一种适用于集成电路芯片的片上电源噪声峰值测量系统及其测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于集成电路芯片的片上电源噪声峰值测量系统及测量方法，该电源噪声峰值测量系统通过电阻分压、反相器放大、触发器采样产生数字签名的过程，来实时测量集成电路芯片上的电源网络中的各个区域的电源噪声峰值，并配合自适应控制模块对测量峰值进行调节处理，从而降低电源噪声对集成电路芯片性能的影响。本发明专利技术设计的电源噪声峰值测量系统测量精度较高、对芯片影响较小，因而可以单独用作芯片监测或者测试使用，降低电源噪声对芯片的干扰。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于集成电路芯片的片上电源噪声峰值测量系统及其测量方法
本专利技术涉及一种测量电源噪声的系统，更确切的说，是一种适用于集成电路芯片的片上实时检测电源噪声峰值的测量系统。
技术介绍
集成电路(integratedcircuit)是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管(所述晶体管为门电路中的主要器件)、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。对于55nm及以下工艺的集成电路芯片，往往集成着数以亿计的门电路，这就使得在芯片工作时大量的门电路会在系统时钟信号的上升沿或者下降沿同时发生翻转，在电源网络上寄生电阻和电感的影响下，会产生电流/电阻压降(即IR-Drop)和同步开关噪声(即)两种较为严重的电源噪声。在申请号200910052451.9，申请日2009年06月03日中公开了“快速设计电源网络的方法”。在此文献的图1中公开了电源网络的示意图。通常电源网络中的电源噪声的电压峰值会达到参考电压的20％～30％，会造成门电路单元工作速度降低，可能引发某些延时路径时序紊乱，功能发生故障。尤其在一些集成电路芯片中，为了达到更快的工作速度，芯片中采用阈值较低的P沟道和N沟道的金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOS/NMOS)，例如在某些芯片中使用的低阈值电路单元，其阈值电压可以低至参考电压的10％～15％，如果电源噪声发生在这些单元之中，将极大的增加电路出错的概率。由于集成电路芯片的制造工艺误差等因素，很难单纯的使用电路布线仿真软件来预测芯片中每个部分可能发生的电源噪声的大小，这就需要对芯片进行实际的测量。通常使用的方法可以分为片外测量和片上测量两种。片外测量不需要对芯片的布局进行修改，但是其局限性也比较大，主要体现在：(a)难以在芯片实际工作时进行实时测量；(b)难以对芯片内部的某些部位的电源噪声进行测量；(c)难以在芯片实际工作时和片上其他系统配合以防止芯片因电源噪声造成功能失常。基于上述原因，如果需要实时监测芯片的电源噪声并做出相应的处理，一个较好的方案便是使用片上测量系统。片上测量系统的优点就在于:可以在芯片实际工作时实时监测芯片的电源网络中各个区域的电源噪声，并可同其他系统配合进行调节。经过对现有的技术文献进行检索发现，Z.Abuhamdeh等于2007年在IEEEInternationalTestConference(国际测试会议)发表了“Separatingtemperatureeffectsfromring-oscillatorrdadingstomeasuretrueir-droponachip(去除温度对环形振荡器的影响来检测片上IR-Drop噪声)”提出通过检测环形振荡器的频率的变化来检测电源噪声的方法，但是这一方法只能给出一段时间内的平均电源噪声，并未涉及电源噪声的峰值。2005年T.Okumoto等人在IEEEJournalofSolid-StateCircuits(固态电路学报)上发表了“Abuilt-intechniqueforprobingpower-supplynoisedistributionwithinlarge-scaledigitalintegratedcircuits(一种内置在大型集成电路中用来检测电源噪声分布的技术)”，提出了在一种使用AD采样的方法来获取电源瞬时噪声的方法，通常其采样频率应当为系统时钟频率的若干倍，这就会造成较大的功耗，同时在芯片上难以产生如此高的频率。