CN110061721A - 集成电路系统及由其实现的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成电路系统及由其实现的方法。提供一种集成电路系统。该系统包括环形振荡器，该环形振荡器包括以环形配置连接的第一多个逻辑门。该系统还包括第二多个逻辑门，用于实现加热器以产生受控量的热量。第二多个逻辑门还用于实现温度传感器以测量环形振荡器的温度。该系统还包括一个或多个逻辑电路，该一个或多个逻辑电路耦接到加热器和温度传感器。在环形振荡器启动和运行期间或之后，一个或多个逻辑电路用于控制加热器仅加热环形振荡器直到环形振荡器的温度是多个预定义温度中的一个。

Description

集成电路系统及由其实现的方法
技术领域
本公开一般涉及集成电路的温度敏感元件的内部温度稳定，尤其涉及使用加热器和温度传感器的集成电路的温度敏感元件的内部温度稳定。
背景技术
集成电路中的一些电子器件对温度敏感。温度敏感电路在温度变化时表现不可预测。环形振荡器是这种温度敏感电路。环形振荡器可以用作熵源以生成用在信息安全中的真随机数，并且可以用作物理不可克隆功能(PUF)的元件，其为芯片提供实际上唯一的ID号。然而，在启动时，环形振荡器会迅速改变其内部温度，这与电路噪声和环境影响一起导致多个不可预测的振荡频率。环形振荡器启动行为的这种不确定性使得可用的熵不可预测且PUF值不可靠，因此可能损害信息安全性。因此，期望在启动时稳定环形振荡器的温度。
一种用于稳定诸如环形振荡器的温度敏感电路的温度的现有解决方案包括将温度敏感电路放置在恒温器控制的外壳中，但该外壳太大、昂贵且慢而无用。另一种现有解决方案是改变温度敏感电路以改善其热性能，但这是有限的、不稳定的和昂贵的。第三种现有解决方案是测量制造时的电路行为并在现场对其进行补偿，但这不能处理环形振荡器的多个不可预测的振荡频率。
因此，期望具有考虑至少一些上述问题以及其他可能的问题的系统和方法。
发明内容
本公开的示例实施方式涉及使用加热器和温度传感器的温度敏感电路的温度稳定性。与现有解决方案相比，示例实施方式直接在诸如环形振荡器的温度敏感电路上提供温度稳定性。因此，示例实施方式可以消除任何外部调节温度的大的和可变的温度差异。而且，示例实施方式提供构建有低成本和标准逻辑门的加热器和快速温度传感器。
因此，本公开包括但不限于以下示例实施方式。
一些示例实施方式提供一种方法。该方法由包括环形振荡器的集成电路系统实现，该环形振荡器包括以环形配置连接的第一多个逻辑门，其中多个逻辑门中除了最后一个逻辑门之外的每个逻辑门的输出被用作多个逻辑门中的下一个逻辑门的输入，多个逻辑门中的最后一个逻辑门的输出被反馈到多个逻辑门中的第一个逻辑门并用作该第一个逻辑门的输入。该方法包括使用第二多个逻辑门产生受控量的热量以实现加热器；使用第二多个逻辑门测量环形振荡器的温度以实现温度传感器；并且在环形振荡器启动和运行期间或之后，控制加热器仅加热环形振荡器直到环形振荡器的温度是多个预定义温度中的一个。
在任何前述示例实施方式的方法的一些示例实施方式中，或者前述示例实施方式的任何组合中，使用第二多个逻辑门来实现加热器包括使用第二多个逻辑门来实现作为加热器的第二环形振荡器，并且其中，控制加热器包括切换可调数量的第二多个逻辑门以使第二环形振荡器产生可调节的热量从而加热环形振荡器。
在任何前述示例实施方式的方法的一些示例实施方式中，或者前述示例实施方式的任何组合中，第二多个逻辑门包括串联连接的多个与非(NAND)门，并且使用第二多个逻辑门来实现加热器包括使用多个与非门来实现加热器，其中，多个与非门中的第一个与非门的输入接收时钟信号，并且其中，控制加热器包括切换可调数量的多个与非门以使多个与非门产生可调节的热量从而加热环形振荡器。
在任何前述示例实施方式的方法的一些示例实施方式中，或者前述示例实施方式的任何组合，还包括使得环形振荡器启动和运行，从而在环形振荡器在可运行模式下运行之前产生热量作为来自加热器的热量的补充。
在任何前述示例实施方式的方法的一些示例实施方式中，或者前述示例实施方式的任何组合中，使用第二多个逻辑门来实现温度传感器包括使用第二多个逻辑门来实现作为温度传感器的另一个环形振荡器，并且其中，测量环形振荡器的温度包括基于另一个环形振荡器的振荡频率测量另一个环形振荡器的温度，以及另一个环形振荡器的振荡频率与另一个环形振荡器的温度之间的已知关系，环形振荡器的温度被解释为另一个环形振荡器的温度。
在任何前述示例实施方式的方法的一些示例实施方式中，或者前述示例实施方式的任何组合中，另一个环形振荡器的振荡频率与另一个环形振荡器的温度之间的已知关系被定义在指示用于多个预定温度中的每个的温度传感器的相应振荡频率的数据中。
在任何前述示例实施方式的方法的一些示例实施方式中，或者前述示例实施方式的任何组合中，使用第二多个逻辑门来实现加热器包括使用第二多个逻辑门来实现作为加热器的第二环形振荡器，并且使用第二多个逻辑门来实现温度传感器包括使用第二多个逻辑门来实现作为温度传感器的另一个环形振荡器，并且其中，控制加热器包括切换可调数量的第二多个逻辑门以使第二环形振荡器产生可调节的热量从而加热环形振荡器，并且其中，测量环形振荡器的温度包括基于另一个环形振荡器的振荡频率测量另一个环形振荡器的温度，以及另一个环形振荡器的振荡频率与另一个环形振荡器的温度之间的已知关系，环形振荡器的温度被解释为另一个环形振荡器的温度。
在任何前述示例实施方式的方法的一些示例实施方式中，或者前述示例实施方式的任何组合中，使用第二多个逻辑门来实现温度传感器包括使用第二多个逻辑门来实现作为温度传感器的彼此耦接的多个环形振荡器，并且其中，测量环形振荡器的温度包括基于多个环形振荡器的振荡频率测量多个环形振荡器的温度，以及多个环形振荡器的振荡频率与温度之间的已知关系，环形振荡器的温度来自多个环形振荡器的温度。
