一种适用于高速集成电路的片上纳秒级电源噪声瞬态波形测量系统及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种测量电源噪声的系统，更确切的说，是设及一种适用于高速集成 电路的片上纳秒级电源噪声瞬态波形测量系统及其测量方法。属于微型电子器件技术领 域。
【背景技术】
[0002] 集成电路（integratedcircuit)是一种微型电子器件或部件。它是经过氧化、光 亥IJ、扩散、外延、蒸侣等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的半导体、电阻、 电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块娃片上，然后焊接封装在一个管壳内 的电子器件;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。集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少， 寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。集成电路按其功能、结构 的不同，可W分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路Ξ大类。
[0003] 随着娃技术的快速发展，先进的互补金属氧化物半导体(CMOS)元件的栅极长度将 小于40纳米，同时系统的最高工作频率将达到千兆赫兹(GHz)。运将导致在一个单独的忍片 上集成数W亿计的口电路，使得在忍片工作时大量的口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，并且同步翻转的活动更加密集频繁。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Z4^)两种较为严重的 at 电源噪声。
[0004] 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。
[000引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10%~20%，随着电源 电压峰值的降低，电路中对电压敏感的数字模块的最大工作频率也会W同样的比例下降。 运会造成口电路单元工作速度降低，影响敏感电路的工作及性能。尤其在一些集成电路忍 片中，为了达到更快的工作速度，忍片中采用阔值较低的P沟道和N沟道的金属氧化物半导 体场效应晶体管(PM0S/醒0S)，例如在某些忍片中使用的低阔值电路单元，其阔值电压可W 低至参考电压的10%~15%，如果电源噪声发生在运些单元之中，将极大的增加电路出错 的概率。过大的电源噪声还会导致集成电路无法正常工作，如时序素乱，非正常下重启，存 储器跳变等。
[0006]因此，为了防止集成电路失效，需要实时并准确测量出电源噪声的瞬态波形。然 而，由于集成电路忍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 忍片中每个部分可能发生的电源噪声的瞬态波形。换句话说，在集成电路的设计阶段，不可 能准确预测出片上电源噪声的瞬态波形，运就需要对忍片上的电源噪声进行实际的测量。 通常使用的方法可W分为片外测量和片上测量两种。片外测量主要使用一些如示波器和片 上自测试设备(ATE)等，不需要对忍片的布局进行修改，但是其局限性也比较大，主要体现 在：
[0007] (a)难W在忍片实际工作时进行实时测量；
[0008] (b)由于测量深度的局限性，难W对忍片内部距离电源网络较远的区域进行测量；
[0009] (C)在千兆赫兹的工作频率下，由于探头和传输线的寄生参数的影响，难W保证测 量结果的准确性。
[0010] 基于上述原因，此外，随着单位面积娃成本的降低，可W选择片上测量系统来实时 监测忍片上电源噪声的瞬态波形。片上测量系统的优点就在于：寄生参数小，分辨率高，可 W在忍片实际工作时实时监测忍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。
[00川经过对现有的技术文献进行检索发现，2009年R.Petersen等人在IEEE InternationalTestConference(国际测试会议）上发表了"Voltagetransient detectionandinductionfordebugandtest(应用于调试和测试过程中的瞬时电压检 测和感应技术)"，提出了在一种使用模数(AD)及数模(DA)转换来获取电源瞬时噪声的方 法。通过对电源电压采样，并转换成一系列的数字签名。同时电源噪声瞬态波形可通过获得 的数字签名由数模(DA)恢复。通常其采样频率应当为系统时钟频率的若干倍，在千兆赫兹 (GHz)的情况下，运将会很难实现，同时也会造成较大的功耗。