CN114020548A - 远程集成电路系统老化监测方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种远程集成电路系统老化监测方法和系统。存储器在读写过程中，物理特性会发生变化，经过长时间的充放电过后，电压电流等数据便会达到一种可观测程度的变化，本发明将这些数据采集之后我们首先将它存储到存储器中，再通过无线传输系统以非接触形式传输出去，由接收端接收后进行数据处理，利用这种变化就能实现对硬件老化的监测。通过检测传输出来数据中“1”或“0”电位的数量，就可以判断出芯片的老化水平，初始的芯片的“1”与“0”的分布大致在1：1，经过一段时间的使用过后，逐渐偏离50％,偏离的越多使用时间就越长，利用这一特性建立函数关系，从而对芯片的使用寿命进行检测。
Description
技术领域
本发明属于硬件安全领域，涉及一种远程集成电路系统老化监测方法和系统，可以对集成电路进行远程持续监测。
背景技术
硬件使用过程中，存储器的使用是不可避免的。目前已有的检测方法主要是通过安装片上老化监控器，然而此类技术缺点较明显，首先是成本问题，其次在旧集成电路回收时较困难。现有技术中也有报道通过物理检测方法来解决老化监测问题，比如物理剖析法，旁路检测法，但这些检测方法同样存在问题，例如物理检测法会对硬件造成不可逆的伤害，而旁路检测法消耗的时间较长且需要专业设备。
在存储器重复的读写过程中，存储器的物理特性会发生变化。这种变化在初期可能不明显，但是经过长时间的充放电过后，电压电流等数据便会达到一种可观测程度的变化。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种远程集成电路老化监测方法和系统。本发明将存储器物理特性变化数据采集之后首先将它存储到存储器中，再通过无线传输系统以非接触形式传输出去，由接收端接收后进行数据处理，利用这种变化就能实现对硬件老化的监测。
本发明的技术方案如下：
本发明一方面提供了一种远程集成电路系统老化监测方法，其包括如下步骤：
待测集成电路芯片上电，获取其上各静态随机存取存储器(SRAM)的电平数据并存储；
存储的电平数据通过无线传输由接收端接收，接收端通过检测电平数据中“1”电位或“0”电位的数量，得到芯片的老化水平。
进一步的，所述的通过检测电平数据中“1”电位或“0”电位的数量，得到芯片的老化水平，具体为：将得到的“1”或“0”电位的数量，与相同芯片对应电位含量-时间变化关系比较，得到待测芯片的老化水平。
更进一步的，所述的对应电位含量-时间变化关系，由预先对多个新的同型号芯片进行老化测试，获取每个芯片老化时间与对应电位的含量关系，并进行数据拟合得到。
更进一步的，所述的老化测试具体为：
在芯片老化过程中选择若干老化测试时间点，在每个测试时间点，测量当前芯片上电后“1”或“0”电位的百分比N次，绘制测量结果的分布，获取并记录分布的测量误差δ，获取老化时间与对应电位的含量关系，进行数据拟合得到该型号芯片对应电位的含量-时间变化关系。
优选的，所述的待测集成电路芯片可以为FPGA、树莓派、电脑主板，手机主板等带有静态存储器的集成电路芯片。
本发明另一方面提供了一种远程集成电路老化监测系统，其包括：
无线接收模块，其用于远程获取待测集成电路芯片上电后各静态随机存取存储器的电平数据；
数据处理模块，其检测无线通信模块获取的电平数据中“1”电位或“0”电位的数量，并将检测结果与预存的同型号芯片的电位含量-时间变化关系比较，得到芯片的老化水平。
优选的，对于不具备无线通信功能的待测集成电路芯片，本发明的系统还包括设置在待测集成电路芯片上的无线传输模块，其与所述无线接收模块无线通信实现数据传输。
本发明无需对硬件进行物理分析就可实现监测，且监测可以是实时的，非接触式的，无需任何检测仪器设备，只需要一个接收设备远程接收数据，并使用计算机进行处理就可得出硬件老化的数据。
附图说明
图1为静态随机存取存储器单元示意图；
图2为电平数据获取及建立函数对应关系的流程图；
图3为SRAM的1电平含量-时间变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本发明提供的远程集成电路系统老化监测方法，其包括如下步骤：
待测集成电路芯片上电，获取其上各静态随机存取存储器(SRAM)的电平数据并存储；
