JP2009295818A - Semiconductor integrated circuit - Google Patents
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Description
本発明は、半導体集積回路(LSI )およびその評価方法に係り、特に基板バイアス制御を行うLSI におけるチップ間特性ばらつきを抑制するシステム、チップ内に形成された絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(MOSFET)の特性ばらつきを評価するシステムおよび方法に関するもので、LSI 全般およびそれを用いたシステムに使用されるものである。 The present invention relates to a semiconductor integrated circuit (LSI) and an evaluation method thereof, and more particularly to a system that suppresses variation in characteristics between chips in an LSI that performs substrate bias control, and an insulated gate field effect transistor (MOSFET) formed in the chip. The present invention relates to a system and method for evaluating characteristic variations, and is used for LSI in general and systems using the LSI.
最近のLSI において、チップ内に形成されたMOSFETの微細化に伴い、特性ばらつきの抑制が困難となり、特性ばらつきを考慮した設計の重要性が高まっている。特に近年、製造装置のスペックによって決まるチップ間の特性ばらつきのみでなく、同一チップ内のMOSFETにおける特性ばらつき(On-Chip Variation; OCV)が顕在化するので、それを考慮することの重要性が高まっている。 In recent LSIs, with the miniaturization of MOSFETs formed in the chip, it becomes difficult to suppress the characteristic variation, and the importance of the design considering the characteristic variation is increasing. In particular, in recent years, not only the characteristics variation between chips determined by the specifications of manufacturing equipment but also the characteristics variation (On-Chip Variation: OCV) in MOSFETs in the same chip has become apparent, and the importance of considering this has increased. ing.
従来、MOSFETの閾値電圧(Vth)は逆方向基板バイアス(|Vbs|)に対して依存性を有するという基板バイアス効果を利用し、基板バイアスを制御することによってMOSFETのVthを変調する技術が注目されている。この場合、LSI 内のリングオシレータなどの論理回路の遅延時間やMOSFETのリーク電流の特性をモニタする。しかし、MOSFETのVthの基板バイアス効果は飽和傾向を示すので、従来の遅延特性あるいはリーク特性のモニタ方式では、|Vbs|の設定ステップが粗くなる。 Conventionally, a technique for modulating the Vth of a MOSFET by controlling the substrate bias using the substrate bias effect that the threshold voltage (Vth) of the MOSFET has a dependency on the reverse substrate bias (| Vbs |) has attracted attention. Has been. In this case, the delay time of logic circuits such as ring oscillators in the LSI and the characteristics of MOSFET leakage current are monitored. However, since the substrate bias effect of Vth of the MOSFET shows a saturation tendency, the setting step of | Vbs | becomes rough in the conventional monitoring method of delay characteristics or leak characteristics.
また、基板バイアスを制御することによってLSI のチップ間特性ばらつきを補償する技術が知られている。しかし、チップ内特性ばらつき(OCV) は|Vbs|に対して依存性を有し、OCV は|Vbs|の印加量の増加とともに増加するので、ファンクション保証を行うためにはOCV を許容値以下に抑制し得る|Vbs|の上限値が存在する。つまり、基板バイアスを必要以上に印加すると、大容量のスタティック型ランダムアクセスメモリ(SRAM)などではファンクション歩留りを落とす恐れがある。 In addition, a technique is known that compensates for variations in characteristics between LSI chips by controlling the substrate bias. However, the in-chip characteristic variation (OCV) has a dependency on | Vbs |, and the OCV increases as the applied amount of | Vbs | increases. There is an upper limit of | Vbs | that can be suppressed. In other words, if the substrate bias is applied more than necessary, the function yield may be lowered in a large-capacity static random access memory (SRAM) or the like.
そこで、前記したOCV の考慮の重要性に鑑み、設計時にOCV を考慮したマージンを付加することによって、製造されたチップの歩留り低下を抑制することが可能である。しかし、過剰なマージン設定は、チップ面積や消費電力の増大、設計スケジュールの増加を引き起こすので、適切なマージンを設定する必要があり、OCV を評価する手法の確立が重要となってきている。 Therefore, in view of the importance of considering the OCV, it is possible to suppress a decrease in the yield of the manufactured chip by adding a margin considering the OCV at the time of designing. However, setting an excessive margin causes an increase in chip area, power consumption, and design schedule. Therefore, it is necessary to set an appropriate margin and it is important to establish a method for evaluating OCV.
