JP2012113692A - 集積回路における電力消費を測定するための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】集積回路内の電力領域の電力消費を決定するための方法を提供する。
【解決手段】ローカル電源インピーダンス・プロファイルＺ（ｆ）を決定した後、ローカル時間分解電源電圧Ｕ（ｔ）を測定する。Ｕ（ｔ）を累算し、電圧スペクトルＵ（ｆ）を引き出すために周波数領域に変換される。対象電力領域の電源インピーダンス・プロファイルＺ（ｆ）をＩ（ｔ）＝Ｆ_ｆ ^−１｛Ｕ（ｆ）／Ｚ（ｆ）｝として使用し、Ｕ（ｆ）から電流スペクトルＩ（ｔ）が計算される。最後に、測定された電圧スペクトルＵ（ｔ）および計算された電流スペクトルＩ（ｔ）から、時間分解電力消費スペクトルＰ（ｔ）が決定される。対象電力領域内の電力消費が予想と一致するかどうかを検証するために、この電力消費Ｐ（ｔ）を基準（Ｐ_ｒｅｆ（ｔ））と比較する。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般に集積回路に関し、具体的に言えば、集積回路におけるローカル電力消費を測定するための方法およびシステムに関する。この方法は、電子回路設計内で使用すること、ならびに集積回路チップ内でセルフテストを実行するために使用することが可能である。

設計時および電子システムの動作中、電力消費は考慮すべき重要なパラメータである。一方で、「グリーンＩＴ」は電子システムの総エネルギー消費を最小限に抑えることを求めている。他方で、システムの過熱およびその結果の機能不全を防止する場合、電子システム内のローカル電力消費は考慮すべき不可欠な要素である。信頼できる機能を保証するために、システム内のローカル電力消費を査定し、結果としてローカルおよびグローバルの両方で適切な冷却を適用しなければならない。これは特に、電子コンポーネントが密接にパッケージングされ、動作時にかなりの電力を消費する可能性のある、高性能集積回路（ＩＣ）の場合にあてはまり、これらのタイプの電子製品は、システムの典型的なアクティビティ時の見込みローカル電力消費に従って慎重に設計、配置、および寸法決定される必要のある、冷却機能を必要とする。

高性能ＶＬＳＩ（超大規模集積）チップ設計では、システム動作中のいかなる時点においても適切なローカル冷却が提供できるように、すべてのコンポーネントを配置および間隔空けしなければならないため、電力消費は特に重要なパラメータである。したがって、たとえばパッケージング密度、エネルギー効率などを最適化するために、（ローカル）電力散逸あるいはローカル温度またはその両方に基づいた障害分析が、ますます重要となってきている。考慮の対象となっているＩＣが所望通りに動作することを保証するための努力において、ＩＣ内の（ローカル）電力散逸のモデルは、ＩＣ内の実際の電力分布およびその冷却が、ある設計要件を十分に満たすものであるかどうかを判別するためのモデル化用に合成および使用される。これらのモデルの妥当性は、設計内における実際の電力散逸の現実の（すなわち物理的）測定値を採用することによって、検証する必要がある。したがって、集積回路を備える電子システム内のローカル電力消費を正確に測定できること、および、システム設計の初期段階、好ましくは集積回路設計時に、見込み電力消費を推定できることが望ましい。

チップの特定のアクティビティおよび負荷状況に従った電力消費の検証には、全体または一部としての個々のＶＬＳＩ（超大規模集積）チップ／回路に関する信頼できる電力データを引き出す測定技法が必要である。その後、これらのデータは、予想されるシステム電力および冷却要件を検証するため、ならびに、あるシステム負荷状況に関する個々の電力消費を検証するモデル対ハードウェアに、使用することができる。この測定値は、システム環境における特定のハードウェア・アクティビティの実際の電力需要に関する情報を提供すべきであるという意味で、正確かつアクティビティに関係するものでなければならない。

電子システムの電力消費を測定する様々な方法が知られている。たとえば、ＩＣチップ内のローカル電力消費は、オンチップ温度センサを使用して推定することができる。これらのセンサは、チップ内の温度を測定することによって、電力消費の増加した領域、いわゆる「ホット・スポット」を検出することができる。しかしながら、温度センサの測定値は、実際のチップの電力消費の時間および場所平均を表すため、間接的なフィードバックのみを引き出すものであり、アクティビティ特有の時間分解データを提供することはできない。

電子回路の一部における時間領域の電圧Ｕおよび電流Ｉを同時に測定すること、ならびにＰ＝Ｕ^＊Ｉを計算することによって、電子回路のこの部分における電力消費を直接測定することができる。具体的に言えば、平均電力消費は、定常状態システム環境における特定のハードウェア動作中の平均電圧および平均電流の測定値に基づいて評価することができる。しかしながら、この準静的方法は電力消費の時間平均のみを引き出すものであり、モデル化およびシミュレートされた時間領域電力消費スペクトルを検証するために必要な、時間分解されたデータを提供することはできない。

