CN100347552C - 集成电路芯片瞬态电流测量方法及其系统 - Google Patents

Abstract

集成电路芯片瞬态电流测量方法及其系统属于集成电路测试领域，其特征在于，它含有：根据激励约束产生激励图形；激励图形分组及建立分组索引；瞬态电流波形的提取；对采集到的瞬态电流进行数据处理并形成数据文件；对数据文件按需进行实验分析等步骤。本发明基于普通集成电路测试设备和高速混合信号数字采样示波器等普通设备，扩展了普通集成电路测试设备的功能，同时，建立了一套从激励图形生成到测量、处理数据的完整流程，提高了工作效率。

Description

集成电路芯片瞬态电流测量方法及其系统

技术领域

本发明属于集成电路测试领域。

背景技术

随着集成电路复杂性的提高和相关领域的应用需求，集成电路芯片实时功耗测量在芯片设计和制造过程中的重要性正在逐步提升，仅仅进行平均功耗、静态功耗的测量已经不能完全满足新的需要。集成电路芯片工作的实时功率信息为芯片低功耗设计、密码集成电路芯片安全度评估、失效分析提供了有价值的参考依据。高速高精度的功耗采集数据可以准确地反应集成电路芯片工作的实时功率消耗情况，为有效地降低芯片功耗，检测芯片保密程度提供直接的分析凭据。

目前的集成电路测试系统一般都不具备瞬时电流的测试功能。少数具有瞬时电流测量能力的测试设备则价格昂贵。

一般的芯片电流测量的激励产生、数据采集与数据处理是分开的独立步骤，软硬件间和不同工具软件间的数据交换需要较多的人工工作。缺少一个集成的系统来提高效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成电路芯片瞬时电流测量方法及其系统。

√本发明所述的测量方法的特征在于：它依次含有以下步骤：

第1步：

计算机根据用户提供的特定约束即激励约束产生相应的激励图形，所述激励图形是指集成电路工作时在各个时钟周期的激励向量组成的一个序列，所述激励向量是指集成电路所有输入引脚的用二进制表示的值组成的一组数，所述的特定约束是指用户输入的二进制表示的激励图形中特定激励向量特定位的取值；

第2步：

计算机为每个激励图形分配一个唯一的索引作为标识，同时根据上述约束把满足其一约束的所有图形分配到一组中，并为各组分配相应的分组索引；

第3步：

瞬态电流波形的采集，它包含以下步骤：

第3.1步：计算机把激励图形以文本形式输入到集成电路自动测试设备中；

第3.2步：上述集成电路自动测试设备根据输入的激励图形文件以循环工作的模式反复产生相应的激励信号来驱动被测集成电路芯片工作，但一个循环周期的长度要小于下述示波器的最大采集时间长度；

第3.3步：被设置为“实时采集模式”的示波器采集串接在被测集成电路芯片的内核电源端与上述集成电路自动测试设备提供的芯片电源之间的电阻上的电压，再除以该电阻阻值以得到被测集成电路芯片瞬态电流波形，同时不仅要选择合适的波形予以保存，还要保存相应的触发信号的波形，所述的触发信号是被测试集成电路芯片的合适的输入信号或者是上述芯片自身产生的合适的输出信号；

第4步：

计算机对从上述示波器中采集到的瞬态电流波形和触发信号波形进行数据处理，它含有以下步骤：

第4.1步：瞬态电流波形的提取

第4.1.1步：

计算机根据激励图形和触发信号波形产生一个波形信息文件即INF文件，它包括一系列激励图形索引和各图形对应的触发信号变化的时刻、需要分析的上述波形的时间长度；

第4.1.2步：

计算机把产生的上述INF文件输入到一个命名为功耗波形分析器的软件工具包的数据预处理模块；

第4.1.3步：

所述数据预处理模块按照上述波形信息文件把需要分析的波形截取为若干独立的波形，并用根据激励图形索引扩展的索引对波形命名形成波形文件，然后再把对应同一激励图形索引的波形文件合并成一组；