なお、特許文献1には、複数のMOSFETの特性を評価することによってMOSFETのVthのばらつきを評価し、表示する技術が開示されている。
本発明は前記した従来の問題点を解決すべくなされたもので、内蔵するMOSFETの基板バイアス印加によるチップ内特性ばらつきの増加を最小限に抑えて、ファンクション不良の発生を抑えることが可能になる半導体集積回路を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and it is possible to suppress the occurrence of a function failure by minimizing an increase in in-chip characteristic variation due to application of a substrate bias of a built-in MOSFET. An object is to provide a semiconductor integrated circuit.
本発明の他の目的は、内蔵するMOSFETのチップ内特性ばらつきを正確に評価することが可能になる半導体集積回路およびその評価方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit and an evaluation method for the semiconductor integrated circuit capable of accurately evaluating the in-chip characteristic variation of the built-in MOSFET.
本発明のさらに他の目的は、内蔵するMOSFETのチップ内特性ばらつきをモニタするための検出精度を上げるとともに、チップ内特性ばらつきとチップ間特性ばらつきと分離して評価することが可能になる半導体集積回路およびその評価方法を提供することにある。 Still another object of the present invention is to increase the detection accuracy for monitoring the in-chip characteristic variation of the built-in MOSFET, and to perform the evaluation separately from the in-chip characteristic variation and the inter-chip characteristic variation. It is to provide a circuit and an evaluation method thereof.
本発明の第1の態様に係る半導体集積回路は、MOSFETを用いた論理回路と、前記MOSFETのLSI チップ内特性ばらつきをモニタする第1のモニタ回路と、前記論理回路の遅延時間やMOSFETのリーク電流の特性をモニタする第2のモニタ回路と、前記第1のモニタ回路および前記第2のモニタ回路によるモニタ結果に基づいて制御された基板バイアスを前記MOSFETに印加する基板バイアス制御回路とを具備することを特徴とする。 A semiconductor integrated circuit according to a first aspect of the present invention includes a logic circuit using a MOSFET, a first monitor circuit for monitoring variations in characteristics of the MOSFET in the LSI chip, a delay time of the logic circuit, and a leakage of the MOSFET. A second monitor circuit that monitors a current characteristic; and a substrate bias control circuit that applies a substrate bias controlled based on a monitoring result by the first monitor circuit and the second monitor circuit to the MOSFET. It is characterized by doing.
本発明の第2の態様に係る半導体集積回路は、MOSFETを用いた論理回路と、前記MOSFETに基板バイアスを印加するための基板バイアス制御回路と、前記MOSFETのチップ内特性ばらつきを評価する評価システムとを内蔵し、前記評価システムは、前記MOSFETのオフ電流の中央値をモニタする中央値検出回路と、前記MOSFETのオフ電流の平均値をモニタする平均値検出回路とを具備し、前記オフ電流の平均値と中央値との比を測ることにより前記MOSFETのチップ内特性ばらつきを評価することを特徴とする。 A semiconductor integrated circuit according to a second aspect of the present invention includes a logic circuit using a MOSFET, a substrate bias control circuit for applying a substrate bias to the MOSFET, and an evaluation system for evaluating variations in characteristics of the MOSFET in the chip. And the evaluation system includes a median value detection circuit that monitors the median value of the off-state current of the MOSFET, and an average value detection circuit that monitors the average value of the off-state current of the MOSFET. By measuring the ratio between the average value and the median value of the MOSFET, the in-chip characteristic variation of the MOSFET is evaluated.
