CN113552190A - 面向老化监测的传感器总成积分筛选系统及其筛选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向老化监测的传感器总成积分筛选系统及其筛选方法，传感器总成包括环境传感器、环形振荡器、压力生成器和计数器，面向老化监测的传感器总成积分筛选系统包括老化检测装置、数据传输装置和处理器，老化检测装置包括多个存储增量计算单元，多个存储增量计算单元的输入端分别与环境传感器、压力生成器和计数器的输出端对应连接，压力生成器的输出端还与环境传感器的输入端连接，温度筛选单元，温度筛选单元的输入端连接传感器总成，其输出端连接数据打包处理单元的输入端，数据打包处理单元，多个存储增量计算单元的输出端同时与数据打包处理单元的输入端连接，数据打包处理单元的输出端通过数据传输装置与处理器连接。

Description

面向老化监测的传感器总成积分筛选系统及其筛选方法

技术领域

本发明涉及传感器检测技术领域，具体涉及一种面向老化监测的传感器总成积分筛选系统及其筛选方法。

背景技术

集成电路中，随着晶体管工艺尺寸的不断降低，系统的可靠性问题变得日益突出，老化是影响集成电路可靠性的主要因素之一。很多老化机理，例如负偏置温度不稳定性(NBTI)、热载流子注入效应(HCI)、时间相关电介质击穿(TDDB)使集成电路在服役期内失效率随时间的推移而快速升高，对电路的使用寿命造成了严重影响，甚至会导致整个电路系统失效。特别是在高可靠性领域，像太空领域、飞机、动车等系统，一旦发生故障后果不堪设想，这些领域对集成电路老化造成的系统可靠性问题更为看重。为了监测集成电路中逻辑电路的老化状况，主要有以下几种老化监测技术：

A、原位传感器。采用的是直接测量方法，对被测电路的特征参数进行直接测量，传感器直接放置在被监测的关键路径中，能够直接测量被测电路的相关电路参数，例如关键路径的路径延迟、SRAM中的阈值电压等。

B、复制电路。使用一个被测电路中关键路径的复制电路，放置于被测电路旁边，但与被测电路隔离，通过测量复制电路在特定负载情况下的老化状况，推断得出被测电路的老化程度。

C、基于模型的监测。首先对电路的老化进行建模，在测量时通过测量电路的工作负载、电压、温度等间接因素，通过建立的模型对老化状态做出预测。

在基于模型的监测方法中，现有工作主要是利用仿真数据训练机器学习模型，在预测误差分析时也是用仿真数据验证，没有考虑电路实际的老化情况和温度、电压偏差。由于传感器的准确度以及实际实验环境的波动性，使得测量得到的数据存在一定范围的波动，如果波动较大的数据用于训练，将会极大地影响预测模型的准确性，且机器学习模型需要有大量准确的数据作为训练支撑，否则难以达到预期的预测准确率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向老化监测的传感器总成积分筛选系统及其筛选方法，以有效减少对老化检测后数据处理的复杂度，同时解决了检测得到的数据存在波动的问题，使获得的数据更准确，从而得到正确率更高的预测模型。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种面向老化监测的传感器总成积分筛选系统，所述传感器总成包括环境传感器、环形振荡器、压力生成器和计数器，所述面向老化监测的传感器总成积分筛选系统包括老化检测装置、数据传输装置和处理器，所述老化检测装置包括多个存储增量计算单元，多个所述存储增量计算单元的输入端分别与所述环境传感器、所述压力生成器和所述计数器的输出端对应连接，所述压力生成器的输出端还与所述环境传感器的输入端连接，温度筛选单元，所述温度筛选单元的输入端连接所述传感器总成，其输出端连接数据打包处理单元的输入端，数据打包处理单元，所述多个存储增量计算单元的输出端同时与所述数据打包处理单元的输入端连接，所述数据打包处理单元的输出端通过所述数据传输装置与所述处理器连接。

可选择地，多个所述存储增量计算单元包括差分计算子单元和多个累加器，所述多个累加器与所述环境传感器和所述压力生成器对应连接，所述差分计算子单元与所述计数器连接。

可选择地，所述差分计算子单元包括存储器和增量计算模块，所述存储器的输入端连接所述计数器的输出端，其输出端连接所述增量计算模块的输入端，所述增量计算模块的输出端连接所述数据打包处理单元。