Chen-HsiangHsu等于2013年在InternationalSymposiumonVLSIDesign,AutomationandTest(国际超大规模集成电路设计，自动化以及测试年会)上发表了“Worst-caseIR-dropmonitoringwith1GHzsamplingrate(在1GHz采样速率条件下监测IR-Drop)”，将电源噪声的峰值转化为脉冲波的宽度，降低了对采样速率的要求以及功率的损耗。虽然上述文献采用了片上测量系统，但对电源噪声峰值的测量精度较低，运行时功耗较大，测量速率慢。
技术实现思路
本专利技术设计了一种用于测量集成电路芯片的片上电源噪声峰值的系统，该电源噪声峰值测量系统能够实时监测集成电路芯片工作时受到的电源噪声峰值的强度，并通过自适应控制模块与电源噪声峰值调节模块的配合，实时调节片上容易受到电源噪声影响的单元。能够避免集成电路芯片因受到较大的电源噪声引发片上功耗异常、使得片上某些单元功能失效或者发生错误。本专利技术的一种适用于集成电路芯片的片上电源噪声峰值测量系统，所述集成电路芯片根据功能的不同划分有N个区域；所述集成电路芯片上的电源网络为所述的N个区域供电；其特征在于：电源噪声峰值测量系统由自适应控制模块(3)和与所述集成电路芯片上的N个区域匹配的N个电源噪声峰值测量模块组成；针对A区域设置的电源噪声峰值测量模块记为第一个电源噪声峰值测量模块(2A)；针对B区域设置的电源噪声峰值测量模块记为第二个电源噪声峰值测量模块(2B)；针对N区域设置的电源噪声峰值测量模块记为第N个电源噪声峰值测量模块(2N)；所述的电源噪声峰值测量模块(2A、2B、……和2N)的结构是相同的；即：电源噪声峰值测量模块由电阻调节模块(20D)、恒电阻阻值模块(20E)、分压电阻阵列(20A)、反相器阵列(20B)和触发器阵列(20C)构成；自适应控制模块(3)第一方面接收电源噪声峰值测量模块输出的实时数字签名Name实时；第二方面向每个电源噪声峰值测量模块(2A、2B、……、2N)发出测量控制信号WN，所述的测量控制信号WN中包括有工作启动信号EN工作、分压控制信号FV3和反相器控制信号NV3，即WN＝{EN工作,FV3,NV3}；所述EN工作为设置采集几个采样周期下的工作时间节点；电阻调节模块(20D)，一方面用于将接收到的含有噪声的电源信号进行分压；另一方面通过调节电阻调节模块(20D)中每个电阻的阻值来抵消环境温度T环境对电源噪声峰值测量模块(2A、2B、……、2N)的影响；恒电阻阻值模块(20E)与电阻调节模块(20D)协作，实现分压电阻阵列(20A)中的相邻电阻之间的电压处于反相器阵列(20B)中与其连接的反相器的阈值电压V阈值附近；分压电阻阵列(20A)由多个串联电阻构成；反相器阵列(20B)连接在分压电阻阵列(20A)中的相邻电阻之间；触发器阵列(20C)连接在反相器的输出端上。本专利技术设计的电源噪声峰值系统的优点在于：①利用电源噪声峰值系统对集成电路芯片上的电源噪声进行实时检测，其测量精度高，最小的测量间隔为10mV。②通过调节电阻调节模块的电阻阻值，来控制电源噪声峰值测量模块是否进入工作状态；当无需工作时，将电阻调节模块的电阻阻值调节至最大；使得电源噪声峰值测量模块停止工作，从而系统功耗极低。③电源噪声峰值测量模块采用电阻、反相器、触发器的设计，占用集本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于集成电路芯片的片上电源噪声峰值测量系统，所述集成电路芯片根据功能的不同划分有N个区域；所述集成电路芯片上的电源网络为所述的N个区域供电；其特征在于：电源噪声峰值测量系统由自适应控制模块(3)和与所述集成电路芯片上的N个区域匹配的N个电源噪声峰值测量模块组成；针对A区域设置的电源噪声峰值测量模块记为第一个电源噪声峰值测量模块(2A)；针对B区域设置的电源噪声峰值测量模块记为第二个电源噪声峰值测量模块(2B)；针对N区域设置的电源噪声峰值测量模块记为第N个电源噪声峰值测量模块(2N)；所述的电源噪声峰值测量模块(2A、2B、……和2N)的结构是相同