在任何前述示例实施方式的方法的一些示例实施方式中，或者前述示例实施方式的任何组合中，环形振荡器是温度传感器，并且其中，测量环形振荡器的温度包括基于环形振荡器的振荡频率测量环形振荡器的温度，以及环形振荡器的振荡频率与环形振荡器的温度之间的已知关系。
在任何前述示例实施方式的方法的一些示例实施方式中，或者在先前示例实施方式的任何组合中，环形振荡器以多个预定振荡频率中的一个运行，并且其中，多个预定义温度包括用于多个预定振荡频率中的每一个的相应温度。
一些示例实施方式提供包括一个或多个逻辑电路的集成电路系统，该一个或多个逻辑电路被配置为至少执行任何前述示例实施方式的方法，或者前述示例实施方式的任何组合。
通过阅读以下详细描述以及下面简要描述的附图，本公开的这些和其他特征、方面、和优点将是显而易见的。本公开包括本公开中阐述的两个、三个、四个或更多个特征或元素的任何组合，而不管这些特征或元素是否在本文描述的特定示例实施方式中明确地组合或以其他方式列举。本公开旨在从整体上阅读，使得本公开的任何可分离的特征或元素在其任何方面和示例实施方式中应被视为可组合的，除非本公开的上下文另有明确说明。
因此，应当理解，提供该简要总结仅仅是为了总结一些示例实施方式的目的，以便提供对本公开的一些方面的基本理解。因此，应当理解，上述示例实施方式仅仅是示例，并且不应被解释为以任何方式缩小本公开的范围或精神。从以下结合附图的详细描述中，其他示例实施方式、方面和优点将变得显而易见，附图通过示例的方式示出一些所描述的示例实施方式的原理。
附图说明
已经一般性地描述了本公开的示例实施方式，现在将参考附图，附图不一定按比例绘制，并且其中：
图1示出根据本公开的示例实施方式的集成电路系统；
图2A示出根据各种示例实施方式的环形振荡器；
图2B示出根据各种示例实施方式的串联连接的多个与非(NAND)门；以及
图3是示出根据各种示例实施方式的稳定集成电路系统中的环形振荡器的温度的方法中的各个步骤的流程图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本公开的一些实施方式，附图中示出了本公开的一些但非全部实施方式。实际上，本公开的各种实施方式可以以许多不同的形式体现，并且不应该被解释为限于这里阐述的实施方式；相反，提供这些示例实施方式使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。例如，除非另有说明，否则作为第一、第二等的引用不应被解释为暗示特定顺序。此外，可以将某些内容描述为高于其他内容(除非另有说明)可以改为低于其他内容，反之亦然；同样地，被描述为位于其他东西左侧的东西可以改为右侧，反之亦然。相同的附图标记始终表示相同的元件。
本公开的示例实施方式一般涉及集成电路的温度敏感元件的内部温度稳定，尤其涉及使用加热器和温度传感器的集成电路的温度敏感元件的内部温度稳定。
图1示出根据本公开的示例实施方式的集成电路系统100。集成电路系统可以包括多个元件、单元等(通常为“元件”)中的每一个中的一个或多个，其中至少一些可以包括逻辑电路或者与逻辑电路一起实现，诸如多路复用器、寄存器、算术逻辑单元、存储器、微处理器等。集成电路系统可以被设计用于许多不同应用中的任何一种，并且可以特别适用于稳定集成电路系统中的环形振荡器的温度。
在一个示例中，包括环形振荡器的集成电路系统100可以在具有安全应用的计算机系统中提供安全性。例如，环形振荡器可以生成真随机数并将其作为种子提供给伪随机数生成器。伪随机数生成器可以使用种子来生成伪随机数并向计算机系统中的安全应用提供伪随机数。安全应用可以包括密钥生成器以使用伪随机数来产生计算机系统中使用的密文块或消息认证码。
在一些示例中，如图所示，集成电路系统包括环形振荡器101(或另一个温度敏感电路)。环形振荡器包括以环形配置连接的第一多个逻辑门。在环形配置中，多个逻辑门中除了最后一个逻辑门之外的每个逻辑门的输出被用作多个逻辑门中的下一个逻辑门的输入。多个逻辑门中的最后一个逻辑门的输出被反馈至多个逻辑门中的第一个逻辑门并用作该第一个逻辑门的输入。环形振荡器还包括使能输入端，其被配置为接收使能信号以启用环形振荡器。一些示例的环形振荡器将在下面的图2A中描述。
在一些示例中，集成电路系统100包括第二多个逻辑门102。第二多个逻辑门被配置为实现加热器103和温度传感器104，该加热器103被配置为产生受控量的热量，该温度传感器104被配置为测量环形振荡器101的温度。
在一些示例中，集成电路系统100包括耦接到加热器103和温度传感器104的温度控制器105。温度控制器被配置为在环形振荡器被配置为启动和运行期间或之后，控制加热器以仅加热环形振荡器101直到环形振荡器的温度是多个预定义温度中的一个。在一个示例中，多个预定义温度可以是或包括0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃和140℃。
在一些示例中，第二多个逻辑门102被配置为实现作为加热器103的第二环形振荡器(如下面的图2A所示)。温度控制器105被配置为切换可调数量的第二多个逻辑门以使第二环形振荡器产生可调节的热量从而加热环形振荡器101。
在一些示例中，第二多个逻辑门102包括串联连接的多个与非门(如下面的图2B所示)。多个与非门被配置为实现加热器103。多个与非门中的第一个与非门的输入被配置为接收时钟信号。温度控制器105被配置为切换可调数量的多个与非门以使多个与非门产生可调节的热量从而加热环形振荡器101。
在一些示例中，集成电路系统100包括控制逻辑106。控制逻辑106被配置为使得环形振荡器101启动和运行，从而在环形振荡器在可运行模式下运行之前产生热量作为来自加热器103的热量的补充。