第4.2步：

所述数据预处理模块计算各个激励图形对应的波形分组的平均波形，以此作为每个激励图形对应的瞬态电流曲线，并以激励图形索引命名；

第4.3步：

根据步骤2中产生的激励图形分组文件建立相应的波形分组文件，分组后的波形以CSV格式输出，称为数据文件用DTF表示；

第5步：

根据需要对上述数据文件作实验分析。

根据权利要求1所述的集成电路芯片瞬态电流测量方法其特征在于：第2步中所述的激励图形的分组文件是由用户直接输入的。

根据权利要求1所述的集成电路芯片瞬态电流测量方法，其特征在于：所述数据预处理模块的输入为：

功率数据文件，它记录每个时刻的功率值；

波形信息文件，它记录功率变化情况的时间范围及其特征说明字段以及对应波形文件采样时刻的间隔，所述的特征说明字段为对应激励图形的索引字段；

分组文件：它给出了各个功率波形的分组，描述了每个索引值对应的分组索引；所述数据预处理模块的输出是上述数据文件，它给出了一个分组中已按时序对齐的所有波形的数据。

√本发明所述的测量系统的特征在于：它含有：

计算机，它的输入端接收激励约束，产生激励图形；

集成电路自动测试设备，它的输入端与上述计算机的激励图形文本输出端相连；它的输出端与被测试的集成电路的输入端相连；

被设置为“实时采集模式”的示波器，它的输入端与串接在被测试集成电路芯片的内核电源端与上述集成电路自动测试设备的芯片电源输出端之间的电阻两端并联，所述示波器的瞬态电流波形和触发信号波形的输出端与上述计算机相应输入端相连；所述示波器的另一个输入端与被测试集成电路芯片的触发信号波形输出端相连。

实验证明，本发明具有以下优点：

1.基于普通集成电路测试设备和高速混合信号数字采样示波器等普通设备扩展了普通集成电路测试设备的功能；

2.建立了一套从激励图形生成到测量数据处理的完整流程，并集成于一个软件工具包，减少了操作人员的工作量；

本系统适用于具有明显工作状态标志信号或启动信号，以数据处理为主——特别是密码芯片这样的数据流处理电路的芯片瞬态电流测量，本系统是为了进行密码集成电路芯片的功耗分析攻击所设计的，对于一般用途的功率采集也有一定通用性。

附图说明

图1瞬态功耗测量与分析流程图

图2测量电路原理图

图3模版文件格式示例

图4分组文件(DVF)示例

图5数据预处理流程图

图6功耗差分统计流程

图7示波器采样结果

图8加法器工作电流曲线测量结果(图中采样纵坐标为电压值，电流值需除以采样电阻阻值20ohms)

图9集成电路瞬态电流测量系统原理框图

具体实施方式

图1是整个测量分析方法的流程图。整个流程图的步骤如下：

1.产生激励图形。同时生成激励向量索引文件；

2.测试设备调试；

3.信号测量并采集数据；

4.数据处理

a)波形提取，建立波形数据文件；

b)计算各激励向量对应的电流波形；

c)数据分组。

5.实验数据分析

我们将上述测量-分析方法的数据产生、处理部分功能集成于一个工具包软件，命名为“PTA(Power Traces Analyzer)”。下面分别介绍各步骤的实现方法：

一.激励图形生成与激励向量索引

先说明两个概念：

激励向量：集成电路所有输入引脚的值(0或1)组成的一组数称作一个激励向量。

激励图形：集成电路工作时在各个时钟周期(称作一拍)的激励向量组成一个序列称作激励图形。激励图形可以以文本文件的形式提供给集成电路测试设备。集成电路测试设备会根据激励图形文件产生相应的激励信号来驱动芯片工作。

用户往往是为了达到某种特定的试验目的进行测量，因此需要芯片在某些特定的工作条件下执行一系列特定的任务。所以，激励图形的产生要具有针对性。本方法的第一步就是根据用户提供的特定约束产生相应的激励图形。为了保证良好的统计特性，PTA具有产生某种约束的若干组随机激励图形的功能。

