專利名稱：用于測量集成電路中的功耗的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及集成電路，更具體地講，涉及一種用于測量集成電路中的局部電功耗的方法和系統(tǒng)。該方法可用于電子電路設(shè)計中以及用于執(zhí)行集成電路芯片中的自測
試ο
背景技術(shù)：
在電子系統(tǒng)的設(shè)計中以及在電子系統(tǒng)的工作期間，功耗是要考慮的重要參數(shù)一方面，“綠色I(xiàn)T”要求電子系統(tǒng)的總能耗最小化。另一方面，如果要避免過熱以及因此導(dǎo)致的系統(tǒng)故障，則電子系統(tǒng)內(nèi)的局部功耗是要考慮的關(guān)鍵因素。為了確?？煽康墓δ?，必須評定系統(tǒng)內(nèi)的局部功耗，從而在局部和全局都能夠應(yīng)用足夠的冷卻。在高端集成電路(IC)中尤其如此，在高端IC中，電子部件緊密封裝并且可在工作期間消耗大量電功率；這些類型的電子器件要求冷卻功能，該冷卻功能需要根據(jù)系統(tǒng)在典型活動期間的預(yù)期局部功耗進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計、定位和確定尺寸。功耗在高端VLSI (超大規(guī)模集成)芯片設(shè)計中是尤其重要的參數(shù)，因為所有部件必須以能夠在系統(tǒng)工作期間的任何時間為它們提供足夠的局部冷卻的方式進(jìn)行放置和分隔。因此，例如對于優(yōu)化封裝密度、能量效率等而言，基于(局部)功率耗散和/或局部溫度的故障分析變得越來越重要。在確保所考慮的IC將會按照所希望的方式工作的努力中， 合成IC內(nèi)的(局部)功率耗散的模型，并且將這些模型用于建模以確定IC內(nèi)的實際功率分布及其冷卻是否足以滿足特定的設(shè)計要求。這些模型的有效性需要通過在設(shè)計內(nèi)采用實際功率耗散的真實世界(即，物理)測量來驗證。因此，希望能夠準(zhǔn)確地測量包括集成電路的電子系統(tǒng)中的局部功耗以及在系統(tǒng)設(shè)計的早期階段(優(yōu)選地，在集成電路設(shè)計期間)估計預(yù)期功耗。與芯片的特定活動和負(fù)載情況關(guān)聯(lián)的功耗的驗證需要為作為整體或者一部分的各VLSI (超大規(guī)模集成)芯片/電路產(chǎn)生可靠的功率數(shù)據(jù)的測量技術(shù)。這些數(shù)據(jù)可隨后用于驗證期望的系統(tǒng)功率和冷卻要求以及驗證特定系統(tǒng)負(fù)載情況的各個功耗的“模型到硬件”。測量在下面的意義上必須準(zhǔn)確并且與活動相關(guān)測量應(yīng)該提供關(guān)于在系統(tǒng)環(huán)境中的特定硬件活動的實際功率需求的信息。已知測量電子系統(tǒng)的功耗的多種方法。例如，可使用片上熱傳感器估計IC芯片內(nèi)的局部功耗。這些傳感器測量芯片內(nèi)的溫度并因此能夠檢測功耗升高的區(qū)域(所謂的“熱點”)。然而，熱傳感器的測量值代表芯片的實際功耗的時間和位置平均值，因此僅產(chǎn)生間接反饋而不能提供活動特定的時間分辨數(shù)據(jù)。通過同時測量電子電路的一部分內(nèi)的時域電壓U和電流I并計算P = UXI，能夠直接測量電子電路的該部分的功耗。特別地，基于穩(wěn)定狀態(tài)系統(tǒng)環(huán)境中特定硬件工作期間的平均電壓和平均電流的測量值，能夠求得平均功耗。然而，這種準(zhǔn)靜態(tài)方法僅產(chǎn)生功耗的時間平均值而不能提供用于驗證建模和仿真的時域功耗譜所需的時間分辨數(shù)據(jù)。如果需要功耗的時間分辨測量，則必須以適當(dāng)?shù)臅r間分辨率確定電流和電壓。盡管時間分辨片上電壓測量是芯片工作期間的現(xiàn)有技術(shù)并且產(chǎn)生可靠結(jié)果，但片上電源電流測量(如果可以有它們的話)系統(tǒng)性地影響供電路徑并且因此固有地易于出錯。