在一些示例中，第二多个逻辑门102被配置为实现作为温度传感器104的另一个环形振荡器(如下面的图2A所示)。温度传感器被配置为基于另一个环形振荡器的振荡频率测量另一个环形振荡器(温度传感器本身)的温度和已知关系。已知关系是另一个环形振荡器的振荡频率与另一个环形振荡器的温度之间的关系。环形振荡器101的温度被解释为另一个环形振荡器的温度。例如，另一个环形振荡器可以在环形振荡器101的旁边或内部，因此，另一个环形振荡器的温度可以被认为是环形振荡器101的温度。
在一些示例中，另一个环形振荡器的振荡频率与另一个环形振荡器的温度之间的已知关系被定义在指示用于多个预定义温度中的每一个的温度传感器的相应振荡频率的数据中。数据可以存储在温度传感器104或温度控制器105的存储器中。例如，可以校准另一个环形振荡器。校准数据包括多个(频率，温度)对，例如20...50这样的对。每对可以指示另一个环形振荡器的预定义温度和另一个环形振荡器的相应振荡频率。
在一些示例中，第二多个逻辑门102被配置为实现作为加热器103的第二环形振荡器，以及作为温度传感器104的另一个环形振荡器。温度控制器105被配置为切换可调数量的第二多个逻辑门以使第二环形振荡器产生可调节的热量从而加热环形振荡器101。
温度传感器被配置为基于另一个环形振荡器的振荡频率来测量另一个环形振荡器(温度传感器本身)的温度和已知关系。已知关系是另一个环形振荡器的振荡频率与另一个环形振荡器的温度之间的关系。在这些示例中，环形振荡器101的温度被解释为另一个环形振荡器的温度。
在一些示例中，第二多个逻辑门102被配置为实现多个环形振荡器，该多个环形振荡器彼此耦接并且被配置为实现温度传感器104。温度传感器被配置为测量多个环形振荡器的温度。该测量是基于多个环形振荡器的振荡频率，以及多个环形振荡器的振荡频率和温度之间的已知关系。环形振荡器101的温度来自多个环形振荡器的温度。
在一些示例中，环形振荡器101是温度传感器104。温度传感器(环形振荡器本身)被配置为基于环形振荡器的振荡频率来测量环形振荡器的温度和已知关系。已知关系是环形振荡器的振荡频率与环形振荡器的温度之间的关系。
在一些示例中，环形振荡器101被配置为以多个预定振荡频率中的一个运行。多个预定义温度包括多个预定振荡频率中的每一个的相应温度。例如，可以校准环形振荡器。校准数据包括多个(频率，温度)对，例如20...50这样的对。当环形振荡器以预定义的振荡频率运行时，每对可以指示预定义的振荡频率和相应的温度。
图2A示出根据各种示例实施方式的环形振荡器200。在一些示例中，如图所示，环形振荡器包括以环形配置连接的多个逻辑门，例如逻辑门201-204。在环形配置中，多个逻辑门中除了最后一个逻辑门之外的每个逻辑门的输出被用作多个逻辑门中的下一个逻辑门的输入。例如，如图所示，逻辑门201的输出用作逻辑门202的输入，逻辑门202的输出用作逻辑门203的输入。此外，在环形配置中，多个逻辑门中的最后一个逻辑门的输出被反馈至多个逻辑门中的第一个逻辑门并用作该第一个逻辑门的输入。例如，系列中的最后一个逻辑门204的输出被反馈至系列中的第一逻辑门201并用作第一逻辑门201的输入。
在一个示例中，环形振荡器200可以接收使能信号以启动和停止环形振荡器的振荡。使能信号可以通过本领域已知的任何方式启动或停止环形振荡器，包括利用启动或停止振荡的输入，使用环形振荡器的逻辑门之中的与非门或或非门或锁存器。使能信号可以提供给任何逻辑门201-204。在另一示例中，使能信号可用于控制温度控制器105，该温度控制器105可包括具有固件的微处理器或状态机。
在一个示例中，环形振荡器200配备有计数器205，计数器205被配置为对环形振荡器的振荡输出的脉冲进行计数。例如，如图2A所示，多个逆变器中的最后一个(例如逆变器204)的输出被发送到计数器。计数器通过计数一个或多个预定义计数周期中的振荡周期来产生计数器值。计数器值表示环形振荡器200的振荡频率。
在一个示例中，环形振荡器200可以是集成电路系统100中的环形振荡器101。在另一个示例中，环形振荡器200可以是作为加热器103的第二环形振荡器。在另一个示例中，环形振荡器200可以是作为温度传感器104的另一个环形振荡器。在进一步的示例中，环形振荡器200可以是彼此耦接并且被配置为实现温度传感器104的多个环形振荡器中的任何一个。当环形振荡器200被用作加热器103或温度传感器104时，加热器103或温度传感器104可具有与环形振荡器101不同数量的逻辑门或不同的配置。
图2B示出根据各种示例实施方式的串联连接的多个与非门210。如图所示，在一个示例中，多个与非(NAND)门包括数个与非(NAND)门，例如，与非门212-214。先前与非门的输出连接到系列中下一个与非门的第一输入。例如，与非门211的输出连接到与非门212的第一输入216。在一些示例中，第一与非门211的第一输入215馈有具有恒定频率的时钟信号(例如，频率＝100MHz的系统时钟)。可以在所选与非门的第二输入处(例如，与非门214的第二输入217处)通过具有逻辑电平0的使能信号来禁用与非门系列的尾部。系列的尾部也可以是通过具有逻辑电平0的使能信号在不同的与非门的第二输入处(例如在与非门213的第二输入处)禁用。在一些示例中，多个与非门被配置为实现加热器103。
在一个示例中，在32nm或更小特征尺寸的集成电路中，某些门随温度减速，而其他门加速。在不同的初始温度下，趋势可能会逆转。如果门由短沟道MOSFET晶体管构成，则它们的温度相关行为是非常不可预测的并且取决于制造变化。另一方面，使用长沟道晶体管构建的门通常随着温度的升高而减慢。这样的门可以包括或不包括在所选制造技术的标准元件库中。
