[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

集成电路(integrated circuit)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IEEE International Test Conference(国际测试会议)发表了“Separating temperature effects from ring-oscillator rdadings to measure true ir-drop on a chip(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IEEE Journal of Solid-State Circuits(固态电路学报)上发表了“A built-in technique for probing power-supply noise distribution within large-scale digital integrated circuits(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-Hsiang Hsu等于2013年在International Symposium on VLSI Design,Automation and Test(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-case IR-drop monitoring with 1GHz sampling rate(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。

发明内容