可选择地，所述环境传感器包括温度子传感器和电压子传感器。

可选择地，所述数据传输装置为路由器。

可选择地，所述检测方法包括：

S1：获取当前传感器总成的输入信号相关信息；

S2：将所述输入信号相关信息同时传输至所述存储增量计算单元和所述温度筛选单元，分别得到初始数据包和使能信号；

S3：根据所述使能信号，对所述初始数据包进行筛选，得到数据包；

S4：将所述数据包进行分包处理，以得到输出信号；

S5：将所述输出信号通过所述数据传输装置传输至所述处理器。

可选择地，所述步骤S1中，所述输入信号相关信息包括：

压力参数、温度、电压以及计数器输出参数，其中，所述压力参数包括输入信号概率和输入信号翻转率。

可选择地，所述初始数据包包括每个累加器当前的数据，以及经过增量计算模块计算后得到的延迟增量数据。

可选择地，所述步骤S4中，对所述数据包进行分包处理包括：

S41：将所述数据包的数据包类型和传感器地址写人头微片；

S42：将所述数据包的输入信号相关信息数据写入体微片；

S43：将所述数据包的校验码写入尾微片；

S44：汇总所述步骤S41-S43的写入结果，得到所述输出信息。

本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的面向老化监测的传感器总成积分筛选系统及其筛选方法，考虑电路老化的累积效应，在数据读出阶段就进行累加(积分)计算，有效减少对老化检测后数据处理的复杂度，同时在数据读出阶段就使用温度筛选单元进行筛选，解决了检测得到的数据存在波动的问题，使获得的数据更准确，从而得到正确率更高的预测模型。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的面向老化监测的传感器总成积分筛选系统的内部结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的面向老化监测的传感器总成积分筛选系统的温度筛选器的筛选效果图；

图3为本发明实施例所提供的面向老化监测的传感器总成积分筛选系统的温度筛选单元的内部结构示意图；

图4为本发明实施例所提供的面向老化监测的传感器总成积分筛选系统的检测方法的流程图；

图5为图4中步骤S4的分步骤流程图。

图6为本发明实施例所提供的面向老化监测的传感器总成积分筛选系统的数据包的格式表示图；

图7为本发明实施例所提供的面向老化监测的传感器总成积分筛选系统的数据打包处理单元的结构示意图；

图8为本发明实施例所提供的面向老化监测的传感器总成积分筛选系统的数据打包处理单元的工作状态示意图。

附图标记说明

1-温度传感器；2-电压传感器；3-压力生成器；4-计数器；5-累加器；6-存储器；7-增量计算模块；8-温度筛选单元；9-数据打包处理单元；10-路由器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本发明提供一种面向老化监测的传感器总成积分筛选系统，所述传感器总成包括环境传感器、压力生成器3和计数器4，所述面向老化监测的传感器总成积分筛选系统包括老化检测装置、数据传输装置和处理器，所述老化检测装置包括多个存储增量计算单元，多个所述存储增量计算单元的输入端分别与所述环境传感器、所述压力生成器3和所述计数器4的输出端对应连接，所述压力生成器3的输出端还与所述环境传感器的输入端连接，温度筛选单元8，所述温度筛选单元8的输入端连接所述传感器总成，其输出端连接数据打包处理单元9的输入端，数据打包处理单元9，所述多个存储增量计算单元的输出端同时与所述数据打包处理单元9的输入端连接，所述数据打包处理单元9的输出端通过所述数据传输装置与所述处理器连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的面向老化监测的传感器总成积分筛选系统及其筛选方法，考虑电路老化的累积效应，在数据读出阶段就进行累加(积分)计算，有效减少对老化检测后数据处理的复杂度，同时在数据读出阶段就使用温度筛选单元8进行筛选，解决了检测得到的数据存在波动的问题，使获得的数据更准确，从而得到正确率更高的预测模型。

这里，温度筛选单元8包括温度筛选器，温度筛选器不断监控来自传感器总成的输入，如果输入温度满足筛选条件(即输入温度在温度窗的范围内)，如图2，用平行于时间轴的代表温度范围的温度窗进行筛选得到5个合适的时间节点测到的数据，之后筛选器会向数据打包处理单元9发出使能信号。此外，筛选单元的结构如图3所示，首先由系统总线传输的温度上下限值配置上下限寄存器作为比较器的一个输入，温度作为另一个输入，之后两个比较器的输出相与即可得到使能信号。