在一个示例中，当环形振荡器开始振荡时，它变热。这是因为在负载电容充电或放电期间能量在内部电阻器中变为热量(转换为热量的能量与负载电容器中存储的能量相同)。较高的温度可能导致更快的振荡，导致进一步的变热(单位时间内有更多的切换事件以及更多的容性负载被充电或放电)，直到达到平衡。在高振荡频率下，信号幅度开始减小，并且功耗也降低。因此，在环形振荡器中在硅可能熔化之前达到平衡。
在一个示例中，上述这两种趋势的非线性特性及其复杂的相互作用可导致不可预测的振荡频率。对于某些环形振荡器，在相同的环境条件下可以有超过5个稳定但不可预测的振荡频率。这些随机稳定的振荡频率(可能因电路噪声而多样化)可能会损害使用环形振荡器的信息安全性。例如，随机稳定振荡频率可以使基于环形振荡器的物理不可克隆功能(PUF)电路发生故障，或者使基于环形振荡器的熵发生器以未知量的生成熵进入未测试的运行状态。
在一个示例中，通过仅运行环形振荡器(或其他温度敏感电路)一段时间不能实现环形振荡器的可预测的运行状态，直到环形振荡器周围的局部温度达到稳定值。以这种方式，确实达到了稳定的温度。但是，这些温度值可能是几种不同的、不可预测的值中的一个。如上所述，在相同的环境条件下具有不同的振荡频率和不同的局部温度下，对于环形振荡器可以存在多于5个稳定点(平衡)。
在一个示例中，将环形振荡器101的稳定温度设置为一个固定值将要求该温度高于集成电路系统100(例如专用集成电路(ASIC))的管芯的最大运行温度。集成电路系统可以在热环境中良好地运行。然而，这种方法在冷的环境温度下消耗大量能量。此外，从冷管芯开始到达稳定温度需要很长时间。在一个示例中，如果环形振荡器用于产生具有精确频率(时钟信号)或电压参考的稳定信号，则该单个热温度设置对于环形振荡器是足够的。
在一个示例中，对于信息安全应用，环形振荡器101的期望的稳定温度可以是若干预设值中的一个。几个预设值可以分布在集成电路系统100的整个工作温度范围内。期望的稳定温度可以高于当前运行条件下的管芯温度。在一个示例中，稳定温度可以设置为高于平均管芯温度至少20℃，或者在正常运行下远离受保护电路(例如环形振荡器)测量的温度。在一个示例中，如果集成电路系统在-20...120℃之间运行，则环形振荡器的目标温度可以是或包括0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃和140℃。非活动保护电路的温度与目标温度之间的差值可以取决于受保护电路(例如环形振荡器)产生的热量。
在一个示例中，多温度运行需要在大多数应用中进行校准。例如，基于环形振荡器的PUF设备可能在每个预设的稳定温度值下需要不同的输入。在部署PUF设备之前，需要在校准过程中确定不同的输入。在常规运行期间，PUF的适当输入易于提供。PUF设备的固件获取当前稳定的温度值，并相应地动作。在一个示例中，即使在没有实施温度稳定时，也需要这样的温度校准(例如，对于基于环形振荡器的PUF设备)。在该示例中，必须考虑许多温度点，可能存在许多相应的校准数据集(例如，用于基于环形振荡器的PUF设备的更多存储的输入序列)。
在一个示例中，加热器103可以通过根据需要接通和断开电阻负载来产生受控量的热量。然而，这种方法需要模拟元件：电流开关和(分布式)大尺寸电阻器，这些是昂贵的、专门设计的元件，并且在常用ASIC技术的标准元件库中没有。
在一个示例中，加热器103可以通过周期性地接通和断开许多逻辑门来产生受控量的热量。逻辑门的负载电容器的充电和放电电流可以在输出晶体管的电阻中产生热量。加热逻辑门可以布置为环形振荡器200或布置为串联连接的多个与非门210，其切换点具有自然延迟。这些加热逻辑门不会集中在管芯上的一个点上。而是，利用适当的布局技术，加热逻辑门可以与需要温度调节的集成电路系统100的元件交错或在其周围交错。在一个示例中，加热器可以紧邻环形振荡器101以加热环形振荡器。
在一些示例中，第二多个逻辑门102被配置为实现作为加热器103的第二环形振荡器(具有可变长度)。温度控制器105被配置为切换可调数量的第二多个逻辑门以使第二环形振荡器产生可调节的热量从而加热环形振荡器101。例如，第二环形振荡器(例如环形振荡器200)可以具有可变长度的环(多路复用器激活许多反馈点中的一个，从而选择诸如逻辑门201-204的有源逻辑门的可变数量)。在一个示例中，第二环形振荡器可以是具有足够数量的逻辑门的足够长的环形振荡器。无论环的长度如何，足够长的环形振荡器消耗大约相同的功率。在足够长的环形振荡器中，在门延迟的每个时间段之后存在一个切换事件，并且这些切换事件对负载电容器完全充电/放电。可以通过它们的沟道电阻在门的输出晶体管中产生热量。
另一方面，如果第二环形振荡器(具有可变长度)变短，则功耗减小。也就是说，在负载电容器完全充电或放电之前，充电电流反转。信号幅度小于全电源电压范围。因此，通过切换第二环形振荡器的可调数量的逻辑门，可以产生可调节的热量。在一个示例中，为了切换第二环形振荡器的可调数量的逻辑门，可以通过多路复用器选择第二环形振荡器(长环形振荡器)的反馈点以使环更短(并且还停止排除门)。缩短环可降低功耗，从而减少热量。
在一些示例中，第二多个逻辑门102包括串联连接的多个与非门210(开链)。多个与非门被配置为实现加热器103。温度控制器105被配置为切换可调数量的多个与非门(例如，与非门211-214)以使多个与非门产生可调节的热量从而加热环形振荡器101。在一个示例中，与非门切换得如此之快以至于下一个门已经开始消耗功率，而当前门仍在对其负载电容器充电(这是下一个门的输入电容)。结果是稳定的电流提取，直到达到尾部停止点。如果链足够长，则多个门同时切换(t＝1/f总延迟分开)。因此，多个与非门可以提供加热器的控制范围大、温度控制是线性的、并且任何侧沟道泄漏都是无关紧要的优点。
