专利名称：用于测量集成电路中的功耗的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及集成电路，更具体地讲，涉及一种用于测量集成电路中的局部电功耗的方法和系统。该方法可用于电子电路设计中以及用于执行集成电路芯片中的自测
试ο
背景技术：
在电子系统的设计中以及在电子系统的工作期间，功耗是要考虑的重要参数一方面，“绿色IT”要求电子系统的总能耗最小化。另一方面，如果要避免过热以及因此导致的系统故障，则电子系统内的局部功耗是要考虑的关键因素。为了确保可靠的功能，必须评定系统内的局部功耗，从而在局部和全局都能够应用足够的冷却。在高端集成电路(IC)中尤其如此，在高端IC中，电子部件紧密封装并且可在工作期间消耗大量电功率；这些类型的电子器件要求冷却功能，该冷却功能需要根据系统在典型活动期间的预期局部功耗进行仔细设计、定位和确定尺寸。功耗在高端VLSI (超大规模集成)芯片设计中是尤其重要的参数，因为所有部件必须以能够在系统工作期间的任何时间为它们提供足够的局部冷却的方式进行放置和分隔。因此，例如对于优化封装密度、能量效率等而言，基于(局部)功率耗散和/或局部温度的故障分析变得越来越重要。在确保所考虑的IC将会按照所希望的方式工作的努力中， 合成IC内的(局部)功率耗散的模型，并且将这些模型用于建模以确定IC内的实际功率分布及其冷却是否足以满足特定的设计要求。这些模型的有效性需要通过在设计内采用实际功率耗散的真实世界(即，物理)测量来验证。因此，希望能够准确地测量包括集成电路的电子系统中的局部功耗以及在系统设计的早期阶段(优选地，在集成电路设计期间)估计预期功耗。与芯片的特定活动和负载情况关联的功耗的验证需要为作为整体或者一部分的各VLSI (超大规模集成)芯片/电路产生可靠的功率数据的测量技术。这些数据可随后用于验证期望的系统功率和冷却要求以及验证特定系统负载情况的各个功耗的“模型到硬件”。测量在下面的意义上必须准确并且与活动相关测量应该提供关于在系统环境中的特定硬件活动的实际功率需求的信息。已知测量电子系统的功耗的多种方法。例如，可使用片上热传感器估计IC芯片内的局部功耗。这些传感器测量芯片内的温度并因此能够检测功耗升高的区域(所谓的“热点”)。然而，热传感器的测量值代表芯片的实际功耗的时间和位置平均值，因此仅产生间接反馈而不能提供活动特定的时间分辨数据。通过同时测量电子电路的一部分内的时域电压U和电流I并计算P = UXI，能够直接测量电子电路的该部分的功耗。特别地，基于稳定状态系统环境中特定硬件工作期间的平均电压和平均电流的测量值，能够求得平均功耗。然而，这种准静态方法仅产生功耗的时间平均值而不能提供用于验证建模和仿真的时域功耗谱所需的时间分辨数据。如果需要功耗的时间分辨测量，则必须以适当的时间分辨率确定电流和电压。尽管时间分辨片上电压测量是芯片工作期间的现有技术并且产生可靠结果，但片上电源电流测量(如果可以有它们的话)系统性地影响供电路径并且因此固有地易于出错。作为例子， 基于霍尔(Hall)效应的电流测量(即，使用GMR传感器的磁场的测量)将会产生通常比所考虑的特定芯片区域的空间范围大得多的规模的空间平均值。US 7，138，815描述了一种能够在电流中断期间测量片上测试点之间的电压的片上自测试系统。通过打开第一可配置逻辑块并随后在选择的时间段之后打开第二可配置逻辑块以产生电流波形，可产生电流中断。得到的电压和电流数据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确定阻抗剖面的不同方法。在该方法中，通过当执行时产生恒定电流水平的不同代码激活芯片。随后， 切换时钟频率，由此产生周期性电流波形，并且测量得到的电压。通过测量的电压的傅里叶变换和周期性电流波形的傅里叶变换，计算阻抗剖面。尽管存在用于确定集成电路芯片的阻抗剖面的片上测量方法，但这些方法不提供关于芯片的局部功耗的数据。因此，需要一种用于结合电子电路的特定区域中执行的特定活动来确定时间分辨功耗的准确方法。