電力消費の時間分解測定が必要な場合、適切な時間分解能を使用して電流および電圧を決定しなければならない。チップ動作中の時間分解オンチップ電圧測定値は最新であり、信頼できる結果を引き出すが、オンチップ電源電流測定値は、可能であれば電源パッチに系統的に影響を与えるため、本質的にエラーを起こしやすい。例として、ホール効果に基づく電流測定（すなわち、ＧＭＲセンサを使用する磁場の測定）は、一般に、考慮の対象となっている特定のチップ領域の空間範囲よりもかなり大きなスケールでの空間平均を引き出すことになる。

米国特許第７，１３８，８１５号は、電流不連続（ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ）時のオンチップ・テスト・ポイント間の電圧を測定することが可能な、オンチップ・セルフテスト・システムについて記載している。電流不連続は、第１の構成可能論理ブロックをオンにした後、電流波形を作成するために、選択された期間後に第２の構成可能論理ブロックをオンにすることによって、生成することができる。結果として生じる電圧および電流データは、チップのインピーダンス・プロファイルを評価するために使用できる。チップ内の異なる場所でインピーダンス・プロファイルを決定するための異なる方法は、米国特許第６，７６８，９５２号に記載されている。この方法では、チップは、実行された場合に定電流レベルを生成する異なるコードによって活動化される。その後、クロック周波数がトグルされ（ｔｏｇｇｌｅｄ）、周期電流波形が作成されて、結果として生じる電圧が測定される。インピーダンス・プロファイルは、測定された電圧のフーリエ変換および周期電流波形のフーリエ変換から算出される。

集積回路チップのインピーダンス・プロファイルを決定するためのオンチップ測定方法が使用可能であるが、これらはチップのローカル電力消費に関するデータは提供しない。したがって、電子回路の特定領域内で実行する特定のアクティビティと共に時間分解電力消費を決定するための、正確な方法が求められている。この方法は、電子回路設計時のモデル対ハードウェア検証に適用可能であるため、定量的な結果を引き出し、特定の改善をもたらすはずである。この方法は、電子回路内のセルフテスト機構の一部として使用するように適合されるため、高速で安価な製造テストならびに動作時の電力サニティ・チェックが実行可能である。

米国特許第７，１３８，８１５号 米国特許第６，７６８，９５２号

本発明の目的は、集積回路内の特定電力領域における時間分解電力消費を正確に決定するための、方法およびシステムを提供することである。具体的に言えば、この方法は、高周波数までのローカル電力消費プロファイルの高速かつ正確な査定が実行可能であるものとする。

これらの目的は、独立請求項の特徴によって達成される。他の請求項、図面、および明細は、本発明の有利な諸実施形態について開示している。

本発明の第１の態様によれば、集積回路内の電力領域における時間分解電力消費を決定するための方法が提供される。この方法は、（１）電力領域のローカル電源インピーダンス・プロファイルを決定するステップと、（２）電力領域特有の周期アクティビティを実行しながら、ローカル時間分解電源電圧を測定するステップと、（３）測定されたローカル電源電圧の周波数スペクトルを評価するステップと、（４）当該電圧プロファイルおよび当該インピーダンス・プロファイルから、関連付けられた電流スペクトルを計算するステップと、（５）当該電流スペクトルおよび測定された電圧スペクトルから電力消費スペクトルを決定するステップとを、含む。

本発明の第２の態様によれば、集積回路内の電力領域における電力消費を決定するためのシステムが提供される。このシステムは、（１）当該電力領域のローカル電源インピーダンス・プロファイルを格納するための手段と、（２）当該電力領域特有の周期アクティビティを実行するための、アクティビティ活性化（ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ）システムと、（３）当該領域のローカル電源電圧を測定するための電圧測定システムと、（４）電源電圧プロファイルを評価するため、ならびにインピーダンス・プロファイルおよび電圧プロファイルから電流スペクトルを計算するための、フーリエ変換システムと、（５）電力消費スペクトルを決定するための電力評価システムとを、備える。

このコンテキストでは、「電力領域」という用語は、電源に関して内蔵型であるチップ内または電気回路内の領域を示すために使用され、その電圧ＶＤＤおよびＧＮＤは電気回路内の他の領域の供給電圧と分離することができる。

本発明ならびに前述および他の目的および利点は、諸実施形態についての以下の詳細な説明から最もよく理解されるであろうが、これらの諸実施形態に限定されるものではない。

集積回路チップと、このチップ内の特定の電力領域内の特定アクティビティに関連付けられた電力消費を評価するためのシステムとを示す、概略平面図である。 このチップ内のローカル電力消費を評価するためのオンチップ・システムを備えた集積回路チップを示す、概略平面図である。 図１または図２の集積回路チップ内の特定アクティビティに関するローカル電力消費プロファイルを決定するための方法を示す、概略流れ図である。 図３の方法の好ましい実施形態を示す、概略流れ図である。 図１に示された電力領域のローカル電源インピーダンス・プロファイルを決定するための方法を示す、概略流れ図である。 ＯＮおよびＯＦＦが対称に切り換えられるクロック・アクティビティによるローカル電流消費を示す、概略図である。