具体的约束形式因测量目的而异，在我们的应用系统中，约束的是输入数据的某些特定位的取值。

PTA在产生激励图形的同时为每个激励图形分配了一个唯一的索引作为标识。同时根据约束再将生成的激励图形重新分组，即满足某一约束的所有激励图形归为一组，并为各组分配相应的分组索引。并输出相应的分组文件。之所以进行重新分组，是因为有时用户提出的几种激励要求之间不是互斥的，可能存在同时满足多种约束的激励图形，为了达到充分利用测量结果的目的，要将满足某个约束的所有激励图形都纳入统计范围，因此要在产生了激励图形后进行重新分组，使某些激励图形与相关的所有约束都建立关联。

二.测试设备的设置与调试

本步的任务是将测量电路和实验设备连接好；将激励图形导入测试设备，配置测试仪和示波器。

1)测量电路

测量方案采用常用的电阻采样方法，通过测量串联在电源与芯片间的电阻电压差的方法得到电流。图2是测量电路示意图，图中Um即为示波器的测量端口。其中电容C用于抑制电流的震荡。电阻R的阻值和电容C的值根据被测芯片通过实验选择。既要保证信号强度足够又要减小对芯片供电电压的影响。

其中的电源由测试仪提供，或采用外接电源。

2)测试设备配置

测试设备用于向芯片提供电源和输入激励。第2步要根据测试需要将电源电压和输入信号的电平和时序约束设好。考虑采样电阻引起的电源压降，为了避免输入保护二极管导通，引入噪声电流应将输入电平适当降低。

配置好后用测试设备运行测试程序验证导入的激励图形和设备配置正确，芯片能够正常工作。

3)示波器配置

示波器设置为“实时采集模式”，不做波形平均。选择合适的芯片输入信号或芯片自身产生的输出信号接到示波器的数字通道作为采样触发信号。例如，如果芯片有工作启动信号，就可以用启动信号作为触发信号。

三.信号测量与数据采集

设备调试好后，将测试设备设置为循环工作模式，反复施加相同的激励序列。为了保证采集到的波形能够被识别，可以将多个激励图形接在一起组成一个大的激励图形一起运行，但是一个循环周期的长度不能超出示波器的最大采集时间长度。

测试设备开始工作后，示波器开始数据采集，选择合适的波形保存到示波器上。不但要保存Um的波形还要保存触发信号的波形。

四.数据处理

从采集到的波形中截取出各个激励图形(或激励向量)对应的部分。进行预处理后与激励图形或向量建立对应关系，形成数据文件，作为分析的样本。本部分由PTA实现。

1)波形提取

即根据触发信号波形，把采集到的连续波形截取为一段一段，并按照激励图形的时序将这些波形与各自的激励图形建立对应关系。图5是波形提取的程序流程图。

具体步骤是首先根据激励图形和触发信号波形产生一个波形信息文件(INF文件)，用户也可根据需要自己编辑INF文件。INF文件包括一系列激励图形索引和各图形对应的触发信号变化的时刻、需要分析的上述波形的时间长度以及对应电流波形采样时刻的间隔。产生的INF文件输入PTA的数据预处理模块，PTA按照INF的信息将波形截取为若干独立的波形，并根据激励的索引给波形文件命名。每个激励图形(或向量)往往对应多个波形，因此需要根据激励图形的索引进行索引扩展，用扩展的索引为波形文件命名，并将对应同一激励图形索引的波形文件合并为一组。

2)平均电流曲线的计算

计算各个激励图形(或向量)索引对应的波形分组的平均波形，得到的波形以激励图形(或向量)索引命名。至此即求得了每个激励图形(或向量)对应的瞬态电流曲线。

3)数据分组

根据步骤一中产生的分组文件或用户输入的分组文件(DVF文件)建立波形的分组文件。分组后的波形可以以CSV格式输出，称为数据文件(DTF)。

下面给出PTA的数据预处理模块的输入输出说明。：

√输入

PTA的输入包括如下几种文件：

功率数据文件(Powe rtrace PT)：记录了各时刻的功耗值。

波形信息文件(Wave Information INF)：这个文件可以看成是与之对应的PT文件的一个注解文件。其中提供了一些时间范围——这些时间范围内的功耗变化情况是用户所关心的，对应波形文件中采样时刻的间隔，还有这些时间范围的特征说明字段。这些特征说明字段一般为对应的激励向量的索引(index)。