该方法应该适用于电子电路设计期间的“模型到硬件”验证，因此应该产生定量结果并提供对特定改进的指导。该方法能够适于用作电子电路内的自测试机制的一部分，因此能够实现快速且廉价的制造测试以及提供工作期间的功率完好性检查。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于准确确定集成电路内的特定功率域中的时间分辨功耗的方法和系统。特别地，该方法应该能够实现直至高频的局部功耗剖面的快速且准确的评定。这些目的是通过独立权利要求的特征实现的。其它权利要求、附图和说明书公开了本发明的有益实施例。根据本发明的第一方面，提供了一种确定集成电路内的功率域中的时间分辨功耗的方法。该方法包括下述步骤(1)确定所述功率域的局部电源阻抗剖面，(2)在执行特定于所述功率域的周期性活动的同时测量局部时间分辨电源电压，( 求得所测量的局部电源电压的频谱，(4)从所述电压剖面和所述阻抗剖面计算关联的电流谱，以及( 从所述电流谱和测量的电压谱确定功耗谱。根据本发明的第二方面，提供了一种用于确定集成电路内的功率域中的功耗的系统。该系统包括(1)用于存储所述功率域的局部电源阻抗剖面的装置；(2)活动激励系统， 用于执行特定于所述功率域的周期性活动；(3)电压测量系统，用于测量所述功率域的局部电源电压；(4)傅里叶变换系统，用于求得电源电压剖面以及从所述阻抗剖面和所述电压剖面计算电流谱；以及(5)功率求值系统，用于确定功耗谱。在该上下文中，术语“功率域”将用于表示芯片内或电子电路内的这样的区域该区域在电源方面独立，从而它的电源电压VDD和GND可以与该电子电路内的其它区域的电源电压分离。
根据下面对实施例的详细描述可以最好地理解本发明以及上述和其它目的和优点，但本发明不限于这些实施例，在附图中图Ia是集成电路芯片和用于评估这个芯片内的特定功率域中与特定活动关联的功耗的系统的示意性平面图；图Ib是具有用于评估该芯片内的局部功耗的片上系统的集成电路芯片的示意性平面图；图加是用于确定在图Ia或Ib的集成电路芯片中的特定活动的局部功耗剖面的方法的示意性流程图；图2b是图加的方法的优选实施例的示意性流程图；图3a是用于确定图1中显示的功率域的局部电源阻抗剖面的方法的示意性流程图；图北是由于对称地接通和断开的时钟活动导致的局部电流消耗的示意图。在附图中，相同元件由相同标号表示。附图仅是示意性的表示，而不是要描述本发明的具体参数。此外，附图只是要描述本发明的典型实施例，因此不应被视为限制本发明的范围。
具体实施例方式图1显示包括功率域12的集成电路(IC)芯片10的示意性平面图，将要求得功率域12的作为时间的函数(P(t))的功耗特性。在下文，术语“功率域12”用于表示在电源电压方面独立的芯片10的区域；这意味着，这个特定功率域12的电源电压VDD和GND在物理上与其它功率域12’、12”的电源电压VDD和GND分离。在高性能芯片设计中，通常把芯片 10划分成具有各自电源VDD、GND的多个功率域12、12’、12”，每当各功率域不使用时，能够关闭它们各自的电源，由此在芯片10中节省功耗并减少热量产生。不同的功率域12、12’、 12”可工作于不同的功率水平，由此能够把多种多样的功能集成在单个芯片10中。作为例子，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可以是当执行特定软件功能时激活的区域；例如，功率域12可以是芯片10的特定算术单元。 要注意的是，集成电路10的不同功率域12、12’在下面的意义上是彼此分离的尽管特定活动在功率域12中引起功耗，但它不影响域12’、12”，反之亦然。这意味着，就功耗而言，功率域12、12’、12”可以视为独立的。根据芯片10的功能和设计，给定芯片10可包含单个功率域12或者多个功率域12、12’、12”。为了确定特定活动的执行期间芯片10内的给定功率域12的功耗P(t)，功率域12 必须进行该活动，并且必须对与该活动对应的电压U以及电流I求值。