的；即：电源噪声峰值测量模块由电阻调节模块(20D)、恒电阻阻值模块(20E)、分压电阻阵列(20A)、反相器阵列(20B)和触发器阵列(20C)构成；自适应控制模块(3)第一方面接收电源噪声峰值测量模块输出的实时数字签名Name实时；第二方面向每个电源噪声峰值测量模块(2A、2B、……、2N)发出测量控制信号WN，所述的测量控制信号WN中包括有工作启动信号EN工作、分压控制信号FV3和反相器控制信号NV3，即WN＝{EN工作,FV3,NV3}；所述EN工作为设置采集几个采样周期下的工作时间节点；电阻调节模块(20D)，一方面用于将接收到的含有噪声的电源信号进行分压；另一方面通过调节电阻调节模块(20D)中每个电阻的阻值来抵消环境温度T环境对电源噪声峰值测量模块(2A、2B、……、2N)的影响；恒电阻阻值模块(20E)与电阻调节模块(20D)协作，实现分压电阻阵列(20A)中的相邻电阻之间的电压处于反相器阵列(20B)中与其连接的反相器的阈值电压V阈值附近；分压电阻阵列(20A)由多个串联电阻构成；反相器阵列(20B)连接在分压电阻阵列(20A)中的相邻电阻之间；触发器阵列(20C)连接在反相器的输出端上。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于集成电路芯片的片上电源噪声峰值测量系统，所述集成电路芯片根据功能的不同划分有N个区域；所述集成电路芯片上的电源网络为所述的N个区域供电；其特征在于：电源噪声峰值测量系统由自适应控制模块(3)和与所述集成电路芯片上的N个区域匹配的N个电源噪声峰值测量模块组成；针对A区域设置的电源噪声峰值测量模块记为第一个电源噪声峰值测量模块(2A)；针对B区域设置的电源噪声峰值测量模块记为第二个电源噪声峰值测量模块(2B)；针对N区域设置的电源噪声峰值测量模块记为第N个电源噪声峰值测量模块(2N)；第一个电源噪声峰值测量模块(2A)、第二个电源噪声峰值测量模块(2B)和第N个电源噪声峰值测量模块(2N)的结构是相同的；每个所述的电源噪声峰值测量模块由电阻调节模块(20D)、恒电阻阻值模块(20E)、分压电阻阵列(20A)、反相器阵列(20B)和触发器阵列(20C)构成；自适应控制模块(3)第一方面接收电源噪声峰值测量模块输出的实时数字签名Name实时；第二方面向每个电源噪声峰值测量模块(2A、2B、2N)发出测量控制信号WN，所述的测量控制信号WN中包括有工作启动信号EN工作、分压控制信号FV3和反相器控制信号NV3，即WN＝{EN工作,FV3,NV3}；所述EN工作为设置采集几个采样周期下的工作时间节点；电阻调节模块(20D)，一方面用于将接收到的含有噪声的电源信号进行分压；另一方面通过调节电阻调节模块(20D)中每个电阻的阻值来抵消环境温度T环境对电源噪声峰值测量模块(2A、2B、2N)的影响；恒电阻阻值模块(20E)与电阻调节模块(20D)协作，实现分压电阻阵列(20A)中的相邻电阻之间的电压处于反相器阵列(20B)中与其连接的反相器的阈值电压V阈值附近；分压电阻阵列(20A)由多个串联电阻构成；反相器阵列(20B)连接在分压电阻阵列(20A)中的相邻电阻之间；触发器阵列(20C)连接在反相器的输出端上。2.根据权利要求1所述的适用于集成电路芯片的片上电源噪声峰值测量系统，其特征在于：电阻调节模块(20D)采用NMOS管与电阻组合的结构；NMOS管的G端连接分压控制信号，NMOS管的D端与电阻的一端连接，NMOS管的S端连接在分压电阻阵列(20A)上。3.根据权利要求1所述的适用于集成电路芯片的片上电源噪声峰值测量系统，其特征在于：电源噪声峰值测量系统中的分压电阻阵列(20A)、反相器阵列(20B)和触发器阵列(20C)的设置个数与集成电路芯片的数据运算位数相关。4.根据权利要求1所述的适用于集成电路芯片的片上电源噪声峰值测量系统，其特征在于：反相器阵列(20B)中，依据电压差值若ΔV＞0，则反相器输出低电平采用二进制表...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓晓，张东嵘，苏东林，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11