分组文件(Division File DVF)：给出了各个功耗波形的分组。因为功耗分析都要把得到的大量功耗波形按照某种“特征”分成组，再对同组的样本进行统计。DVF文件给出了这种分组情况，描述了每个索引对应的组号。

输出

数据文件(Data Table File DTF)：这是一个CSV格式的表格文件。文件给出了一个分组中所有波形的数据，这些波形的时序已经对齐。不同的波形数据排成一列，每行对应同一个观察时刻。这种文件可以输入到其他的统计工具软件或绘图软件中进行进一步处理。

五.实验数据分析

最后即根据需要对得到的波形数据进行各种分析。PTA的数据处理模块具有如下功能：

数据管理方面：

读入PT和INF文件，根据INF文件从PT文件中提取出INF说明的波形，将这些波形

数据存为内部格式数据文件，存于内部数据库；

按照分组文件对内部数据分组；

内部格式数据输出为DFT文件；

对内部记录进行查找、删除；

数据分析方面：

对同组的波形求其平均值曲线；

求一条曲线的峰值；

计算两条曲线间的差值，即求差分曲线；

对一组波形的某个时间点进行功率与被处理数据间的相关性分析，即求出各采样点

对于产生波形的运算数据的相关系数，并输出其相关系数曲线；

能够对分组的数据进行均值检验，相关检验等假设检验。

综上所述，整个集成电路瞬态电流测量系统可以用图9表示。包括计算机、集成电路自动测试设备和示波器。

下面给出应用此系统对一块功耗平衡加法器芯片进行功率特征分析的例子：

被测加法器的设计目标是使其功耗平衡(即对不同输入都表现出相似的功率变化)，这种芯片应用于密码芯片可以降低遭受功耗分析的风险。

此集成电路芯片核心是待测的动态逻辑加法器，采用异步握手协议控制，在每次请求信号上升沿开始计算，请求信号的下降沿进行复位。被测芯片内核与输入输出电路分别供电，分别为1.8V和3.3V。

测试目的是检验加法器在工作期间和复位期间的功率曲线是否与输入数据无关。

激励向量的生成是通过用户初始化一个模版(Mask)，格式如图3所示。第4行开始，是用户定制部分，用户将模版的某些位设成0或1，程序就会生成相应位为确定值的随机数。最后的字符串是组名。在输入向量生成之后依然以用户输入的模版文件为依据，重新对其分组。在实际应用中，对每个输入向量都进行了74次重复测量。如图4所示，图中每个.dvf文件即为一个分组，每一行的第一个数字为组名，后面是组中的向量名。

使用IMS XL100集成电路自动测试仪作为芯片激励平台。在芯片的内核电源与测试设备电源之间串联一个20欧姆的电阻，并联电容取1pf。由于芯片的输入输出部分单独供电，所以输入电平还设为3.3V。电源将产生的所有激励向量组成一个大的激励图形。

选用Aglient 54833D混合采样示波器作为数据采集设备。通过两路500MHz无源探头采集电阻两端的电位。利用示波器的函数运算功能得到Um。示波器采样率设为500MHz(2GSa/s)，以加法器的运算请求应答信号作为采样触发信号。

采集74个周期的Um波形，以CSV格式存储在示波器的硬盘上。图7为示波器现实的一个激励向量(即一次加法运算)对应的信号波形。

PTA根据前面产生的INF文件，对数据进行预处理。得到各激励向量对应的电流波形。图8是经过预处理后的某一个运算的Um曲线。

样本数据的分析按照以下流程进行：

a)计算各分组的逐点平均值组成改组的均值曲线。

b)计算各组件的均值曲线的逐点差值的绝对值，得到差分曲线。

c)求出所有差分曲线的最大值，并求出这些极值的最大值即为被测加法器的最大电流差分。

d)计算所有曲线在芯片不工作阶段某点的方差，作为测量噪声的估计值。

此程序提供一些小规模的管理函数，包括DVF文件的合并，分组文件的语法检查等等。并可将任何数据输出为CSV标准数据表格式，而被专用的统计程序处理。

图6给出了针对加法器功耗差分分析的整个PTA的流程图。其中：采集功耗曲线部分由手动在测试仪和示波器上完成。

Claims (4)

