実用設計での自 己発熱の影響は明確ではない.実際の回路設計の観点か ら信号配線の自己発熱問題を評価するために,本検討で はスイッチング回数が最大となるクロック分配網の一部 を仮定する.また,グローバル配線では,過度に長い配 線構造を除去するためにバッファが挿入された配線を想 定する.本検討の主な成果は,グローバル配線だけでな く短距離ブロック内配線でも自己発熱問題が発生し,温 度上昇はむしろブロック内配線の方が深刻であると示し たことである. 本論文の構成は以下の通りである.2章で本検討の動 機を説明する.予測に使用する配線,チップモデルを 3章 で示す.4章 で温度上昇の予測結果を示す.また,温度 上昇に大きな影響を与えるパラメータの要因分析を行う. さらに,温度上昇による信頼性と性能の変化について議 論した後,リピータを最適に挿入したグローバル配線の 場合と比較する.最後に,5章で本論文をまとめる.