Y.Wang等人于2014年在IE邸 ComputerSocietyAnnualSymposium(计算机协会年会）发表了"Acompactcmosring oscillatorwithtemperatureandsupplycompensationforsensorapplication(在 传感器应用方面一个紧凑简洁的具有溫度和电源补偿作用的cmos环形振荡器r，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，但是运一方法只能给出一段时间内 的平均电源噪声，并未设及电源噪声的峰值和宽度。M.Fukazawa等人于2005年在IEEE AsianSolid-Sl:ateCircuitsConference(亚洲固态电路大会）上发表了''Measurements ofdigitalsignaldelayvariationduetodynamicpowersupplynoise(对于由动 态电源噪声引起的数字信号延时变化的测量)"，将电源噪声通过延时到数字转换(delay-to-digital)的方法，获得数字签名，从而在一段时间内测得电源噪声的峰值。但运种方法 无法在一个系统时钟周期内获得电源噪声的瞬态波形。
[0012] 虽然上述文献采用了片上测量系统，但对电源噪声的瞬态波形的测量精度较低， 运行时功耗较大，测量速率慢。
【发明内容】
[0013] 1)本发明设计了一种适用于高速集成电路的片上纳秒级电源噪声瞬态波形测量 系统，该测量系统能够实时监测集成电路忍片在工作时受到的电源噪声的峰值和宽度，并 在一个系统时钟周期内准确快速地恢复出电源噪声瞬态波形。此外，该测量系统可接至不 同类型的动态电压频率调节系统(DVFS)，通过本电源噪声瞬态波形测量系统与动态调节系 统的配合，实时调节片上容易受到电源噪声影响的单元。能够避免集成电路忍片因受到较 大的电源噪声引发片上功耗异常，进而使得片上某些单元功能失效或者发生错误。
[0014]本发明的一种适用于高速集成电路的片上纳秒级电源噪声瞬态波形测量系统，所 述集成电路忍片中有N个区域(region) 口电路翻转频繁，且集成电路忍片上的电源网络为 上述的N个区域供电，因此易出现较大的电源噪声；
[001引其特征在于：
[0016]电源噪声瞬态波形测量系统由控制寄存器、判断逻辑模块和电源噪声瞬态波形测 量模块组成。其中，在上述集成电路忍片上的N个区域放置N个电源噪声瞬态波形测量模块， 运N个电源噪声瞬态波形测量模块共用一个控制寄存器和判断逻辑模块。
[0017]所述控制寄存器，在测量开始前，一些基本的配置参数通过串行或并行的方式写 入控制寄存器中。运些配置参数包括测量开始时间、噪声边缘检测器参数、快速环形振荡器 中反相器个数W及调节阔值。在测量开始后，运些配置参数将传递到判断逻辑模块和电源 噪声瞬态波形测量模块中。
[0018]所述判断逻辑模块，一方面是用来通过比较差分模块的输出数值与在控制寄存器 中写入的电压调节阔值，判断是否开启调节模式，一旦小于调节阔值，将输出高电平并进行 调节;另一方面，还用来完成电源噪声瞬态波形测量模块中边缘检测器的校准工作。
[0019]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瞬态波形测量模块 (2A)；
[0020] 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瞬态波形测量模块 (2B)；
[0021] 针对N区域设置的电源噪声峰值测量模块记为第N个电源噪声瞬态波形测量模块 (2N)；
[0022] 所述的电源噪声瞬态波形测量模块(2A、2B、……和2N)的结构是相同的；即：
[0023]所述电源噪声瞬态波形测量模块由快速环形振荡器（20D)、噪声边缘检测器 (20E)、纹波计数器(20A)、差分模块(20B)和定时模块(20C)构成；
[0024]该噪声边缘检测器(20E)，通过2~3个缓冲器将整个测量时间窗分成多个采样间 隔，并在每个采样间隔内显示出二进制逻辑0或1，可检测到电源噪声的下降沿和上升沿的 出现时间，从而可实时获得电源噪声的宽度。在获得的二进制数字串中，逻辑1意味着此采 样间隔内电源噪声一直存在，逻辑0意味着此采样间隔内没有电源噪声；
[0025]该快速环形振荡器(20D)，其振荡频率对电源电压值十分敏感，因此可用来检测一 段时间内电源噪声的平均水平。为了减小频率测量的误差，环形振荡器的振荡频率越高越 好。该环形振荡器的振荡时间由定时器给出的测量时间窗长度决定；
[0026]该纹波计数器(20A)，由N个触发器和N个反相器组成，配合快速振荡器一切使用， 用来计出在一段时间内，快速环形振荡器的振荡个数。同时，整个测量时间窗又被分成几个 调节时间窗，每经过一个调节时间窗，纹波计数器的计数值被传递到差分模块的寄存器中；
[0027]该差分模块(20B)，连接在纹波计数器(20A)和判断逻辑模块之间，用来比较在一 个调节时间窗内，振荡个数与调节阔值的大小关系。该模块是一个二阶差分模块，由寄存 器、减法器