1.集成电路芯片瞬态电流测量方法，其特征在于，它依次含有以下步骤：

第1步：

计算机根据用户提供的特定约束即激励约束产生相应的激励图形，所述激励图形是指集成电路工作时在各个时钟周期的激励向量组成的一个序列，所述激励向量是指集成电路所有输入引脚的用二进制表示的值组成的一组数，所述的特定约束是指用户输入的二进制表示的激励图形中特定激励向量特定位的取值；

第2步：

计算机为每个激励图形分配一个唯一的索引作为标识，同时根据上述约束把满足其一约束的所有图形分配到一组中，并为各组分配相应的分组索引；

第3步：

瞬态电流波形的采集，它包含以下步骤：

第3.1步：计算机把激励图形以文本形式输入到集成电路自动测试设备中；

第3.2步：上述集成电路自动测试设备根据输入的激励图形文件以循环工作的模式反复产生相应的激励信号来驱动被测集成电路芯片工作，但一个循环周期的长度要小于下述示波器的最大采集时间长度；

第3.3步：被设置为“实时采集模式”的示波器采集串接在被测集成电路芯片的内核电源端与上述集成电路自动测试设备提供的芯片电源之间的电阻上的电压，再除以该电阻阻值以得到被测集成电路芯片瞬态电流波形，同时不仅要选择合适的波形予以保存，还要保存相应的触发信号的波形，所述的触发信号是被测试集成电路芯片的合适的输入信号或者是上述芯片自身产生的合适的输出信号；

第4步：

计算机对从上述示波器中采集到的瞬态电流波形和触发信号波形进行数据处理，它含有以下步骤：

第4.1步：瞬态电流波形的提取

第4.1.1步：

计算机根据激励图形和触发信号波形产生一个波形信息文件即INF文件，它包括一系列激励图形索引和各图形对应的触发信号变化的时刻、需要分析的上述波形的时间长度；

第4.1.2步：

计算机把产生的上述INF文件输入到一个命名为功耗波形分析器的软件工具包的数据预处理模块；

第4.1.3步：

所述数据预处理模块按照上述波形信息文件把需要分析的波形截取为若干独立的波形，并用根据激励图形索引扩展的索引对波形命名形成波形文件，然后再把对应同一激励图形索引的波形文件合并成一组；

第4.2步：

所述数据预处理模块计算各个激励图形对应的波形分组的平均波形，以此作为每个激励图形对应的瞬态电流曲线，并以激励图形索引命名；

第4.3步：

根据步骤2中产生的激励图形分组文件建立相应的波形分组文件，分组后的波形以CSV格式输出，称为数据文件用DTF表示；

第5步：

根据需要对上述数据文件作实验分析。

2.根据权利要求1所述的集成电路芯片瞬态电流测量方法其特征在于：第2步中所述的激励图形的分组文件是由用户直接输入的。

3.根据权利要求1所述的集成电路芯片瞬态电流测量方法，其特征在于：所述数据预处理模块的输入为：

功率数据文件，它记录每个时刻的功率值；

波形信息文件，它记录功率变化情况的时间范围及其特征说明字段以及对应波形文件采样时刻的间隔，所述的特征说明字段为对应激励图形的索引字段；

分组文件：它给出了各个功率波形的分组，描述了每个索引值对应的分组索引；

所述数据预处理模块的输出是上述数据文件，它给出了一个分组中已按时序对齐的所有波形的数据。

4.根据权利要求1所述的方法而提出的集成电路瞬态电流测量系统，其特征在于，它含有：

计算机，它的输入端接收激励约束，产生激励图形；

集成电路自动测试设备，它的输入端与上述计算机的激励图形文本输出端相连；它的输出端与被测试的集成电路的输入端相连；

被设置为“实时采集模式”的示波器，它的输入端与串接在被测试集成电路芯片的内核电源端与上述集成电路自动测试设备的芯片电源输出端之间的电阻两端并联，所述示波器的瞬态电流波形和触发信号波形的输出端与上述计算机相应输入端相连；所述示波器的另一个输入端与被测试集成电路芯片的触发信号波形输出端相连。

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