本発明の第3の態様に係る半導体集積回路は、MOSFETを用いた論理回路と、前記MOSFETに基板バイアスを印加するための基板バイアス制御回路と、前記MOSFETの特性ばらつきを評価する評価システムとを内蔵し、前記評価システムは、前記MOSFETを用いた論理回路の遅延時間の最大遅延量を検出する最大遅延量検出回路と平均遅延量を検出する平均遅延量検出回路とを具備し、前記最大遅延量と平均遅延量とを比較することにより、前記MOSFETのチップ内特性ばらつきとチップ間特性ばらつきとを分離して前記MOSFETの特性ばらつきを評価することを特徴とする。 A semiconductor integrated circuit according to a third aspect of the present invention includes a logic circuit using a MOSFET, a substrate bias control circuit for applying a substrate bias to the MOSFET, and an evaluation system for evaluating characteristic variations of the MOSFET. The evaluation system includes a maximum delay amount detection circuit that detects a maximum delay amount of a delay time of a logic circuit using the MOSFET, and an average delay amount detection circuit that detects an average delay amount, and the maximum delay By comparing the amount and the average delay amount, the characteristic variation of the MOSFET is evaluated by separating the characteristic variation in the chip and the characteristic variation between the chips of the MOSFET.
本発明の第4の態様に係る半導体集積回路の評価方法は、MOSFETを用いた論理回路と、前記MOSFETに基板バイアスを印加するための基板バイアス制御回路と、を内蔵する半導体集積回路における前記MOSFETのチップ内特性ばらつきを評価する評価方法であって、前記MOSFETのオフ電流の中央値および平均値をモニタし、前記オフ電流の平均値と中央値との比を測ることにより前記MOSFETのチップ内特性ばらつきを評価することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor integrated circuit evaluation method comprising: a logic circuit using a MOSFET; and a substrate bias control circuit for applying a substrate bias to the MOSFET. An on-chip characteristic variation evaluation method comprising: monitoring a median value and an average value of an off-current of the MOSFET and measuring a ratio between the average value and the median value of the off-current in the MOSFET. The characteristic variation is evaluated.
本発明の第5の態様に係る半導体集積回路の評価方法は、MOSFETを用いた論理回路と、前記MOSFETに基板バイアスを印加するための基板バイアス制御回路と、を内蔵する半導体集積回路における前記MOSFETのチップ内特性ばらつきを評価する評価方法であって、前記MOSFETを用いた論理回路の遅延時間の最大遅延量または最小遅延量、および、平均遅延量を検出し、前記最大遅延量または最小遅延量と平均遅延量とを比較することにより、前記MOSFETのチップ内特性ばらつきとチップ間特性ばらつきとを分離して前記MOSFETの特性ばらつきを評価することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor integrated circuit evaluation method comprising: a logic circuit using a MOSFET; and a substrate bias control circuit for applying a substrate bias to the MOSFET. An evaluation method for evaluating in-chip characteristic variation, wherein the maximum delay amount or the minimum delay amount of the delay time of the logic circuit using the MOSFET is detected, and the average delay amount is detected, and the maximum delay amount or the minimum delay amount is detected. And the average delay amount are compared to separate the in-chip characteristic variation and the inter-chip characteristic variation of the MOSFET to evaluate the MOSFET characteristic variation.
本発明の第1の態様に係る半導体集積回路によれば、内蔵するMOSFETの基板バイアス印加によるチップ内特性ばらつきの増加を最小限に抑えて、ファンクション不良の発生を抑えることができる。 According to the semiconductor integrated circuit according to the first aspect of the present invention, it is possible to suppress the occurrence of a function failure by minimizing the increase in in-chip characteristic variation due to the application of the substrate bias of the built-in MOSFET.
また、本発明の第2の態様に係る半導体集積回路およびその評価方法は、内蔵するMOSFETのチップ内特性ばらつきを正確に評価することができる。 In addition, the semiconductor integrated circuit and the evaluation method thereof according to the second aspect of the present invention can accurately evaluate the in-chip characteristic variation of the built-in MOSFET.
また、本発明の第3の態様に係る半導体集積回路およびその評価方法は、内蔵するMOSFETのチップ内特性ばらつきをモニタするための検出精度を上げるとともに、チップ内特性ばらつきとチップ間特性ばらつきと分離して評価することができる。 In addition, the semiconductor integrated circuit and the evaluation method thereof according to the third aspect of the present invention increase the detection accuracy for monitoring the in-chip characteristic variation of the built-in MOSFET, and also separate the in-chip characteristic variation and the inter-chip characteristic variation from each other. Can be evaluated.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。この説明に際して、全図にわたり共通する部分には共通する参照符号を付す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In this description, common parts are denoted by common reference numerals throughout the drawings.