作為例子， 基于霍爾(Hall)效應(yīng)的電流測量(即，使用GMR傳感器的磁場的測量)將會產(chǎn)生通常比所考慮的特定芯片區(qū)域的空間范圍大得多的規(guī)模的空間平均值。US 7，138，815描述了一種能夠在電流中斷期間測量片上測試點之間的電壓的片上自測試系統(tǒng)。通過打開第一可配置邏輯塊并隨后在選擇的時間段之后打開第二可配置邏輯塊以產(chǎn)生電流波形，可產(chǎn)生電流中斷。得到的電壓和電流數(shù)據(jù)可用于求得芯片的阻抗剖面(impedance profile)。在US 6，768，952中描述了用于在芯片中的不同位置確定阻抗剖面的不同方法。在該方法中，通過當(dāng)執(zhí)行時產(chǎn)生恒定電流水平的不同代碼激活芯片。隨后， 切換時鐘頻率，由此產(chǎn)生周期性電流波形，并且測量得到的電壓。通過測量的電壓的傅里葉變換和周期性電流波形的傅里葉變換，計算阻抗剖面。盡管存在用于確定集成電路芯片的阻抗剖面的片上測量方法，但這些方法不提供關(guān)于芯片的局部功耗的數(shù)據(jù)。因此，需要一種用于結(jié)合電子電路的特定區(qū)域中執(zhí)行的特定活動來確定時間分辨功耗的準(zhǔn)確方法。該方法應(yīng)該適用于電子電路設(shè)計期間的“模型到硬件”驗證，因此應(yīng)該產(chǎn)生定量結(jié)果并提供對特定改進(jìn)的指導(dǎo)。該方法能夠適于用作電子電路內(nèi)的自測試機制的一部分，因此能夠?qū)崿F(xiàn)快速且廉價的制造測試以及提供工作期間的功率完好性檢查。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于提供一種用于準(zhǔn)確確定集成電路內(nèi)的特定功率域中的時間分辨功耗的方法和系統(tǒng)。特別地，該方法應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)直至高頻的局部功耗剖面的快速且準(zhǔn)確的評定。這些目的是通過獨立權(quán)利要求的特征實現(xiàn)的。其它權(quán)利要求、附圖和說明書公開了本發(fā)明的有益實施例。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種確定集成電路內(nèi)的功率域中的時間分辨功耗的方法。該方法包括下述步驟(1)確定所述功率域的局部電源阻抗剖面，(2)在執(zhí)行特定于所述功率域的周期性活動的同時測量局部時間分辨電源電壓，( 求得所測量的局部電源電壓的頻譜，(4)從所述電壓剖面和所述阻抗剖面計算關(guān)聯(lián)的電流譜，以及( 從所述電流譜和測量的電壓譜確定功耗譜。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于確定集成電路內(nèi)的功率域中的功耗的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括(1)用于存儲所述功率域的局部電源阻抗剖面的裝置；(2)活動激勵系統(tǒng)， 用于執(zhí)行特定于所述功率域的周期性活動；(3)電壓測量系統(tǒng)，用于測量所述功率域的局部電源電壓；(4)傅里葉變換系統(tǒng)，用于求得電源電壓剖面以及從所述阻抗剖面和所述電壓剖面計算電流譜；以及(5)功率求值系統(tǒng)，用于確定功耗譜。在該上下文中，術(shù)語“功率域”將用于表示芯片內(nèi)或電子電路內(nèi)的這樣的區(qū)域該區(qū)域在電源方面獨立，從而它的電源電壓VDD和GND可以與該電子電路內(nèi)的其它區(qū)域的電源電壓分離。