除此之外，由于温度的波动性，整个监控过程采样到的传感数据对应的温度分布并不一定非常均衡，在不知道温度具体分布的前提下设立温度窗很可能会导致最终筛选出来的数据量过小，从而导致模型精度下降。相反，如果温度窗的设置过大，则训练数据集内由于温度瞬时效应造成的误差过大，从而造成模型的精度下降。因此温度窗的设置需要通过大量的实验后进行确立。

可选择地，所述传感器总成还包括位于所述压力生成器3和所述计数器4之间的环形振荡器(图中未示出，下同)，所述环形振荡器的输入端连接所述压力生成器3的输出端，其输出端连接所述技术器的输入端。

具体地，温度传感器1和压力传感器均由高精度ADC构成，主要用于监控环形振荡器的工作温度和工作电压，同时由于环形振荡器采用一个计数器4，因此每个老化传感器会依次无间隔地进入测试状态，以确保测量的准确性。

此外，环境传感器用于对环形振荡器在压力周期时经历的温度、电压进行记录，以及环形振荡器压力周期时的压力参数进行记录，用于生成训练集的模型输入数据集(即温度、电压等值的积分数据的集合)。环形振荡器在压力周期时会受到固定的输入进行老化，在测试周期时能够通过测量电路对其路径延迟进行测量，因此环形振荡器用于生成训练集的模型输出数据集(即电路延迟数据的集合)环形振荡器的内部结构主要由多个延迟单元形成的延迟链组成，具有压力状态和测试状态两种状态，并由测试使能信号作为状态切换信号。

可选择地，为了考虑电路老化过程中的累积效应，温度、电压、压力参数在输入接口后都会经过累加器5进行不断的累加，实现积分过程，多个所述存储增量计算单元包括差分计算子单元和多个累加器5，所述多个累加器5与所述环境传感器和所述压力生成器3对应连接，所述差分计算子单元与所述计数器4连接。这里，在本发明中，多个累加器5与环境传感器中的温度传感器1和电压传感器2一一对应连接，而与压力生成器3之间的连接为多个累加器5同时与一个压力生成器3进行连接。

并且，传感器总成中的计数器4输出首先写入接口中的存储器6，并在写人的同时在增量计算模块7完成增量计算，所述差分计算子单元包括存储器6和增量计算模块7，所述存储器6的输入端连接所述计数器4的输出端，其输出端连接所述增量计算模块7的输入端，所述增量计算模块7的输出端连接所述数据打包处理单元9。由于需要依次对每一个环形振荡器进行计数，则会在每次计数后将计数数据发送至位于传感器接口的存储器6中存储，这里存储器6可以是任意存储器6，在本发明中，采用SRAM(静态随机存取存储器6)，这种存储器6只要保持通电，里面储存的数据就可以恒常保持。此外，为了降低数据量的时候，通常对SRAM的采样间隔会远远大于传感器总成的检测循环，因此在每一次环形振荡器完成检测后其计数数据都会将SRAM中对应的数据进行覆盖，也就是环形振荡器的测试独立于老化检测装置的采样。