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態に係るLSI に搭載されるチップ内特性ばらつき抑制システムの構成を示すブロック図である。本LSI のチップ内には、MOSFETを用いた論理回路、SRAMなどのコア回路(Chip Core )11が形成されており、これに基板バイアスを印加するための基板バイアス制御回路12を内蔵している。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an in-chip characteristic variation suppressing system mounted on an LSI according to the first embodiment of the present invention. In the chip of this LSI, a logic circuit using MOSFET and a core circuit (Chip Core) 11 such as SRAM are formed, and a substrate
さらに、基板バイアス印加量を決定するために、LSI 内の論理回路の遅延時間あるいは、MOSFETのリーク電流をモニタする第1のモニタ回路(遅延モニタ回路あるいはリークモニタ回路)13と、MOSFETのチップ内特性ばらつき(OCV) をモニタする第2のモニタ回路(OCV モニタ回路)14を具備している。 Further, in order to determine the substrate bias application amount, a first monitor circuit (delay monitor circuit or leak monitor circuit) 13 for monitoring the delay time of the logic circuit in the LSI or the leakage current of the MOSFET, and the MOSFET chip A second monitor circuit (OCV monitor circuit) 14 for monitoring characteristic variation (OCV) is provided.
図1の構成によれば、基板バイアス制御回路12は、第1のモニタ回路13によるモニタ結果および第2のモニタ回路14によるモニタ結果に基づいて適切に制御された基板バイアスをコア回路11に印加することが可能になる。これにより、基板バイアス印加によるチップ内特性ばらつきの増加を最小限に抑え、ファンクション不良の発生を抑えることが可能となる。
According to the configuration of FIG. 1, the substrate
なお、基板バイアス制御回路12は、その一部あるいは全部をチップ外に構成することも可能である。また、第2のモニタ回路14は、LSI チップの機能テストを行う際にテスト回路として使用することも可能である。
Note that part or all of the substrate
<第2の実施形態>
図2は、本発明の第2の実施形態に係るLSI に搭載されるチップ内MOSFET特性ばらつき評価システムの構成を示すブロック図である。このLSI は、MOSFETを用いた論理回路、SRAMなどのコア回路(図示せず)と、これに基板バイアスを印加するための基板バイアス制御回路(図示せず)と、チップ内MOSFET特性ばらつきを評価する評価システムを内蔵している。評価システムは、チップ内に形成されMOSFETのオフ電流(Ioff)の中央値をモニタする中央値検出回路20と、Ioffの平均値をモニタする平均値検出回路25を有する。
<Second Embodiment>
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of an in-chip MOSFET characteristic variation evaluation system mounted on an LSI according to the second embodiment of the present invention. This LSI is a logic circuit using MOSFETs, a core circuit (not shown) such as SRAM, a substrate bias control circuit (not shown) for applying a substrate bias to this, and evaluating variations in MOSFET characteristics in the chip. Built-in evaluation system. The evaluation system includes a median
中央値検出回路20は、MOSFETのリーク電流Ioffに逆比例した遅延時間を有する遅延回路(delay )21を複数用いてIoffの中央値を検出した後、Ioffの中央値のばらつきを低減するように構成されている。すなわち、複数の遅延回路(delay )21を並列配置し、各遅延回路21の各出力を例えば多数決回路22に入力することにより、中央値検出回路20の部分集合ブロックの中央値を直接に検出する。さらに、中央値検出回路20を複数段接続することにより、Ioffの中央値のばらつきを低減する。このように部分集合ブロックの中央値を合計することにより、合計値を1つの部分集合ブロック分に換算すると、中央値のばらつきがキャンセルされることによって平均化されており、精度が相対的に向上した中央値を検出することになる。
The median
平均値検出回路25は、MOSFETのリーク電流Ioffに逆比例した遅延時間を有する遅延回路(delay )21を複数段接続することにより、Ioffの平均値を検出する。この平均値の検出は、実際は、各段の合計値を検出し、複数段のばらつきをキャンセルすることによって平均化しており、精度が相対的に向上した平均値を検出することになる。
The average
なお、後述するようにIoffの平均値をIoffの中央値と比較する際、ランダムなばらつき以外のずれを最小限にするために、平均値検出回路25と中央値検出回路20の回路構成(できればレイアウトも含めて)を同一にすることが望ましい。そこで、図2中に示すように、平均値検出回路25部には中央値検出回路20と同様に多数決回路22を形成している。
As will be described later, when comparing the average value of Ioff with the median value of Ioff, the circuit configuration of the average
この場合、図3に示すように、遅延量はMOSFET特性のOCV により指数関数的に分布し、OCV の大きさに応じてIoffの中央値および平均値がばらつき、Ioffの平均値は中央値から乖離する。したがって、Ioffの平均値と中央値の比を測ることにより、OCV を測定・評価することが可能になる。 In this case, as shown in FIG. 3, the delay amount is exponentially distributed depending on the OCV of the MOSFET characteristics, and the median value and average value of Ioff vary depending on the magnitude of OCV, and the average value of Ioff varies from the median value. Deviation. Therefore, OCV can be measured and evaluated by measuring the ratio between the average value and the median value of Ioff.