根據(jù)下面對實施例的詳細(xì)描述可以最好地理解本發(fā)明以及上述和其它目的和優(yōu)點，但本發(fā)明不限于這些實施例，在附圖中圖Ia是集成電路芯片和用于評估這個芯片內(nèi)的特定功率域中與特定活動關(guān)聯(lián)的功耗的系統(tǒng)的示意性平面圖；圖Ib是具有用于評估該芯片內(nèi)的局部功耗的片上系統(tǒng)的集成電路芯片的示意性平面圖；圖加是用于確定在圖Ia或Ib的集成電路芯片中的特定活動的局部功耗剖面的方法的示意性流程圖；圖2b是圖加的方法的優(yōu)選實施例的示意性流程圖；圖3a是用于確定圖1中顯示的功率域的局部電源阻抗剖面的方法的示意性流程圖；圖北是由于對稱地接通和斷開的時鐘活動導(dǎo)致的局部電流消耗的示意圖。在附圖中，相同元件由相同標(biāo)號表示。附圖僅是示意性的表示，而不是要描述本發(fā)明的具體參數(shù)。此外，附圖只是要描述本發(fā)明的典型實施例，因此不應(yīng)被視為限制本發(fā)明的范圍。
具體實施例方式圖1顯示包括功率域12的集成電路(IC)芯片10的示意性平面圖，將要求得功率域12的作為時間的函數(shù)(P(t))的功耗特性。在下文，術(shù)語“功率域12”用于表示在電源電壓方面獨立的芯片10的區(qū)域；這意味著，這個特定功率域12的電源電壓VDD和GND在物理上與其它功率域12’、12”的電源電壓VDD和GND分離。在高性能芯片設(shè)計中，通常把芯片 10劃分成具有各自電源VDD、GND的多個功率域12、12’、12”，每當(dāng)各功率域不使用時，能夠關(guān)閉它們各自的電源，由此在芯片10中節(jié)省功耗并減少熱量產(chǎn)生。不同的功率域12、12’、 12”可工作于不同的功率水平，由此能夠把多種多樣的功能集成在單個芯片10中。作為例子，功率域12可以是位于芯片10上的特定硬件元件。或者，功率域12可以是當(dāng)執(zhí)行特定軟件功能時激活的區(qū)域；例如，功率域12可以是芯片10的特定算術(shù)單元。 要注意的是，集成電路10的不同功率域12、12’在下面的意義上是彼此分離的盡管特定活動在功率域12中引起功耗，但它不影響域12’、12”，反之亦然。這意味著，就功耗而言，功率域12、12’、12”可以視為獨立的。根據(jù)芯片10的功能和設(shè)計，給定芯片10可包含單個功率域12或者多個功率域12、12’、12”。為了確定特定活動的執(zhí)行期間芯片10內(nèi)的給定功率域12的功耗P(t)，功率域12 必須進(jìn)行該活動，并且必須對與該活動對應(yīng)的電壓U以及電流I求值。盡管作為時間的函數(shù)能夠容易地測量與活動相關(guān)的局部電源電壓U(t)并且將其變換到頻域，但局部電源電流I(t)的時間分辨測量很難并且易于出錯。根據(jù)本發(fā)明，通過注意到以下事實而克服了這個問題電源阻抗Z(f)= Ff{U(t)}/Ff{I(t)}，從而如果阻抗Z(f)已知，則事實上可以根據(jù)測量的電壓U(t)計算電流譜I(t)。任何給定功率域12的電源阻抗剖面Z(f) =U(f)/I(f)是不變量(達(dá)到相當(dāng)高程度的準(zhǔn)確性)，這意味著功率域12中執(zhí)行的任何活動的阻抗譜Z(f)將會近似地相同， 不管這個活動的細(xì)節(jié)如何。這是由于以下的事實電源阻抗剖面Z(f)是功率域12的分布網(wǎng)絡(luò)的特定性質(zhì)；在不同功率域12、12’、12”的阻抗剖面Z(f)將會典型地顯示出不同行為的意義上，它是特定于位置的。功率域12的Z(f)是頻率f的函數(shù)并且由封裝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、去耦分級、各局部幾何構(gòu)造以及部件相互作用(諧振)所確定。由于阻抗剖面Z(f)僅取決于獨立于應(yīng)用于功率域12的活動的無源電子部件(布線、電阻器、電容器、電感器、...)，所以通過使功率域12經(jīng)受特定(很明顯非常簡單)的活動(即，能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)聯(lián)電流和電壓譜IQ(f)、UQ(f)的準(zhǔn)確確定的活動)，可對Z(f)求值。