类似于如上所述，通过切换可调数量的多个与非门，可以产生可调节的热量。在一个示例中，为了切换可调数量的多个与非门，可以通过在所选择的与非门的第二输入处(例如，在与非门214的第二输入217处)的具有逻辑电平0的逻辑信号来禁用一系列与非门的尾部。
在一个示例中，即使受保护电路(例如，环形振荡器101)不处于稳定运行条件中，受保护电路也可以在变热时段期间(通过控制逻辑106)打开以有助于加热。在该示例中，控制逻辑106被配置为使得环形振荡器启动和运行，从而在环形振荡器在运行模式下可运行之前产生热量作为来自加热器103的热量的补充。
在一个示例中，温度传感器可以是模拟温度传感器，其不是为各种集成电路技术提供的门库的一部分。模拟温度传感器可以大、慢且昂贵。另一方面，模拟温度传感器不产生太多热量，与加热器103无关，并且没有可利用的侧沟道泄漏。
在一个示例中，温度传感器104可以是具有长沟道的输出晶体管(例如，取自逻辑门的标准库)的门的环形振荡器(例如，环形振荡器200)。具有长沟道晶体管的环形振荡器可以测量温度，因为这种环形振荡器的振荡频率随温度单调降低。周期计数器可以通过计数预设持续时间的振荡周期来测量温度传感器(具有长沟道晶体管的环形振荡器)的振荡频率。基于测量的振荡频率，可以基于振荡频率和温度之间的单调关系来确定温度传感器的温度。可以在需要时重新开始测量。在一个示例中，温度传感器可以在环形振荡器101的旁边或内部。因此，温度传感器的温度可以被认为是环形振荡器的温度。也就是说，环形振荡器101的温度可以被解释为温度传感器(具有长沟道晶体管的环形振荡器)的温度。
在一个示例中，具有长沟道晶体管的环形振荡器需要校准，除非仅需要相对于目标温度的更低/更高的比较结果。校准数据可以包括对于每个目标温度的环形振荡器的预期计数器值(预期频率)。基于环形振荡器的温度传感器可以在产生热量并局部地加热集成电路系统100的管芯。因此，可以使用高频环形振荡器作为温度传感器，其消耗更少的功率。
在另一示例中，温度传感器104可以是具有短沟道晶体管的环形振荡器(例如，环形振荡器200)。对于这样的环形振荡器，振荡频率与温度函数F＝f(T)首先增加(从低温)直到某个转向温度，然后频率随着温度的进一步升高而降低。这里F是是温度传感器的测量的振荡频率并且T是相应温度。转向温度T0可以在运行温度范围之外，在这种情况下，频率是温度的单调函数。当使用具有短沟道晶体管的环形振荡器作为温度传感器104时，存在两种可能性：1)一些频率值对应于单个温度，以及2)其他频率值可以在两个不同的温度下出现。
在一个示例中，当存在导致相同振荡频率的两个温度时，振荡频率与温度函数的差分f'(T)具有不同的符号：在较低温度T1处，频率随着温度而增加(f'(T1)>0)，在较高温度T2，频率随温度降低(f'(T2)<0)。校准数据可以在几个(n)等距温度点处收集，例如在具有由计数器值确定的预期(平均)频率的温度烘箱中。由于函数f(T)总是平滑的，因此n的实际值可以是20...50。通过插值，可以以合理的精度重建函数f(T)及其差分f'(T)。
在一个示例中，通过在反函数f-1中内插，从测量的频率F确定真实温度。当测量频率F对应于两个温度T1<T2(通过f-1的两个分支中的插值确定)时，执行额外的步骤：略微增加由加热元件产生的热量。如果振荡器频率也增加，则实际温度T＝T1，否则T＝T2。在一个示例中，温度传感器104可以在环形振荡器101的旁边或内部。环形振荡器101的温度可以被解释为温度传感器(具有短沟道晶体管的环形振荡器)的温度。
在一个示例中，当频率偏离目标时，加热功率可以减少或增加从存储的差值计算的量以及预期和实际计数器值的差值。使用具有短沟道晶体管的环形振荡器(例如，环形振荡器200)作为温度传感器104可以提供硬件简单且仅具有低成本标准逻辑门的优点。在一个示例中，如果频繁地测量温度，则预期会有小的变化。至少当温度不接近转向温度T0时，小的变化允许获得真实的温度值而不施加额外的热量。
在一个示例中，温度传感器104包括多个环形振荡器，例如，多个环形振荡器200，彼此相邻布置并且紧邻受保护的环形振荡器101。例如，温度传感器可以包括两个环形振荡器。两个环形振荡器具有不同的振荡频率与温度函数：F＝f1(T)和F＝f2(T)。当使用一个环形振荡器存在温度测量的模糊性时：f1(T1)＝f1(T2)，具有不同频率与温度函数的第二个和不同的环形振荡器将不具有相同的模糊度：f2(T1)≠f2(T2)。温度控制器105可以使用两个环形振荡器的校准数据确定正确的温度值。在一个示例中，即使f2是模糊的，模糊温度估计仅在真实温度下一致。
在一个示例中，环形振荡器101可以是其自己的温度传感器104。因此，环形振荡器可以使用如上所述的振荡频率与温度函数F＝f(T)来测量其自身温度。如果环形振荡器也是其自身的温度传感器，则需要在实际用于其预期目的之前将其打开。这可能会增加泄漏到侧沟道的信息。然而，这种侧沟道泄漏不是严重的安全问题，因为在启动时环形振荡器的温度快速变化，因此泄漏的信息不涉及实际运行条件。
在一个示例中，集成电路系统100包括对温度敏感的数个环形振荡器101。数个环振荡器可以是它们自己的温度传感器，因此不需要施加额外的热量。在该示例中，可以关闭环形振荡器并立即重新打开，以阻止对环形振荡器熵源的相位跟踪攻击，以及对基于环形振荡器的PUF设备的锁定和跟随攻击。在另一个例子中，加热器103和温度传感器104可以是相同的环形振荡器。
在一个示例中，当环形振荡器101启动时，局部管芯温度升高。温度传感器104检测到该热量，并且作为响应，温度控制器105减少产生的热量。这导致在环形振荡器启动时温度摆动不稳定。通过将加热功率降低与环形振荡器的功率一样多，可以缓解温度摆动。可以在校准时确定热量减少量，使得启动温度摆动最小化。在另一个示例中，环形振荡器不是在(不稳定)启动时立即使用，而是仅在一段时间之后使用。但是，这可能会增加侧沟道上的信息泄漏。