存储的电平数据通过无线传输由接收端接收，接收端通过检测电平数据中“1”电位或“0”电位的数量，得到芯片的老化水平。在本实施例中，所述的通过检测电平数据中“1”电位或“0”电位的数量，得到芯片的老化水平，具体为：将得到的“1”或“0”电位的数量，与相同芯片对应电位含量-时间变化关系比较，得到待测芯片的老化水平。其中，所述的对应电位含量-时间变化关系，由预先对多个新的同型号芯片进行老化测试，获取每个芯片老化时间与对应电位的含量关系，并进行数据拟合得到。
在本发明一个可选的实施例中，所述的老化测试具体为：
在芯片老化过程中选择若干老化测试时间点，在每个测试时间点，测量当前芯片上电后“1”或“0”电位的百分比N次，绘制测量结果的分布，获取并记录分布的测量误差δ，获取老化时间与对应电位的含量关系，进行数据拟合得到该型号芯片对应电位的含量-时间变化关系。
本发明方法的实现主要利用了静态随机存取存储器的两个关键特性：
1、单个静态随机存取存储器单元被设计成在布局上完全对称(以便最大化噪声容限)
2、由随机制造变化引入的任何偏置可以以相等的概率在任一方向上，即由工艺变化引起的存储单元中的任何不平衡都会导致该单元被偏置为以0或1逻辑状态加电的可能性相等。
由于静态随机存取存储器单元晶体管阈值电压因偏置温度不稳定性(BTI)而发生不对称偏移，50％的数字会随着时间的推移而降低，从而使单元上电偏置发生变化。在本文的方法中，对回收集成电路的检测是基于当使用静态随机存取存储器时，上电状态下1和0的百分比的不可避免的偏移。
静态随机存取存储器单元的上电状态取决于金属氧化物半导体晶体管的阈值电压。一个静态随机存取存储器阵列由多个静态随机存取存储器单元组成，每个单元由六个晶体管组成，如图1所示
借助图1，可以更详细地看到晶体管阈值电压对静态随机存取存储器单元上电行为的影响。静态随机存取存储器单元基本上是两个环形连接的反相器。一个逆变器的输出连接到BL。同样，第二个逆变器连接到
四个晶体管(M1、M2、M3和M4)组成一个双稳态锁存器来存储1位数据。BL和
通过M5和M6晶体管提供对锁存器的访问。
当静态随机存取存储器阵列上电时，最初每个单独的存储单元随机获取逻辑0或逻辑1值。在设计过程中，每对匹配的金属氧化物半导体晶体管(图1中的M1-M3、M2-M4和M5-M6)都经过设计，完全相同，包括所有与布局相关的寄生元件。静态随机存取存储器单元中的存储器锁存器的完美对称最大化了操作期间的噪声容限。因此，理想情况下，每个静态随机存取存储器单元在上电时应该有50％的机会被赋予逻辑0的电平或逻辑1的电平，实际值由随机无偏噪声决定。
每个金属氧化物半导体场效应晶体管。PMOS和NMOS晶体管对中的Vth差异可以导致相同方向或相反方向的单元偏置。净不平衡决定了上电时偏置为1或0。晶体管对中更大的净不平衡导致更偏斜的静态随机存取存储器单元。如果净Vth差异很小，上电值可能仍然有些随机，偏向0或1。另一方面，对于相对较大的净Vth不平衡，上电状态将是稳定的，并且在多个上电周期内总是相同的。
通过在节点1(反相器1的输出)和节点2(反相器2的输出)分别添加两个集总电容C1和C2来模拟输出节点电容。晶体管(M5和M6)对上电状态的影响可以忽略不计，因为它们在上电期间保持关闭。在设计阶段，所有晶体管都是平衡的，因此M1-M2和M3-M4具有相同的参数，两个逆变器的所有寄生效应都相同。
由上述知识我们可以得到，在全新的静态随机存储器上电过后，存储器中的逻辑0的电平或逻辑1的电平的分布大致为50％。这时候我们考虑到偏置温度不稳定性(BTI)这一晶体管特性，逻辑0电位的占比会随着时间的推移而降低，逻辑1电位的占比会随着时间的推移而升高，在传统技术中，这通常会影响作为负BTI效应的PMOS晶体管(这里的讨论同样适用于PBTI，NMOS晶体管在某些技术上也经历了这种情况)。请注意，在任意持续时间的工作寿命期间，实际上不可能让存储器中的每个单个单元在完全相同的总时间内存储1和0逻辑值，从而在使用中始终保持其初始偏置。存储时间的任何不平衡都会导致NBTI老化导致单元中晶体管阈值电压的不对称偏移，从而导致单元上电偏置的变化。许多静态随机存取存储器，比如Xilinx FPGAs中的块随机存取存储器(BRAMs)的芯片工作模式是在每次初始化时将静态存储器中的逻辑状态全部置0，这样的工作模式使得静态存储器的逻辑电位0与1的数量占比发生显著变化，偏离初始的50％分布，这再次增加了存储单元在0状态下受应力的时间比例。