一旦已確定了功率域12的Z(f)= 、⑴/隊⑴，則根據(jù)工⑴=Ff-1{Z(f)/U(f)}從針對這個活動測量的關(guān)聯(lián)電源電壓譜U (f) = Ff(U(t))可以計算功率域12的任何(任意)活動的電流I (t) =F/1 {1(f)}，并且可以作為P(t) =U(t)XI(t)計算功率域12的這個活動的功耗。用于確定作為時間的函數(shù)的電子電路10內(nèi)的給定功率域12的功耗P(t)的該方法100的示意性流程圖顯示在圖加中。該方法的優(yōu)選實施例的示意性流程圖描述于圖2b 中。如上所述，方法100依賴于功率域12的局部電源阻抗剖面Z (f)(步驟110)，通過使這個功率域經(jīng)受特別容易確定其電流譜的非常簡單的活動，可以確定該局部電源阻抗剖面z(f)。用于獲得域12的該局部電源阻抗剖面Z(f)的優(yōu)選方法示意性地描述于圖3a的流程圖110中。根據(jù)該方法110，把簡單的周期性活動(諸如，時鐘樹的周期性切換)應(yīng)用于功率域12(步驟111)，從而在所考慮的功率域12中引起良定義的量的功率耗散。以能夠容易地計算由于這種良定義的周期性變化的負(fù)載導(dǎo)致的電流消耗ItlU)的方式，選擇該簡單的周期性活動。在優(yōu)選實施例中，該簡單的周期性活動包括周期性地接通和斷開時鐘樹， 從而(頻率f。lk的)時鐘樹與頻率fm。d的100%幅度調(diào)制疊加。已知時鐘切換在典型IC中產(chǎn)生高百分比的最大動態(tài)電流消耗，因此構(gòu)成功率域12的適合的激勵。圖北顯示由利用方波調(diào)制的時鐘信號的激勵導(dǎo)致的電流消耗ItlU)的示意圖。在這個例子中，時鐘信號具有頻率f。lk = 800MHz并且利用調(diào)制頻率fm。d = IMHz的方波進(jìn)行周期性地調(diào)制(即，接通和斷開)。由這個方波調(diào)制的時鐘激勵導(dǎo)致的電流消耗的局部時間變化IJt)可表示為
權(quán)利要求
1.一種用于確定集成電路(10)內(nèi)的功率域(12)的功耗的方法(100，100’)，包括下述步驟-確定所述功率域(12)的局部電源阻抗剖面(Z(f))(步驟110、110，)， -在執(zhí)行特定于所述功率域(1 的周期性活動的同時測量局部電源電壓(U(t))(步驟 120,120')；-求得所測量的局部電源電壓(U(t))的電壓譜(U(f))(步驟130、130’)； -從所述阻抗剖面(Z(f))和所述電壓譜(U(f))計算關(guān)聯(lián)的電源電流(I(t))(步驟 140,140')；以及-從所述電源電流(I(t))和測量的電源電壓(U(t))確定功耗譜(P(t))(步驟150、 150，)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，確定所述功率域(12)的所述局部電源阻抗剖面的步驟(110)包括下述步驟-在所述功率域(12)中應(yīng)用重復(fù)的活動(步驟111)； -評估由所述重復(fù)的活動引起的電流消耗(Ici(O)的時間行為(步驟112)； -計算對應(yīng)的電流消耗譜(I。(f))(步驟113)； -測量由所述重復(fù)的活動引起的局部電源電壓(U。(t))(步驟114)； -求得所測量的局部電源電壓(UQ(t))的電壓譜(UQ(f))(步驟115)；以及 -從所述電壓譜和電流譜仉⑴，I0(f))計算所述局部電源阻抗剖面(Z(f))(步驟 116)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，應(yīng)用重復(fù)的活動的步驟(111)包括周期性地接通和斷開系統(tǒng)時鐘樹。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，評估電流消耗(IJt))的時間行為的步驟 (120)包括所述重復(fù)的活動的漏電流和電流幅度的準(zhǔn)靜態(tài)測量。