图3是示出根据各种示例实施方式的稳定集成电路系统中的环形振荡器的温度的方法300中的各个步骤的流程图。该方法由集成电路系统100实现。集成电路系统包括环形振荡器101，该环形振荡器101包括以环形配置连接的第一多个逻辑门。在环形配置中，多个逻辑门中除了最后一个逻辑门之外的每个逻辑门的输出被用作多个逻辑门中的下一个逻辑门的输入。多个逻辑门中的最后一个逻辑门的输出被反馈至多个逻辑门中的第一个逻辑门并用作该第一个逻辑门的输入。在方框301，该方法包括使用第二多个逻辑门102产生受控量的热量以实现加热器103。在方框302，该方法包括使用第二多个逻辑门102测量环形振荡器的温度以实现温度传感器。在方框303，该方法包括在环形振荡器启动和运行期间或之后，控制加热器仅加热环形振荡器直到环形振荡器的温度是多个预定义温度中的一个。
该部分描述本公开的系统和方法的其他方面和特征，其作为一系列段落而非限制地呈现，其中的一些或全部可以为了清楚和效率而在字母数字上指定。
A1.一种集成电路系统(100)，包括：环形振荡器(101)，包括以环形配置连接的第一多个逻辑门，其中，多个逻辑门中除了最后一个逻辑门之外的每个逻辑门的输出被用作多个逻辑门中的下一个逻辑门的输入，多个逻辑门中的最后一个逻辑门的输出被反馈至多个逻辑门中的第一个逻辑门并用作该第一个逻辑门的输入；第二多个逻辑门(102)，被配置为实现加热器(103)，加热器(103)被配置为产生受控量的热量，第二多个逻辑门还被配置为实现温度传感器(104)，温度传感器(104)被配置为测量环形振荡器的温度；一个或多个逻辑电路(105、106)，耦接到加热器和温度传感器，并且被配置为在环形振荡器被配置为启动和运行期间或之后，控制加热器仅加热环形振荡器直到环形振荡器的温度是多个预定义温度中的一个。
A2.根据段落A1的集成电路系统(100)，其中，第二多个逻辑门(102)被配置为实现作为加热器(103)的第二环形振荡器，并且其中，一个或多个逻辑电路(105、106)被配置为控制加热器包括被配置为切换可调数量的第二多个逻辑门以使第二环形振荡器产生可调节的热量从而加热环形振荡器(101)。
A3.根据段落A1的集成电路系统(100)，其中，第二多个逻辑门(102)包括串联连接的多个与非(NAND)门(210)并且被配置为实现加热器，多个与非门中的第一个的输入(215)被配置为接收时钟信号，并且其中，一个或多个逻辑电路(105、106)被配置为控制加热器包括被配置为切换可调数量的多个与非门以使多个与非门产生可调节的热量从而加热环形振荡器(101)。
A4.根据段落A1的集成电路系统(100)，其中，一个或多个逻辑电路(105、106)还被配置为使环形振荡器(101)启动和运行，从而在环形振荡器在可运行模式下运行之前产生热量作为来自加热器(103)的热量的补充。
A5.根据段落A1的集成电路系统(100)，其中，第二多个逻辑门(102)被配置为实现作为温度传感器(104)的另一个环形振荡器，并且其中，温度传感器被配置为测量环形振荡器(101)的温度包括被配置为基于另一个环形振荡器的振荡频率测量另一个环形振荡器的温度，以及另一个环形振荡器的振荡频率与另一个环形振荡器的温度之间的已知关系，环形振荡器的温度被解释为另一个环形振荡器的温度。
A6.根据段落A5的集成电路系统(100)，其中，另一个环形振荡器的振荡频率与另一个环形振荡器的温度之间的已知关系被定义在指示用于多个预定义温度中的每个的温度传感器的相应振荡频率的数据中。
A7.根据段落A1的集成电路系统(100)，其中，第二多个逻辑门(102)被配置为实现作为加热器(103)的第二环形振荡器，以及作为温度传感器(104)的另一个环形振荡器，
其中，一个或多个逻辑电路(105、106)被配置为控制加热器包括被配置为切换可调数量的第二多个逻辑门以使第二环形振荡器产生可调节的热量从而加热环形振荡器(101)，并且
其中，温度传感器被配置为测量环形振荡器的温度包括被配置为基于另一个环形振荡器的振荡频率测量另一个环形振荡器的温度，以及另一个环形振荡器的振荡频率与另一个环形振荡器的温度之间的已知关系，环形振荡器的温度被解释为另一个环形振荡器的温度。
A8.根据段落A1的集成电路系统(100)，其中，第二多个逻辑门(102)被配置为实现多个环形振荡器，多个环形振荡器彼此耦接并且被配置为实现温度传感器(104)，并且其中，温度传感器被配置为测量环形振荡器(101)的温度包括被配置为基于多个环形振荡器的振荡频率测量多个环形振荡器的温度，以及多个环形振荡器的振荡频率和温度之间的已知关系，环形振荡器的温度来自多个环形振荡器的温度。
A9.根据段落A1的集成电路系统(100)，其中，环形振荡器(101)是温度传感器(104)，并且其中，温度传感器被配置为测量环形振荡器的温度包括被配置为基于环形振荡器的振荡频率测量环形振荡器的温度，以及环形振荡器的振荡频率与环形振荡器的温度之间的已知关系。
A10.根据段落A1的集成电路系统(100)，其中，环形振荡器(101)被配置为以多个预定振荡频率中的一个运行，并且其中，多个预定义温度包括用于多个预定振荡频率中的每一个的相应温度。
B11.一种由集成电路系统(100)实现的方法(300)，集成电路系统包括环形振荡器(101)，环形振荡器(101)包括以环形配置连接的第一多个逻辑门，其中，多个逻辑门中除了最后一个逻辑门之外的每个逻辑门的输出被用作多个逻辑门中的下一个逻辑门的输入，多个逻辑门中的最后一个逻辑门的输出被反馈至多个逻辑门中的第一个逻辑门并用作该第一个逻辑门的输入，该方法包括：使用第二多个逻辑门(102)产生(301)受控量的热量以实现加热器(103)；使用第二多个逻辑门测量(302)环形振荡器的温度以实现温度传感器(104)；以及在环形振荡器启动和运行期间或之后，控制(303)加热器仅加热环形振荡器直到环形振荡器的温度是多个预定义温度中的一个。
