融合温度分布的电路时序长期可靠性分析系统及方法

本发明涉及电路时序长期可靠性分析的技术领域，尤其涉及一种融合温度分布的电路时序长期可靠性分析系统及方法。

背景技术：

现有电路长期可靠性仿真技术如图1所示，首先对新电路进行瞬态仿真，对电路中的器件应力和仿真次数初始化；然后通过预定次数的瞬态仿真实现可靠性(老化)仿真。在每一次迭代过程中，首先计算前次电路仿真中每一器件在仿真过程中(即工作过程中)的压力累积，然后根据前次仿真的压力累积更新器件的历史压力总和。进一步根据器件的历史压力总和更新参数阈值电压和迁移率，并将更新的参数应用于本次电路瞬态仿真。

瞬态仿真过程比较耗时，同时数字电路规模较大，特别是数字片上系统(soc)，以瞬态仿真为基础的电路长期可靠性仿真很难适用于大规模数字电路或数字soc或混合信号soc。

此外，现有技术未考虑温度分布对电路长期可靠性的影响，尤其是电路在较高温度的环境下工作，或芯片各部分功耗差别较大导致芯片上温度分布差别较大的情况下，不考虑温度对电路长期可靠性的影响或采用统一温度考虑电路长期可靠性的影响均是不准确的，会在设计阶段遗漏可能存在的可靠性问题。

现有的电路时序分析是检查电路设计中时序问题的有效途径，可以比通过电路瞬态仿真和逻辑仿真速度更快地发现设计中存在的时序问题。现有的时序分析采用的电路单元特征化数据是固定的，不随电路工作时间而变化，未能考虑在电路设计寿命中器件老化(器件阈值电压变化和器件中载流子迁移速率降低)所导致的性能衰退对电路时序的影响。对于设计寿命较短的集成电路，这种近似的时序分析方法是可以接受的，因为在较短的工作期内，电路单元的特征化数据变化很小，可以忽略。对于设计寿命很长的集成电路，器件阈值电压的变化和器件载流子迁移率的变化比较明显，在时序分析中需要考虑器件阈值电压的变化和器件载流子迁移率的变化对时序正确性的影响，依靠传统的电路时序分析的结果与实际工作所表现的时序相比存在很大的差别，甚至是错误的。另外，在现有的时序分析技术中，整个集成电路芯片的各部分均采用同一温度进行时序分析，而实际情况是电路中各部分的温度是不一样的，在电路长期工作过程中温度对于器件的老化有比较明显的影响，因此在电路设计寿命期内，各处器件的老化程度也是不一样的。为了比较全面发现电路设计的可靠性问题，需要在电路设计寿命期内进行时序分析，且时序分析需要考虑温度对各器件老化的影响。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种融合温度分布的电路时序长期可靠性分析系统及方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种融合温度分布的电路时序长期可靠性分析系统，包括：

电路逻辑仿真模块，根据初始阈值电压和初始仿真温度，或者电路分析条件刷新模块刷新后的当前各晶体管的阈值电压和当前工作温度，对电路进行逻辑仿真，并将逻辑仿真结果传输给温度分布估算模块和晶体管阈值电压计算模块；

元器件位置信息获取模块，用于获取电路的元器件位置信息，并将所述元器件位置信息传输给温度分布估算模块；

温度分布估算模块，根据电路逻辑仿真模块得到的电路逻辑仿真结果结合电路的元器件位置信息估算电路的温度分布，并将其传输给电路时序分析模块、电路分析条件刷新模块和晶体管阈值电压计算模块；

晶体管阈值电压计算模块，根据电路逻辑仿真模块得到的电路的逻辑仿真结果结合电路的温度分布计算各晶体管新的阈值电压，并将其传输给电路时序分析模块和电路分析条件刷新模块；