可选择地，所述环境传感器包括温度子传感器和电压子传感器。

可选择地，所述数据传输装置为路由器10。

可选择地，参考图4所示，所述检测方法包括：

S1：获取当前传感器总成的输入信号相关信息；

S2：将所述输入信号相关信息同时传输至所述存储增量计算单元和所述温度筛选单元8，分别得到初始数据包和使能信号；

S3：根据所述使能信号，对所述初始数据包进行筛选，得到数据包；

S4：将所述数据包进行分包处理，以得到输出信号；

S5：将所述输出信号通过所述数据传输装置传输至所述处理器。

可选择地，所述步骤S1中，所述输入信号相关信息包括：

压力参数、温度、电压以及计数器4输出参数，其中，所述压力参数包括输入信号概率和输入信号翻转率。

可选择地，所述初始数据包包括每个累加器5当前的数据，以及经过增量计算模块7计算后得到的延迟增量数据。

可选择地，所述步骤S4中，参考图5所示，对所述数据包进行分包处理包括：

S41：将所述数据包的数据包类型和传感器地址写人头微片；

S42：将所述数据包的输入信号相关信息数据写入体微片；

S43：将所述数据包的校验码写入尾微片；

S44：汇总所述步骤S41-S43的写入结果，得到所述输出信息。

具体地，在数据打包处理单元9收到温度筛选器的使能信号后，将每个累加器5当前的数据以及经过增量计算的延迟增量数据按数据包的格式封装起来，数据包的格式如图6所示，头微片中主要是数据包类型和传感器地址，体微片中主要是传感器采集到的数据，尾微片中是校验码。这些所有的数据被放置于多个体微片中。最终，数据打包处理单元9将数据包发送至传输网络。数据打包处理单元9的整体结构如图7，虚框表示的是整个数据包，其中头微片、体微片和尾微片三个寄存器分别由状态机控制写入，写入完成之后一起经过缓存发送到路由器10。由于电路老化情况的量化指标是延迟增长率，因此延迟要经过计算之后才能存入体微片中，在数据打包完成之后通过buffer(缓冲)传到路由器10(router)。数据的写入由状态机控制，写入数据时会返回h_finish,b_finish,t_finish信号分别表示头、体、尾微片数据写入完成。

数据打包处理单元9的状态图如图8所示，共有空闲、头写入、体写入、尾写入4个状态，收到温度筛选模块的使能信号后进入头写入状态，头写入完成后h_finish信号有效，进入体写入状态，体写入完成后b_finish有效进入尾写入状态，尾写入完成之后t_finish有效回到空闲状态，打包完成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种面向老化监测的传感器总成积分筛选系统，其特征在于，所述传感器总成包括环境传感器、压力生成器和计数器，所述面向老化监测的传感器总成积分筛选系统包括老化检测装置、数据传输装置和处理器，所述老化检测装置包括：

多个存储增量计算单元，多个所述存储增量计算单元的输入端分别与所述环境传感器、所述压力生成器和所述计数器的输出端对应连接，所述压力生成器的输出端还与所述环境传感器的输入端连接；

温度筛选单元，所述温度筛选单元的输入端连接所述传感器总成，其输出端连接数据打包处理单元的输入端；

数据打包处理单元，所述多个存储增量计算单元的输出端同时与所述数据打包处理单元的输入端连接，所述数据打包处理单元的输出端通过所述数据传输装置与所述处理器连接。

2.根据权利要求1所述的面向老化监测的传感器总成积分筛选系统，其特征在于，多个所述存储增量计算单元包括差分计算子单元和多个累加器，所述多个累加器与所述环境传感器和所述压力生成器对应连接，所述差分计算子单元与所述计数器连接。

3.根据权利要求2所述的面向老化监测的传感器总成积分筛选系统，其特征在于，所述差分计算子单元包括存储器和增量计算模块，所述存储器的输入端连接所述计数器的输出端，其输出端连接所述增量计算模块的输入端，所述增量计算模块的输出端连接所述数据打包处理单元。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的面向老化监测的传感器总成积分筛选系统，其特征在于，所述环境传感器包括温度传感器和电压传感器。

5.根据权利要求1所述的面向老化监测的传感器总成积分筛选系统，其特征在于，所述数据传输装置为路由器。

6.一种基于权利要求1-5中任意一项所述的面向老化监测的传感器总成积分筛选系统的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：

S1：获取当前传感器总成的输入信号相关信息；

S2：将所述输入信号相关信息同时传输至所述存储增量计算单元和所述温度筛选单元，分别得到初始数据包和使能信号；

S3：根据所述使能信号，对所述初始数据包进行筛选，得到数据包；

S4：将所述数据包进行分包处理，得到输出信号；

S5：将所述输出信号通过所述数据传输装置传输至所述处理器，以完成对所述传感器总成的老化检测。

7.根据权利要求6所述的面向老化监测的传感器总成积分筛选系统的检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述输入信号相关信息包括：

压力参数、温度、电压以及计数器输出参数，其中，所述压力参数包括输入信号概率和输入信号翻转率。

8.根据权利要求6所述的面向老化监测的传感器总成积分筛选系统的检测方法，其特征在于，所述初始数据包包括每个累加器当前的数据，以及经过增量计算模块计算后得到的延迟增量数据。

9.根据权利要求6所述的面向老化监测的传感器总成积分筛选系统的检测方法，其特征在于，所述步骤S4中，对所述数据包进行分包处理包括：

S41：将所述数据包的数据包类型和传感器地址写入头微片；

S42：将所述数据包的输入信号相关信息数据写入体微片；

S43：将所述数据包的校验码写入尾微片；

S44：汇总所述步骤S41-S43的写入结果，得到所述输出信息。

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