B12.根据段落B11的方法(300)，其中，使用第二多个逻辑门(102)来实现加热器(103)包括使用第二多个逻辑门来实现作为加热器的第二环形振荡器，并且
其中，控制加热器包括切换可调数量的第二多个逻辑门以使第二环形振荡器产生可调节的热量从而加热环形振荡器(101)。
B13.根据段落B11的方法(300)，其中，第二多个逻辑门(102)包括串联连接的多个与非(NAND)门(210)，并且使用第二多个逻辑门来实现加热器(103)包括使用多个与非门来实现加热器，其中，多个与非门中的第一个与非门的输入(215)接收时钟信号，并且其中，控制加热器包括切换可调数量的多个与非门以使多个与非门产生可调节的热量从而加热环形振荡器(101)。
B14.根据段落B11的方法(300)，还包括使环形振荡器(101)启动和运行，从而在环形振荡器在可运行模式下运行之前产生热量作为来自加热器(103)的热量的补充。
B15.根据段落B11的方法(300)，其中，使用第二多个逻辑门(102)来实现温度传感器(104)包括使用第二多个逻辑门来实现作为温度传感器的另一个环形振荡器，并且其中，测量环形振荡器(101)的温度包括基于另一个环形振荡器的振荡频率测量另一个环形振荡器的温度，以及另一个环形振荡器的振荡频率与另一个环形振荡器的温度之间的已知关系，环形振荡器的温度被解释为另一个环形振荡器的温度。
B16.根据段落B15的方法(300)，其中，另一个环形振荡器的振荡频率与另一个环形振荡器的温度之间的已知关系被定义在指示用于多个预定义温度中的每个的温度传感器的相应振荡频率的数据中。
B17.根据段落B11的方法(300)，其中，使用第二多个逻辑门(102)来实现加热器(103)包括使用第二多个逻辑门来实现作为加热器的第二环形振荡器，并且使用第二多个逻辑门来实现温度传感器(104)包括使用第二多个逻辑门来实现作为温度传感器的另一个环形振荡器，其中，控制加热器包括切换可调数量的第二多个逻辑门以使得第二环形振荡器产生可调节的热量，从而加热环形振荡器(101)，并且其中，测量环形振荡器的温度包括基于另一个环形振荡器的振荡频率测量另一个环形振荡器的温度，以及另一个环形振荡器的振荡频率与另一个环形振荡器的温度之间的已知关系，环形振荡器的温度被解释为另一个环形振荡器的温度。
B18.根据段落B11的方法(300)，其中，使用第二多个逻辑门(102)来实现温度传感器(104)包括使用第二多个逻辑门来实现作为温度传感器的彼此耦接的多个环形振荡器，并且其中，测量环形振荡器(101)的温度包括基于多个环形振荡器的振荡频率测量多个环形振荡器的温度，以及多个环形振荡器的振荡频率与的温度之间的已知关系，环形振荡器的温度来自多个环形振荡器的温度。
B19.根据段落B11的方法(300)，其中，环形振荡器(101)是温度传感器(104)，并且其中，测量环形振荡器的温度包括基于环形振荡器的振荡频率测量环形振荡器的温度，以及环形振荡器的振荡频率和环形振荡器的温度之间的已知关系。
B20.根据段落B11的方法(300)，其中，环形振荡器(101)以多个预定振荡频率中的一个运行，并且其中，多个预定义温度包括多个预定振荡频率中的每一个的相应温度。
本公开所属领域的技术人员将想到本文所阐述的本公开的许多修改和其他实施方式，其具有前述描述和相关附图中呈现的教导的益处。因此，应该理解，本公开不限于所公开的具体实施方式，并且修改和其他实施方式旨在包括在所附权利要求的范围内。此外，尽管前面的描述和相关附图描述元件和/或功能的某些示例组合的上下文中的示例实施方式，但是应当理解，可以通过替代实施方式来提供元件和/或功能的不同组合而不脱离所附权利要求的范围。在这方面，例如，也可以预期不同于上面明确描述的元件和/或功能的元件和/或功能的不同组合，如可以在一些所附权利要求中阐述的。尽管本文采用特定术语，但它们仅用于一般性和描述性意义，而不是用于限制的目的。

Claims (15)

1.一种集成电路系统(100)，包括：
环形振荡器(101)，包括以环形配置连接的第一多个逻辑门，其中，所述第一多个逻辑门中除了最后一个逻辑门之外的每个逻辑门的输出被用作所述多个逻辑门中的下一个逻辑门的输入，所述第一多个逻辑门中的最后一个逻辑门的输出被反馈至所述第一多个逻辑门中的第一个逻辑门并用作该第一个逻辑门的输入；
第二多个逻辑门(102)，被配置为实现加热器(103)，所述加热器(103)被配置为产生受控量的热量，所述第二多个逻辑门还被配置为实现温度传感器(104)，所述温度传感器(104)被配置为测量所述环形振荡器的温度；以及
一个或多个逻辑电路(105、106)，耦接到所述加热器和所述温度传感器，并且被配置为在所述环形振荡器被配置为启动和运行期间或之后，控制所述加热器仅加热所述环形振荡器直到所述环形振荡器的温度是多个预定义温度中的一个。
2.根据权利要求1所述的集成电路系统(100)，其中，所述第二多个逻辑门(102)被配置为实现作为所述加热器(103)的第二环形振荡器，并且
其中，所述一个或多个逻辑电路(105、106)被配置为控制所述加热器包括所述一个或多个逻辑电路被配置为切换可调数量的所述第二多个逻辑门以使所述第二环形振荡器产生可调节的热量从而加热所述环形振荡器(101)。
3.根据权利要求1所述的集成电路系统(100)，其中，所述第二多个逻辑门(102)包括串联连接的多个与非门(210)并且被配置为实现所述加热器，所述多个与非门中的第一个与非门的输入(215)被配置为接收时钟信号，并且
其中，所述一个或多个逻辑电路(105、106)被配置为控制所述加热器包括所述一个或多个逻辑电路被配置为切换可调数量的所述多个与非门以使所述多个与非门产生可调节的热量从而加热所述环形振荡器(101)。