电路时序分析模块，根据晶体管阈值电压计算模块得到的当前各晶体管的阈值电压和温度分布估算模块得到的当前工作温度对电路进行时序分析，并将时序分析结果传输给循环控制模块；

电路分析条件刷新模块，根据温度分布估算模块得到的工作温度和晶体管阈值电压计算模块得到的晶体管阈值电压刷新各晶体管的阈值电压和工作温度；

循环控制模块，用于重复执行上述过程，直至达到预定的分析次数。

其中，所述元器件位置信息获取模块从电路的物理版图数据中获取电路的元器件位置信息，或基于物理虚拟原型技术估算出电路中元器件的位置信息。

其中，所述温度分布估算模块包括：

功耗估算子模块，根据电路逻辑仿真结果计算电路中各元器件和连线的功耗；

热源设置子模块，以电路中各元器件和连线的平均功耗和元器件位置信息在芯片内设置热源；

热分析子模块，对芯片进行三维热分析，获得热分布数据；

元器件温度获取子模块，根据三维热分析获得的热分布数据和元器件的位置获取各元器件所在位置处的温度。

其中，所述电路长期可靠性时序分析系统还包括：

电路温度分布预测模块，根据逻辑仿真模块的若干逻辑仿真和电路温度分布估算模块对各次仿真所对应的电路温度分布估算所得电路温度分布进行模型拟合，以此模型直接计算未来若干次逻辑仿真后电路温度分布；

晶体管阈值电压预测模块，根据逻辑仿真模块的若干逻辑仿真和晶体管阈值电压计算模块对各次仿真所对应的晶体管阈值电压计算所得晶体管的阈值电压值进行模型拟合，以此模型直接计算未来若干次逻辑仿真后晶体管的阈值电压值。

实际仿真和模型预测选通控制模块，控制选通逻辑仿真模块、电路温度分布估算模块、晶体管阈值电压计算模块，还是选通电路温度分布预测模块、晶体管阈值电压预测模块。

作为优选，所述实际仿真和模型预测选通控制模块包括：

第一计数器子模块，对连续选通逻辑仿真模块、电路温度分布估算模块、晶体管阈值电压计算模块的次数进行计数；

第二计数器子模块，对连续选通电路温度分布预测模块、晶体管阈值电压预测模块替代逻辑仿真模块、电路温度分布估算模块、晶体管阈值电压计算模块的次数进行计数；

第一计数比较子模块，比较第一计数器的计数值和第一指定次数，在第一计数器的计数值等于第一指定次数时，选通电路温度分布预测模块、晶体管阈值电压预测模块；

第二计数比较子模块，比较第二计数器的计数值和第二指定次数，在第二计数器的计数值等于第二指定次数时，对第二计数器复位，并选通逻辑仿真模块、电路温度分布估算模块、晶体管阈值电压计算模块。