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法(100)包括把功耗譜P與基準(zhǔn)譜Pref 進(jìn)行比較的步驟(160)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在系統(tǒng)(10)通電期間執(zhí)行該方法(100)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在系統(tǒng)(10)工作期間周期性地執(zhí)行該方法 (100)。
8.一種用于確定集成電路(10)內(nèi)的功率域(12)的功耗的系統(tǒng)(200，200’)，包括 -存儲器(232，232’)，用于存儲所述功率域(12)的局部電源阻抗剖面Z (f)，-活動激勵系統(tǒng)O40，240’，202’)，用于執(zhí)行特定于所述功率域(12)的周期性活動 (50)；-電壓測量系統(tǒng)(210，210’)，用于測量所述功率域(12)的局部電源電壓(U(t))； -傅里葉變換系統(tǒng)(M2J42’)，用于求得所測量的局部電源電壓(U(t))的電壓譜 (U(f))以及從所述阻抗剖面(Z(f))和所述電壓譜(U(f))計算關(guān)聯(lián)的電流(I(t))； -功率求值系統(tǒng)044)，用于確定功耗(P(t))。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)(200’)，其特征在于，該系統(tǒng)(200’)包括用于把所述功耗譜(p(t))與基準(zhǔn)剖面(Pref (t))進(jìn)行比較的比較器(246' ) O
10.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)(200’)，其特征在于，該系統(tǒng)(200’)集成在電路(10)中。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)(200’)，其特征在于，-活動激勵系統(tǒng)(MO’ )和電壓測量系統(tǒng)(210’ )位于芯片(10)上，并且 -比較器(246')位于芯片(10)之外的位置(300)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于測量集成電路中的功耗的方法和系統(tǒng)。提供了一種用于確定集成電路(10)內(nèi)的功率域(12)的功耗的方法(100)。在第一步驟(110)中，確定這個功率域(12)的局部電源阻抗剖面(Z(f))。隨后，在功率域(12)中執(zhí)行良定義的周期性活動(50)的同時測量局部時間分辨電源電壓(U(t))(步驟120)。因此累積一組時域測量的電壓數(shù)據(jù)(U(t))并把其變換到頻域以產(chǎn)生電壓譜(U(f))(步驟130)。通過使用這個功率域(12)的電源阻抗剖面(Z(f))，按照I(t)＝Ff-1{U(f)/Z(f)}從該電壓剖面(U(f))計算電流譜I(t)(步驟140)。最后，從測量的電壓譜(U(t))和計算的電流譜(I(t))確定時間分辨功耗譜P(t)(步驟150)?？梢园言摴?P(t))與基準(zhǔn)(Pref(t))進(jìn)行比較(步驟160)以驗證功率域(12)內(nèi)的功耗是否符合預(yù)期。
文檔編號G01R21/06GK102478603SQ20111025918
公開日2012年5月30日 申請日期2011年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月19日
發(fā)明者C·賽維爾羅, J·薩珀, M·?？铺? O·A·托雷特, R·弗萊馳, T-M·溫克爾 申請人:國際商業(yè)機器公司