<第3の実施形態>
図4は、本発明の第3の実施形態に係るLSI に搭載されるチップ内MOSFET特性ばらつき評価システムの構成を示すブロック図である。このLSI は、MOSFETを用いた論理回路、SRAMなどのコア回路(図示せず)と、これに基板バイアスを印加するための基板バイアス制御回路(図示せず)と、チップ内MOSFET特性ばらつきを評価する評価システムを内蔵している。評価システムは、チップ内に形成されたMOSFETの特性ばらつき(OCV )をモニタするために、MOSFETを用いた論理回路(例えばLSI 内のリングオシレータなど)における遅延時間の最大値(最大遅延時間)を検出する最大遅延量検出回路40と平均値を検出する平均遅延量検出回路45を具備している。
<Third Embodiment>
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of an in-chip MOSFET characteristic variation evaluation system mounted on an LSI according to the third embodiment of the present invention. This LSI is a logic circuit using MOSFETs, a core circuit (not shown) such as SRAM, a substrate bias control circuit (not shown) for applying a substrate bias to this, and evaluating variations in MOSFET characteristics in the chip. Built-in evaluation system. The evaluation system monitors the maximum delay time (maximum delay time) in a logic circuit (for example, a ring oscillator in an LSI) using a MOSFET in order to monitor the characteristic variation (OCV) of the MOSFET formed in the chip. A maximum delay
最大遅延量検出回路40は、遅延回路(delay )41を複数用いて遅延回路41の遅延時間の最大値(ばらつきを有する遅延時間における最大値)を検出した後、最大値のばらつきを低減するように構成されている。すなわち、複数の遅延回路(delay )41を並列配置し、この複数の遅延回路41の各出力を例えばアンド回路42に入力することにより遅延回路41の遅延時間の最大値を検出する。さらに、最大遅延量検出回路40を複数段接続することにより最大遅延量の分布を平均化する。すなわち、図5に示すように、最大遅延量の分布のばらつきに比べて平均化された最大遅延量の分布のばらつきは少なくなり、最大遅延量の検出精度を上げることが可能となる。
The maximum delay
平均遅延量検出回路45は、遅延回路(delay )41を複数段接続することにより平均遅延量を検出する。ここで、後述するように平均化された最大遅延量と平均遅延量とを比較する際、ランダムなばらつき以外のずれを最小限にするために、平均遅延量検出回路45と最大遅延量検出回路40の回路構成(できればレイアウトも含めて)を同一にすることが望ましい。そこで、図4中に示すように、平均遅延量検出回路45部には最大遅延量検出回路40と同様にアンド回路42を形成している。
The average delay
このようにして得られる平均化された最大遅延量と平均遅延量とを比較回路(図示せず)により比較することにより、チップ内特性ばらつきとチップ間特性ばらつきとを分離してOCV を評価することが可能になる。 By comparing the averaged maximum delay amount obtained in this way and the average delay amount by a comparison circuit (not shown), the in-chip characteristic variation and the inter-chip characteristic variation are separated to evaluate the OCV. It becomes possible.