作为本发明的另一方面，提供了融合温度分布的电路时序长期可靠性分析方法，包括以下步骤：

设置各器件的初始工作温度；

根据当前各晶体管的阈值电压和工作温度对电路进行逻辑仿真；

根据电路逻辑仿真结果结合电路的元器件位置信息估算电路的温度分布；

根据电路的逻辑仿真结果结合电路的温度分布计算各晶体管新的阈值电压；

刷新各晶体管的阈值电压和工作温度；

确定电路时序分析中各器件所对应的阈值电压和工作温度；

根据所确定的各晶体管的阈值电压和工作温度对电路进行时序分析；

重复上述过程，直至达到预定的分析次数或发现电路时序长期可靠性问题；

作为优选，所述电路的元器件位置信息能够从电路的物理版图数据中获取，或基于物理虚拟原型技术估算出电路中元器件的位置信息。

其中，所述根据电路逻辑仿真结果结合电路的元器件位置信息估算电路的温度分布，包括以下子步骤：

根据电路逻辑仿真结果计算电路中各元器件和连线的功耗；

以电路中各元器件和连线的平均功耗和元器件位置信息在芯片内设置热源；

对芯片进行三维热分析，获得热分布数据；

根据三维热分析获得的热分布数据和元器件的位置信息获取各元器件所在位置处的温度。

其中，所述根据电路的逻辑仿真结果结合电路的温度分布计算各晶体管新的阈值电压的步骤中，包括以下子步骤：

根据电路的逻辑仿真结果计算电路中各器件的有效受压时间；

根据器件的有效受压时间计算器件的阈值电压因栅偏置温度不稳定性(bti)效应的漂移量；

根据器件所在位置的温度和仿真时间长度计算阈值电压因热载流子注入(hci)效应的漂移量；

根据阈值电压因bti效应的漂移量和因hci效应的漂移量计算总的漂移量，从而得到新的阈值电压。

其中，所述确定电路时序分析中各器件所对应的阈值电压和工作温度的步骤中：

设置各器件所对应的阈值电压和工作温度为本次时序分析各器件所对应的初始阈值电压和工作温度，或

设置各器件所对应的阈值电压和工作温度为本次时序分析前逻辑仿真之后所确定的各器件的阈值电压和工作温度，或

设置各器件所对应的阈值电压和工作温度为根据本次时序分析前逻辑仿真之前所确定的各器件的阈值电压和工作温度与本次时序分析前逻辑仿真之后所确定的各器件的阈值电压和工作温度所确定的中间值。

其中，所述根据所确定的各晶体管阈值电压和工作温度对电路进行时序分析为根据电路单元实体中各晶体管阈值电压和工作温度获得对应的特征化数据用于时序分析。

其中，所述电路长期可靠性时序分析方法还包括以下步骤：

进行电路温度分布预测，根据若干逻辑仿真和各次仿真所对应的电路温度分布估算所得电路温度分布进行模型拟合，以此模型直接计算未来若干次逻辑仿真后电路温度分布；

进行晶体管阈值电压预测，根据若干逻辑仿真和各次仿真所对应的晶体管阈值电压计算所得晶体管的阈值电压值进行模型拟合，以此模型直接计算未来若干次逻辑仿真后晶体管阈值电压值；

作为优选，所述逻辑仿真、电路温度分布估算、晶体管阈值电压计算与电路温度分布预测、晶体管阈值电压预测能够交替进行受控于实际仿真和模型预测选通机制，所述机制包括以下步骤：

初始第一指定次数的电路长期可靠性分析采用逻辑仿真、电路温度分布估算、晶体管阈值电压计算；

在初始第一指定次数之后采用逻辑仿真、电路温度分布估算、晶体管阈值电压计算与电路温度分布预测、晶体管阈值电压预测能够交替进；

连续采用电路温度分布预测、晶体管阈值电压预测的次数不超过第二指定次数。

基于上述技术方案可知，本发明的融合温度分布的电路时序长期可靠性分析系统及方法相对于现有技术至少具有如下有益效果的一部分：

(1)本发明通过融合温度分布的电路时序长期可靠性分析系统及方法通过在电路设计寿命期内进行时序分析，从而实现了比较全面发现电路设计的可靠性问题，同时考虑了温度对各器件老化的影响。

(2)本发明通过进行电路温度分布预测和晶体管阈值电压的预测来减少逻辑仿真次数和对应的温度分布估算与晶体管阈值电压值估算以及电路时序分析次数，从而加快电路时序长期可靠性分析速度。

(3)本发明通过逻辑仿真、电路温度分布估算、晶体管阈值电压计算与所述电路温度分布预测、晶体管阈值电压预测的交替进行，可以实现提高速度的同时又确保长期时序可靠性分析的精度。

附图说明

图1是现有技术中的电路长期可靠性仿真技术的流程示意图；

图2是本发明融合温度分布的电路时序长期可靠性分析系统的各模块示意图；

图3是本发明融合温度分布的电路时序长期可靠性分析方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图2所示，一种融合温度分布的电路长期可靠性时序分析系统，包括：

