深港微电子学院陈全助理教授团队在器件建模与电路仿真方面取得一系列进展

2022-09-14 科研聚焦 浏览量：15717

电子设计自动化（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来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。 目前，基于新物理原理的电子器件如自旋电子器件正受到更多的关注，需要相应的TCAD工具支撑其发展。 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。

近日，南方科技大学深港微电子学院陈全助理教授团队在STT-MRAM器件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。针对MRAM工作时所涉及到电-磁-热物理过程及他们之间复杂的非线性耦合关系，首次提出一种高效的三维多物理耦合仿真框架及算法，并以此研究了器件尺寸变化对于器件性能的影响，相关成果发表于国际著名EDA期刊IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems （TCAD）。在电路仿真方面，在先进技术节点下全芯片电源地网络节点规模可达数亿到数十亿，这对现有的SPICE电路仿真工具产生了巨大的挑战。为了解决大规模电源地网络瞬态仿真的困难，研究者创新地提出了一种指数积分与模型降阶合成方法，可以在保证精度的前提下显著提升性能，相关成果发表于EDA领域国际顶级学术会议 (International Conference on Computer-Aided Design, ICCAD 2022)上。

STT- MTJ的电-磁-热多物理耦合建模与仿真

STT-MARM器件作为一种典型的自旋电子器件，其结构如图1 (左) 所示，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。当在写入操作时，STT-MTJ会涉及电（自旋电子的输运）、磁（磁动力学）、热（热动力学）三个相互耦合的动态物理过程，如图1（中）所示。为此，我们分别采用非平衡态格林函数NEGF、宏磁动力学LLGS方程、傅里叶传热HCE方程对其电-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。用此仿真算法，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。相关成果以“TEMT: A Transient Electronic-Magnetic-Thermal Coupled Simulation Framework for STT-MTJs” 发表于IEEE TCAD 期刊，南科大深港微电子学院2019级博士生刘大委为第一作者，陈全助理教授为通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。该工作得到国自然重点项目支持。

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

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

论文链接： https://ieeexplore.ieee.org/document/9877863

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

模拟电路后仿真是当前芯片设计中验证/签核的核心要求和瓶颈，随着摩尔定律的发展，后仿真电路规模越来越大。例如在先进技术节点下，全芯片电源地网络规模可达数亿到数十亿，这对现有的SPICE电路仿真工具产生了巨大的挑战。针对于这些问题，研究者研究了模型降阶与指数积分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。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，通过对电源地网络的输入进行分组，根据输入的特性来进行分别求解。用以解决指数积分法在进行大规模电源地网络瞬态仿真时，由于输入不对称导致的时间点过多问题，可以在保证精度的前提下显著提升性能。相关成果以“EI-MOR: A Hybrid Exponential Integrator and Model Order Reduction Approach for Transient Power/Ground Network Analysis”为题，被ICCAD 2022会议接收。

南科大微电子学院2021级硕士王聪、杨东恩为论文的第一，二作者，陈全助理教授为通讯作者，南方科技大学为第一单位。该工作得到国自然专项项目和广东省重点研发计划支持。这也是南科大首次在IEEE&ACM ICCAD上发表论文。ICCAD与国际设计自动化会议（DAC），欧洲设计自动化与测试会（DATE）并称为EDA领域的三大国际顶级会议，是中国计算机学会（CCF）推荐的计算机体系结构与高性能计算方向顶级国际学术会议。ICCAD 2022年录取率仅为23%。将于2022年10月30日在美国加州圣迭戈召开。

表1：EI-MOR算法的性能