尽管作为时间的函数能够容易地测量与活动相关的局部电源电压U(t)并且将其变换到频域，但局部电源电流I(t)的时间分辨测量很难并且易于出错。根据本发明，通过注意到以下事实而克服了这个问题电源阻抗Z(f)= Ff{U(t)}/Ff{I(t)}，从而如果阻抗Z(f)已知，则事实上可以根据测量的电压U(t)计算电流谱I(t)。任何给定功率域12的电源阻抗剖面Z(f) =U(f)/I(f)是不变量(达到相当高程度的准确性)，这意味着功率域12中执行的任何活动的阻抗谱Z(f)将会近似地相同， 不管这个活动的细节如何。这是由于以下的事实电源阻抗剖面Z(f)是功率域12的分布网络的特定性质；在不同功率域12、12’、12”的阻抗剖面Z(f)将会典型地显示出不同行为的意义上，它是特定于位置的。功率域12的Z(f)是频率f的函数并且由封装基础结构、去耦分级、各局部几何构造以及部件相互作用(谐振)所确定。由于阻抗剖面Z(f)仅取决于独立于应用于功率域12的活动的无源电子部件(布线、电阻器、电容器、电感器、...)，所以通过使功率域12经受特定(很明显非常简单)的活动(即，能够实现关联电流和电压谱IQ(f)、UQ(f)的准确确定的活动)，可对Z(f)求值。一旦已确定了功率域12的Z(f)= 、⑴/队⑴，则根据工⑴=Ff-1{Z(f)/U(f)}从针对这个活动测量的关联电源电压谱U (f) = Ff(U(t))可以计算功率域12的任何(任意)活动的电流I (t) =F/1 {1(f)}，并且可以作为P(t) =U(t)XI(t)计算功率域12的这个活动的功耗。用于确定作为时间的函数的电子电路10内的给定功率域12的功耗P(t)的该方法100的示意性流程图显示在图加中。该方法的优选实施例的示意性流程图描述于图2b 中。如上所述，方法100依赖于功率域12的局部电源阻抗剖面Z (f)(步骤110)，通过使这个功率域经受特别容易确定其电流谱的非常简单的活动，可以确定该局部电源阻抗剖面z(f)。用于获得域12的该局部电源阻抗剖面Z(f)的优选方法示意性地描述于图3a的流程图110中。根据该方法110，把简单的周期性活动(诸如，时钟树的周期性切换)应用于功率域12(步骤111)，从而在所考虑的功率域12中引起良定义的量的功率耗散。以能够容易地计算由于这种良定义的周期性变化的负载导致的电流消耗ItlU)的方式，选择该简单的周期性活动。在优选实施例中，该简单的周期性活动包括周期性地接通和断开时钟树， 从而(频率f。lk的)时钟树与频率fm。d的100%幅度调制叠加。已知时钟切换在典型IC中产生高百分比的最大动态电流消耗，因此构成功率域12的适合的激励。图北显示由利用方波调制的时钟信号的激励导致的电流消耗ItlU)的示意图。在这个例子中，时钟信号具有频率f。lk = 800MHz并且利用调制频率fm。d = IMHz的方波进行周期性地调制(即，接通和断开)。由这个方波调制的时钟激励导致的电流消耗的局部时间变化IJt)可表示为
权利要求
1.一种用于确定集成电路(10)内的功率域(12)的功耗的方法(100，100’)，包括下述步骤-确定所述功率域(12)的局部电源阻抗剖面(Z(f))(步骤110、110，)， -在执行特定于所述功率域(1 的周期性活动的同时测量局部电源电压(U(t))(步骤 120,120')；-求得所测量的局部电源电压(U(t))的电压谱(U(f))(步骤130、130’)； -从所述阻抗剖面(Z(f))和所述电压谱(U(f))计算关联的电源电流(I(t))(步骤 140,140')；以及-从所述电源电流(I(t))和测量的电源电压(U(t))确定功耗谱(P(t))(步骤150、 150，)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述功率域(12)的所述局部电源阻抗剖面的步骤(110)包括下述步骤-在所述功率域(12)中应用重复的活动(步骤111)； -评估由所述重复的活动引起的电流消耗(Ici(O)的时间行为(步骤112)； -计算对应的电流消耗谱(I。