电路逻辑仿真模块，根据晶体管阈值电压计算模块得到的当前各晶体管的阈值电压和温度分布估算模块得到的当前工作温度对电路进行逻辑仿真；

电路时序分析模块，根据晶体管阈值电压计算模块得到的当前各晶体管的阈值电压和温度分布估算模块得到的当前工作温度对电路进行时序分析；

元器件位置信息获取模块，用于获取电路的元器件位置信息；

温度分布估算模块，根据电路逻辑仿真模块得到的电路逻辑仿真结果结合电路的元器件位置信息估算电路的温度分布；

晶体管阈值电压计算模块，根据电路逻辑仿真模块得到的电路的逻辑仿真结果结合电路的温度分布计算各晶体管新的阈值电压；

电路分析条件刷新模块，根据温度分布估算模块得到的工作温度和晶体管阈值电压计算模块得到的晶体管阈值电压刷新各晶体管的阈值电压和工作温度；

循环控制模块，用于重复上述过程，直至达到预定的分析次数。

在上述的电路长期可靠性时序分析系统中，所述元器件位置信息获取模块从电路的物理版图数据中获取电路的元器件位置信息，或基于物理虚拟原型技术估算出电路中元器件的位置信息。

其中，所述温度分布估算模块包括：

功耗估算子模块，根据电路逻辑仿真结果计算电路中各元器件和连线的功耗；

热源设置子模块，以电路中各元器件和连线的平均功耗和元器件位置信息在芯片内设置热源；

热分析子模块，对芯片进行三维热分析，获得稳定的热分布数据；

元器件温度获取子模块，根据三维热分析获得的稳定的热分布数据和元器件的位置获取各元器件所在位置处的温度。

其中，所述电路长期可靠性时序分析系统还包括：

电路温度分布预测模块，根据逻辑仿真模块的若干逻辑仿真和电路温度分布估算模块对各次仿真所对应的电路温度分布估算所得电路温度分布进行模型拟合，以此模型直接计算未来若干次逻辑仿真后电路温度分布；

晶体管阈值电压预测模块，根据逻辑仿真模块的若干逻辑仿真和晶体管阈值电压计算模块对各次仿真所对应的晶体管阈值电压计算所得晶体管的阈值电压值进行模型拟合，以此模型直接计算未来若干次逻辑仿真后晶体管的阈值电压值。

实际仿真和模型预测模块，控制选通逻辑仿真模块、电路温度分布估算模块、晶体管阈值电压计算模块，还是选通电路温度分布预测模块、晶体管阈值电压预测模块。

所述实际仿真和模型预测选通控制模块包括：

第一计数器子模块，对连续选通逻辑仿真模块、电路温度分布估算模块、晶体管阈值电压计算模块的次数进行计数；

第二计数器子模块，对连续选通电路温度分布预测模块、晶体管阈值电压预测模块替代逻辑仿真模块、电路温度分布估算模块、晶体管阈值电压计算模块的次数进行计数；

第一计数比较子模块，比较第一计数器的计数值和第一指定次数，在第一计数器的计数值等于第一指定次数时，选通电路温度分布预测模块、晶体管阈值电压预测模块；

第二计数比较子模块，比较第二计数器的计数值和第二指定次数，在第二计数器的计数值等于第二指定次数时，对第二计数器复位，并选通逻辑仿真模块、电路温度分布估算模块、晶体管阈值电压计算模块。