4.根据权利要求1所述的集成电路系统(100)，其中，所述一个或多个逻辑电路(105、106)还被配置为使所述环形振荡器(101)启动和运行，从而在所述环形振荡器在可运行模式下运行之前产生热量作为来自所述加热器(103)的热量的补充。
5.根据权利要求1所述的集成电路系统(100)，其中，所述第二多个逻辑门(102)被配置为实现作为所述温度传感器(104)的另一个环形振荡器，并且
其中，所述温度传感器被配置为测量所述环形振荡器(101)的所述温度包括所述温度传感器被配置为基于所述另一个环形振荡器的振荡频率测量所述另一个环形振荡器的温度，以及所述另一个环形振荡器的所述振荡频率与所述另一个环形振荡器的所述温度之间的已知关系，所述环形振荡器的所述温度被解释为所述另一个环形振荡器的所述温度。
6.根据权利要求5所述的集成电路系统(100)，其中，所述另一个环形振荡器的所述振荡频率与所述另一个环形振荡器的所述温度之间的所述已知关系被定义在指示用于所述多个预定义温度中的每个温度的所述温度传感器的相应振荡频率的数据中。
7.根据权利要求1所述的集成电路系统(100)，其中，所述第二多个逻辑门(102)被配置为实现作为所述加热器(103)的第二环形振荡器，以及作为所述温度传感器(104)的另一个环形振荡器，
其中，所述一个或多个逻辑电路(105、106)被配置为控制所述加热器包括所述一个或多个逻辑电路被配置为切换可调数量的所述第二多个逻辑门以使所述第二环形振荡器产生可调节的热量从而加热所述环形振荡器(101)，并且
其中，所述温度传感器被配置为测量所述环形振荡器的所述温度包括所述温度传感器被配置为基于所述另一个环形振荡器的振荡频率测量所述另一个环形振荡器的温度，以及所述另一个环形振荡器的所述振荡频率与所述另一个环形振荡器的所述温度之间的已知关系，所述环形振荡器的所述温度被解释为所述另一个环形振荡器的所述温度。
8.根据权利要求1所述的集成电路系统(100)，其中，所述第二多个逻辑门(102)被配置为实现彼此耦接并且被配置为实现所述温度传感器(104)的多个环形振荡器，并且
其中，所述温度传感器被配置为测量所述环形振荡器(101)的所述温度包括所述温度传感器被配置为基于多个所述环形振荡器的振荡频率测量多个所述环形振荡器的温度，以及多个所述环形振荡器的所述振荡频率和所述温度之间的已知关系，所述环形振荡器的所述温度来自多个所述环形振荡器的所述温度。
9.根据权利要求1所述的集成电路系统(100)，其中，所述环形振荡器(101)是所述温度传感器(104)，并且其中，所述温度传感器被配置为测量所述环形振荡器的所述温度包括所述温度传感器被配置为基于所述环形振荡器的振荡频率测量所述环形振荡器的所述温度，以及所述环形振荡器的所述振荡频率与所述环形振荡器的所述温度之间的已知关系。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的集成电路系统(100)，其中，所述环形振荡器(101)被配置为以多个预定义振荡频率中的一个运行，并且其中，所述多个预定义温度包括用于所述多个预定振荡频率中的每一个的相应温度。
11.一种由权利要求1-10中任一项所述的集成电路系统(100)实现的方法(300)，所述集成电路系统包括环形振荡器(101)，所述环形振荡器(101)包括以环形配置连接的第一多个逻辑门，其中，所述第一多个逻辑门中除了最后一个逻辑门之外的每个逻辑门的输出被用作所述第一多个逻辑门中的下一个逻辑门的输入，所述第一多个逻辑门中的最后一个逻辑门的输出被反馈至所述第一多个逻辑门中的第一个逻辑门并用作该第一个逻辑门的输入，所述方法包括：
使用第二多个逻辑门(102)产生(301)受控量的热量以实现加热器(103)；
使用所述第二多个逻辑门测量(302)所述环形振荡器的温度以实现温度传感器(104)；以及
在所述环形振荡器启动和运行期间或之后，控制(303)所述加热器仅加热所述环形振荡器直到所述环形振荡器的所述温度是多个预定义温度中的一个。
12.根据权利要求11所述的方法(300)，其中，使用所述第二多个逻辑门(102)来实现所述加热器(103)包括使用所述第二多个逻辑门来实现作为所述加热器的第二环形振荡器，并且
其中，控制所述加热器包括切换可调数量的所述第二多个逻辑门以使所述第二环形振荡器产生可调节的热量从而加热所述环形振荡器(101)。
13.根据权利要求11所述的方法(300)，其中，所述第二多个逻辑门(102)包括串联连接的多个与非门(210)，并且使用所述第二多个逻辑门来实现所述加热器(103)包括使用所述多个与非门来实现所述加热器，其中，所述多个与非门中的第一个与非门的输入(215)接收时钟信号，并且
其中，控制所述加热器包括切换可调数量的所述多个与非门以使所述多个与非门产生可调节的热量从而加热所述环形振荡器(101)。
14.根据权利要求11所述的方法(300)，还包括使所述环形振荡器(101)启动和运行，从而在所述环形振荡器在可运行模式下运行之前产生热量作为来自所述加热器(103)的热量的补充。
15.根据权利要求11所述的方法(300)，其中，使用所述第二多个逻辑门(102)来实现所述温度传感器(104)包括使用所述第二多个逻辑门来实现作为所述温度传感器的另一个环形振荡器，并且
其中，测量所述环形振荡器(101)的所述温度包括基于所述另一个环形振荡器的振荡频率测量所述另一个环形振荡器的温度，以及所述另一个环形振荡器的所述振荡频率与所述另一个环形振荡器的所述温度之间的已知关系，所述环形振荡器的所述温度被解释为另一个所述环形振荡器的所述温度。
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