在本发明中对回收集成电路的检测是基于当使用静态随机存取存储器时，上电状态下1和0的百分比的不可避免的偏移。与50％偏移的数值大小可以与使用时间有一个函数值的对应关系，这里的对应关系不是函数映射关系，而是一个阈值门限对应关系，通过实验得出这样的对应关系之后,我们就可以通过采集硬件芯片的SRAM的逻辑电平状态得到芯片的对应使用寿命，并以此判断芯片是否可以继续使用。
在本发明的一个实施例中，提供了一种远程集成电路老化监测系统，其包括无线接收模块和数据处理模块。其中无线接收模块，其用于远程获取待测集成电路芯片上电后各静态随机存取存储器的电平数据；数据处理模块，其检测无线通信模块获取的电平数据中“1”电位或“0”电位的数量，并将检测结果与预存的同型号芯片的电位含量-时间变化关系比较，得到芯片的老化水平。
上述系统适用于具备无线模块的集成电路芯片，对于不具备无线通信功能的待测集成电路芯片，本发明的系统还包括设置在待测集成电路芯片上的无线传输模块，其与所述无线接收模块无线通信实现数据传输。
由于FPGA具有低功耗、集成度高、开发周期短、低成本、高性能等优点。因此本系统选用ATK-ESP8266模块，ATK-ESP8266是ALIENTEK推出的一款高性能的UART-WiFi(串口-无线WIFI)模块，ATK-ESP8266模块采用串口(LVTTL)与MCU(或其他串口设备)通信，内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与WIFI之间的转换。
通过ATK-ESP8266模块，传统的串口设备只是需要简单的串口配置，即可通过网络(WIFI)传输自己的数据。ATK-ESP8266模块支持LVTTL串口，兼容3.3V和5V单片机系统，可以很方便的与硬件进行连接。模块支持串口转WIFI STA、串口转AP和WIFI STA+WIFI AP的模式，从而快速构建串口-WIFI数据传输方案，方便硬件与接收设备进行数据传输。
在进行本发明的方法进行老化监测之前，需要与待测芯片相同型号的芯片“0”或“1”电位含量-时间变化关系，本实施例以获取“1”电位含量-时间变化关系为例，进行说明。图2说明了建议函数关系阶段，采集了数据之后建立函数对应关系的流程图。由于噪声会影响静态随机存取存储器的上电状态，因此建立函数阶段需要多次测量(本实施例选择100次)减少随机噪声干扰，在实际测量阶段，只需获取一次待测集成电路系统电平数据即可完成老化检测。图2所示测量过程描述如下:
第一步:在给芯片上电后记录SRAM的上电次数；
第二步:测量SRAM中电平状态为1的百分比；
第三步:第一步和第二步重复N次(本产品取N＝100)。我们执行100次加电来绘制分布；
第四步:进行数据分析以测量分布的δ。我们可以选择3σ作为测量误差δ，并记录这个值以备将来使用。
进一步，对多个芯片重复该过程，以准确测量噪声的影响。
接下来进行数据的函数拟合，在每个新的重复实验开始时，必须使用新的静态随机存取存储器芯片，以确保1和0的初始分布为50％。
图3显示了微芯片23A640存储器芯片在通电状态下的1电平含量变化曲线。从图中我们可以看出，一旦芯片老化，含量迅速发生变化。由于偏置温度不稳定性(BTI)导致静态随机存取存储器单元中晶体管的Vth不对称偏移，初始参考值(在上电状态下约为1的50％)随时间偏移。我们分析了四个微芯片静态随机存储器(两个23A640和两个23K640)，以可靠地评估这一转变。该图上的每个点在％1s分布的平均值(μ)上以3σ为界。μ和σ值是在上电状态的100次测量中计算出来的衰老的每一天过后。老化一天后％1s分布的平均值在2％左右变化。在衰老的早期，平均值加速变化。经过一周的老化，可以观察到所有静态随机存取存储器芯片的偏移约为4％。同时还观察到，一旦芯片老化，标准差会略有增加。然而，这3σ值远小于μ值的变化。而且可以明显的看出，该变化与时间呈现明显的函数对应关系，将SRAM的1分布数据采集整理后使用MATLAB软件，CFTOOL工具将函数关系进行拟合，注意这里的函数关系是一个大致的拟合关系，更准确的说是一种门限阈值关系，在本产品应用的时候，就可以通过门限判断得到芯片的大致使用时间以确保芯片的使用安全。
