[發明專利]用于測量集成電路中的功耗的方法和系統

有效

• 申請號: 201110259186.9
• 申請日: 2011-09-05
• 公開（公告）號: CN102478603A
• 公開（公告）日: 2012-05-30
• 發明（設計）人: M·埃科特;R·弗萊馳;C·賽維爾羅;O·A·托雷特;T-M·溫克爾;J·薩珀
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: G01R21/06
• 分類號: G01R21/06;G01R31/28
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 付建軍

技術領域

本發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。該方法可用于電子電路設計中以及用于執行集成電路芯片中的自測試。

背景技術

在電子系統的設計中以及在電子系統的工作期間，功耗是要考慮的重要參數：一方面，“綠色IT”要求電子系統的總能耗最小化。另一方面，如果要避免過熱以及因此導致的系統故障，則電子系統內的局部功耗是要考慮的關鍵因素。為了確保可靠的功能，必須評定系統內的局部功耗，從而在局部和全局都能夠應用足夠的冷卻。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系統在典型活動期間的預期局部功耗進行仔細設計、定位和確定尺寸。

功耗在高端VLSI(超大規模集成)芯片設計中是尤其重要的參數，因為所有部件必須以能夠在系統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行放置和分隔。因此，例如對于優化封裝密度、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內的實際功率分布及其冷卻是否足以滿足特定的設計要求。這些模型的有效性需要通過在設計內采用實際功率耗散的真實世界(即，物理)測量來驗證。因此，希望能夠準確地測量包括集成電路的電子系統中的局部功耗以及在系統設計的早期階段(優選地，在集成電路設計期間)估計預期功耗。

與芯片的特定活動和負載情況關聯的功耗的驗證需要為作為整體或者一部分的各VLSI(超大規模集成)芯片/電路產生可靠的功率數據的測量技術。這些數據可隨后用于驗證期望的系統功率和冷卻要求以及驗證特定系統負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確并且與活動相關：測量應該提供關于在系統環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芯片內的局部功耗。這些傳感器測量芯片內的溫度并因此能夠檢測功耗升高的區域(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，因此僅產生間接反饋而不能提供活動特定的時間分辨數據。

通過同時測量電子電路的一部分內的時域電壓U和電流I并計算P＝U×I，能夠直接測量電子電路的該部分的功耗。特別地，基于穩定狀態系統環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，這種準靜態方法僅產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據。

如果需要功耗的時間分辨測量，則必須以適當的時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有技術并且產生可靠結果，但片上電源電流測量(如果可以有它們的話)系統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)效應的電流測量(即，使用GMR傳感器的磁場的測量)將會產生通常比所考慮的特定芯片區域的空間范圍大得多的規模的空間平均值。

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。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生電流波形，可產生電流中斷。得到的電壓和電流數據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，通過當執行時產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于芯片的局部功耗的數據。因此，需要一種用于結合電子電路的特定區域中執行的特定活動來確定時間分辨功耗的準確方法。該方法應該適用于電子電路設計期間的“模型到硬件”驗證，因此應該產生定量結果并提供對特定改進的指導。該方法能夠適于用作電子電路內的自測試機制的一部分，因此能夠實現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。

發明內容

本發明的一個目的在于提供一種用于準確確定集成電路內的特定功率域中的時間分辨功耗的方法和系統。特別地，該方法應該能夠實現直至高頻的局部功耗剖面的快速且準確的評定。