如图3所示，本实施例还公开了一种采用如上所述的电路长期可靠性时序分析系统进行的电路长期可靠性时序分析方法，包括以下步骤：

设置各器件的初始工作温度；

根据当前各晶体管的阈值电压和工作温度对电路进行逻辑仿真；

根据电路逻辑仿真结果结合电路的元器件位置信息估算电路的温度分布；

根据电路的逻辑仿真结果结合电路的温度分布计算各晶体管新的阈值电压；

刷新各晶体管的阈值电压和工作温度；

确定电路时序分析中各器件所对应的阈值电压和工作温度；

根据所确定的各晶体管的阈值电压和工作温度对电路进行时序分析；

重复上述过程，直至达到预定的分析次数或发现电路时序长期可靠性问题；

其中，所述电路的元器件位置信息能够从电路的物理版图数据中获取，或基于物理虚拟原型技术估算出电路中元器件的位置信息。

在上述的电路长期可靠性时序分析方法中，所述根据电路逻辑仿真结果结合电路的元器件位置信息估算电路的温度分布，包括以下子步骤：

根据电路逻辑仿真结果计算电路中各元器件和连线的功耗；

以电路中各元器件和连线的平均功耗和元器件位置信息在芯片内设置热源；

对芯片进行三维热分析，获得稳定的热分布数据；

根据三维热分析获得的稳定的热分布数据和元器件的位置信息获取各元器件所在位置处的温度。

其中，所述根据电路的逻辑仿真结果结合电路的温度分布计算各晶体管新的阈值电压的步骤中，包括以下子步骤：

根据电路的逻辑仿真结果计算电路中各器件的有效受压时间；

根据器件的有效受压时间计算器件的阈值电压因bti效应的漂移量；

根据器件所在位置的温度和仿真时间长度计算阈值电压因hci效应的漂移量；

根据阈值电压因bti效应的漂移量和因hci效应的漂移量计算总的漂移量，从而得到新的阈值电压。

其中，所述确定电路时序分析中各器件所对应的阈值电压和工作温度的步骤中：

设置各器件所对应的阈值电压和工作温度为本次时序分析各器件所对应的初始阈值电压和工作温度，或

设置各器件所对应的阈值电压和工作温度为本次时序分析前逻辑仿真之后所确定的各器件的阈值电压和工作温度，或；

设置各器件所对应的阈值电压和工作温度为根据本次时序分析前逻辑仿真之后所确定的各器件的阈值电压和工作温度与本次时序分析前逻辑仿真之后所确定的各器件的阈值电压和工作温度所确定的中间值。

在本实施例中，所述根据所确定的各晶体管阈值电压和工作温度对电路进行时序分析为根据电路单元实体中各晶体管阈值电压和工作温度获得对应的特征化数据用于时序分析。

上述电路长期可靠性时序分析方法还包括以下步骤：

进行电路温度分布预测，根据若干逻辑仿真和各次仿真所对应的电路温度分布估算所得电路温度分布进行模型拟合，以此模型直接计算未来若干次逻辑仿真后电路温度分布；

进行晶体管阈值电压预测，根据若干逻辑仿真和各次仿真所对应的晶体管阈值电压计算所得晶体管的阈值电压值进行模型拟合，以此模型直接计算未来若干次逻辑仿真后晶体管阈值电压值；

以此减少逻辑仿真次数和对应的温度分布估算与晶体管阈值电压值估算以及电路时序分析次数，从而加快电路时序长期可靠性分析速度。

所述逻辑仿真、电路温度分布估算、晶体管阈值电压计算与电路温度分布预测、晶体管阈值电压预测可以交替进行，以在提高速度的同时又确保长期时序可靠性分析的精度。

所述逻辑仿真、电路温度分布估算、晶体管阈值电压计算与电路温度分布预测、晶体管阈值电压预测能够交替进行受控于实际仿真和模型预测选通机制：

初始第一指定次数的电路长期可靠性分析采用逻辑仿真、电路温度分布估算、晶体管阈值电压计算；

在初始第一指定次数之后采用逻辑仿真、电路温度分布估算、晶体管阈值电压计算与电路温度分布预测、晶体管阈值电压预测能够交替进；

连续采用电路温度分布预测、晶体管阈值电压预测的次数不超过第二指定次数。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。