なお、前記最大遅延量検出回路40に代えて、前記MOSFETを用いた論理回路における遅延時間の最小値を検出する最小遅延量検出回路を用い、平均化された最小遅延量と平均遅延量とを比較するように変更してもよい。
Instead of the maximum delay
20…中央値検出回路、21…遅延回路(delay )、22…多数決回路、25…平均値検出回路。 20 ... median value detection circuit, 21 ... delay circuit (delay), 22 ... majority decision circuit, 25 ... average value detection circuit.
Claims (5)
前記評価システムは、前記MOSFETのオフ電流の中央値をモニタする中央値検出回路と、前記MOSFETのオフ電流の平均値をモニタする平均値検出回路とを具備し、前記オフ電流の平均値と中央値との比を測ることにより前記MOSFETのチップ内特性ばらつきを評価することを特徴とする半導体集積回路。 Built-in a logic circuit using a MOSFET, a substrate bias control circuit for applying a substrate bias to the MOSFET, and an evaluation system for evaluating variations in characteristics of the MOSFET in the chip,
The evaluation system includes a median value detection circuit that monitors a median value of the off-state current of the MOSFET, and an average value detection circuit that monitors an average value of the off-state current of the MOSFET. A semiconductor integrated circuit characterized by evaluating a variation in characteristics of the MOSFET in the chip by measuring a ratio to the value.
前記評価システムは、前記MOSFETを用いた論理回路の遅延時間の最大遅延量または最小遅延量を検出する第1の遅延量検出回路と平均遅延量を検出する第2の遅延量検出回路とを具備し、前記最大遅延量または最小遅延量と平均遅延量とを比較することにより、前記MOSFETのチップ内特性ばらつきとチップ間特性ばらつきとを分離して前記MOSFETの特性ばらつきを評価することを特徴とする半導体集積回路。 Built-in a logic circuit using a MOSFET, a substrate bias control circuit for applying a substrate bias to the MOSFET, and an evaluation system for evaluating variation in characteristics of the MOSFET,
The evaluation system includes a first delay amount detection circuit that detects a maximum delay amount or a minimum delay amount of a delay time of a logic circuit using the MOSFET, and a second delay amount detection circuit that detects an average delay amount. And comparing the maximum delay amount or the minimum delay amount and the average delay amount to separate the in-chip characteristic variation and the inter-chip characteristic variation of the MOSFET to evaluate the MOSFET characteristic variation. A semiconductor integrated circuit.
前記MOSFETのオフ電流の中央値および平均値をモニタし、前記オフ電流の平均値と中央値との比を測ることにより前記MOSFETのチップ内特性ばらつきを評価することを特徴とする半導体集積回路の評価方法。 An evaluation method for evaluating in-chip characteristic variation of the MOSFET in a semiconductor integrated circuit including a logic circuit using a MOSFET and a substrate bias control circuit for applying a substrate bias to the MOSFET,
A semiconductor integrated circuit characterized by monitoring the median value and average value of the off-state current of the MOSFET, and evaluating the in-chip characteristic variation of the MOSFET by measuring the ratio of the mean value and median value of the off-current. Evaluation methods.
前記MOSFETを用いた論理回路の遅延時間の最大遅延量または最小遅延量、および、平均遅延量を検出し、前記最大遅延量または最小遅延量と平均遅延量とを比較することにより、前記MOSFETのチップ内特性ばらつきとチップ間特性ばらつきとを分離して前記MOSFETの特性ばらつきを評価することを特徴とする半導体集積回路の評価方法。 An evaluation method for evaluating in-chip characteristic variation of the MOSFET in a semiconductor integrated circuit including a logic circuit using a MOSFET and a substrate bias control circuit for applying a substrate bias to the MOSFET,
By detecting the maximum delay amount or the minimum delay amount of the delay time of the logic circuit using the MOSFET and the average delay amount, and comparing the maximum delay amount or the minimum delay amount with the average delay amount, A method for evaluating a semiconductor integrated circuit, wherein the variation in characteristics of the MOSFET is evaluated by separating the variation in characteristics between chips and the variation in characteristics between chips.
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