由于新冠疫情的影响，对于非接触式检测的需求逐渐增大，对此本发明主要通过监测硬件存储器的使用状态来实现老化监测，已知硬件使用过程中，存储器的使用是不可避免的，那么在重复的读写过程中，存储器的物理特性会发生变化。这种变化在初期可能不明显，但是经过长时间的充放电过后，电压电流等数据便会达到一种可观测程度的变化，将这些数据采集之后我们首先将它存储到存储器中，再通过无线传输系统以非接触形式传输出去，由接收端接收后进行数据处理，我们利用这种变化就能实现对硬件老化的监测。通过检测传输出来数据中“1”电位的数量，就可以判断出芯片的老化水平，初始的芯片的“1”与“0”的分布大致在1：1，经过一段时间的使用过后，逐渐偏离50％,偏离的越多使用时间就越长，利用这一特性建立函数关系，从而对芯片的使用寿命进行检测。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种远程集成电路系统老化监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
待测集成电路芯片上电，获取其上各静态随机存取存储器的电平数据并存储；
存储的电平数据通过无线传输由接收端接收，接收端通过检测电平数据中“1”电位或“0”电位的数量，得到芯片的老化水平。
2.根据权利要求1所述的远程集成电路系统老化监测方法，其特征在于，所述的通过检测电平数据中“1”电位或“0”电位的数量，得到芯片的老化水平，具体为：将得到的“1”或“0”电位的数量，与相同芯片对应电位含量-时间变化关系比较，得到待测芯片的老化水平。
3.根据权利要求2所述的远程集成电路系统老化监测方法，其特征在于，所述的对应电位含量-时间变化关系，由预先对多个新的同型号芯片进行老化测试，获取每个芯片老化时间与对应电位的含量关系，并进行数据拟合得到。
4.根据权利要求3所述的远程集成电路系统老化监测方法，其特征在于，所述的老化测试具体为：
在芯片老化过程中选择若干老化测试时间点，在每个测试时间点，测量当前芯片上电后“1”或“0”电位的百分比N次，绘制测量结果的分布，获取并记录分布的测量误差δ，获取老化时间与对应电位的含量关系，进行数据拟合得到该型号芯片对应电位的含量-时间变化关系。
5.根据权利要求1-4所述的远程集成电路系统老化监测方法，其特征在于，所述的待测集成电路芯片为FPGA、树莓派、电脑主板或手机主板。
6.一种远程集成电路系统老化监测系统，其特征在于包括：
无线接收模块，其用于远程获取待测集成电路芯片上电后各静态随机存取存储器的电平数据；
数据处理模块，其检测无线通信模块获取的电平数据中“1”电位或“0”电位的数量，并将检测结果与预存的同型号芯片的电位含量-时间变化关系比较，得到芯片的老化水平。
7.根据权利要求6所述的远程集成电路系统老化监测系统，其特征在于还包括设置在待测集成电路芯片上的无线传输模块，其与所述无线接收模块无线通信实现数据传输。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114705973A (zh) * | 2022-06-01 | 2022-07-05 | 北京航空航天大学杭州创新研究院 | 非侵入式的复杂环境集成电路老化监测方法 |
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2021
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Cited By (2)
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| CN114705973A (zh) * | 2022-06-01 | 2022-07-05 | 北京航空航天大学杭州创新研究院 | 非侵入式的复杂环境集成电路老化监测方法 |
| CN114705973B (zh) * | 2022-06-01 | 2022-11-11 | 北京航空航天大学杭州创新研究院 | 非侵入式的复杂环境集成电路老化监测方法 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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