(f))(步骤113)； -测量由所述重复的活动引起的局部电源电压(U。(t))(步骤114)； -求得所测量的局部电源电压(UQ(t))的电压谱(UQ(f))(步骤115)；以及 -从所述电压谱和电流谱仉⑴，I0(f))计算所述局部电源阻抗剖面(Z(f))(步骤 116)。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，应用重复的活动的步骤(111)包括周期性地接通和断开系统时钟树。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，评估电流消耗(IJt))的时间行为的步骤 (120)包括所述重复的活动的漏电流和电流幅度的准静态测量。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法(100)包括把功耗谱P与基准谱Pref 进行比较的步骤(160)。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在系统(10)通电期间执行该方法(100)。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在系统(10)工作期间周期性地执行该方法 (100)。
8.一种用于确定集成电路(10)内的功率域(12)的功耗的系统(200，200’)，包括 -存储器(232，232’)，用于存储所述功率域(12)的局部电源阻抗剖面Z (f)，-活动激励系统O40，240’，202’)，用于执行特定于所述功率域(12)的周期性活动 (50)；-电压测量系统(210，210’)，用于测量所述功率域(12)的局部电源电压(U(t))； -傅里叶变换系统(M2J42’)，用于求得所测量的局部电源电压(U(t))的电压谱 (U(f))以及从所述阻抗剖面(Z(f))和所述电压谱(U(f))计算关联的电流(I(t))； -功率求值系统044)，用于确定功耗(P(t))。
9.如权利要求8所述的系统(200’)，其特征在于，该系统(200’)包括用于把所述功耗谱(p(t))与基准剖面(Pref (t))进行比较的比较器(246' ) O
10.如权利要求8所述的系统(200’)，其特征在于，该系统(200’)集成在电路(10)中。
11.如权利要求10所述的系统(200’)，其特征在于，-活动激励系统(MO’ )和电压测量系统(210’ )位于芯片(10)上，并且 -比较器(246')位于芯片(10)之外的位置(300)。
全文摘要
本发明涉及用于测量集成电路中的功耗的方法和系统。提供了一种用于确定集成电路(10)内的功率域(12)的功耗的方法(100)。在第一步骤(110)中，确定这个功率域(12)的局部电源阻抗剖面(Z(f))。随后，在功率域(12)中执行良定义的周期性活动(50)的同时测量局部时间分辨电源电压(U(t))(步骤120)。因此累积一组时域测量的电压数据(U(t))并把其变换到频域以产生电压谱(U(f))(步骤130)。通过使用这个功率域(12)的电源阻抗剖面(Z(f))，按照I(t)＝Ff-1{U(f)/Z(f)}从该电压剖面(U(f))计算电流谱I(t)(步骤140)。最后，从测量的电压谱(U(t))和计算的电流谱(I(t))确定时间分辨功耗谱P(t)(步骤150)。可以把该功耗(P(t))与基准(Pref(t))进行比较(步骤160)以验证功率域(12)内的功耗是否符合预期。
文档编号G01R21/06GK102478603SQ20111025918
公开日2012年5月30日 申请日期2011年9月5日 优先权日2010年11月19日
发明者C·赛维尔罗, J·萨珀, M·埃科特, O·A·托雷特, R·弗莱驰, T-M·温克尔 申请人:国际商业机器公司