図面では、同じ要素は同じ参照番号で表される。図面は単なる概略図であり、本発明の特定のパラメータを表現することを意図するものではない。さらに図面は、本発明の典型的な諸実施形態のみを示すように意図されており、本発明の範囲を限定するものとみなされるべきではない。

図１は、その電力消費特徴が時間（Ｐ（ｔ））の関数として評価される電力領域１２を備える、集積回路（ＩＣ）チップ１０の概略平面図を示す。以下では、「電力領域１２」という用語は、供給電圧が内蔵されたチップ１０の領域を通知するために使用され、これは、この特定の電力領域１２の供給電圧ＶＤＤおよびＧＮＤが、他の電力領域１２’、１２”の供給電圧ＶＤＤおよびＧＮＤから物理的に分離されていることを意味する。高性能チップ設計では、チップ１０を、個々の電源ＶＤＤ、ＧＮＤを備えた複数の電力領域１２、１２’、１２”に区分することが一般的な実施であり、この個々の電源は、それぞれの電力領域が使用されていない場合は必ずオフになるため、電力消費を節約し、チップ１０内の発熱を減少させることが可能である。異なる電力領域１２、１２’、１２”が異なる電力レベルで動作可能であるため、多彩な機能を１つのチップ１０に組み込むことができる。

一例として、電力領域１２は、チップ１０上に常駐する特定のハードウェア要素とすることができる。別の方法として、電力領域１２は、特定のソフトウェア機能が実行される場合に活動化される領域とすることが可能であり、たとえば電力領域１２はチップ１０の特定演算ユニットとすることができる。特定アクティビティは電力領域１２内で電力を消費させる一方で、領域１２’、１２”には影響を与えず、その逆もまた真であるという意味において、集積回路１０の異なる電力領域１２、１２’は互いに分離されていることに留意されたい。これは、電力消費に関する限り、電力領域１２、１２’、１２”は独立したものとして扱うことができることを意味する。チップ１０の機能および設計に応じて、所与のチップ１０は１つの単一電力領域１２を含むか、または複数の電力領域１２、１２’、１２”を含むことができる。

特定アクティビティの実行中にチップ１０内の所与の電力領域１２の電力消費Ｐ（ｔ）を決定するためには、電力領域１２がこのアクティビティに従事するものとし、このアクティビティに対応する電圧Ｕならびに電流Ｉが評価されなければならない。アクティビティに関するローカル電源電圧Ｕ（ｔ）は、時間の関数として容易に測定され、周波数領域に変換されることが可能であるが、ローカル電源電流Ｉ（ｔ）の時間分解測定は困難であり、エラーを起こしやすい。

本発明によれば、この問題は、電源インピーダンスＺ（ｆ）＝Ｆ_ｆ｛Ｕ（ｔ）｝／Ｆ_ｆ｛Ｉ（ｔ）｝を確認することによって回避されるため、結果として電流スペクトルＩ（ｔ）は、インピーダンスＺ（ｆ）がわかっていれば、測定された電圧Ｕ（ｔ）から計算することができる。所与の電力領域１２の電源インピーダンス・プロファイルＺ（ｆ）＝Ｕ（ｆ）／Ｉ（ｆ）は、ある程度の高い精度まで不変量であり、これは、電力領域１２内で実行される任意のアクティビティのインピーダンス・スペクトルＺ（ｆ）が、このアクティビティの詳細にかかわらず、ほぼ同じとなることを意味する。これは、電源インピーダンス・プロファイルＺ（ｆ）が電力領域１２の分散ネットワークの固有特性であるという事実によるものであり、これは、異なる電力領域１２、１２’、１２”のインピーダンス・プロファイルＺ（ｆ）が典型的には異なる挙動を示すという意味で、ロケーション特有のものである。電力領域１２のＺ（ｆ）は周波数ｆの関数であり、インフラストラクチャのパッケージング、階層の減結合（ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ）、個々のローカル・ジオメトリ、ならびにコンポーネント対話（共振）によって決定される。インピーダンス・プロファイルＺ（ｆ）は、電力領域１２に適用されるアクティビティとは関係のない、受動電子コンポーネント（配線、レジスタ、コンデンサ、インダクタなど）にのみ依存するため、Ｚ（ｆ）は、電力領域１２を特定の、とりわけ非常に単純なアクティビティ、すなわち、関連付けられた電流および電圧スペクトルＩ_０（ｆ）、Ｕ_０（ｆ）の正確な決定を可能にするアクティビティに従事させることによって、評価可能である。電力領域１２のＺ（ｆ）＝Ｉ_０（ｆ）／Ｕ_０（ｆ）が決定されると、電力領域１２のいずれかの（任意の）アクティビティの電流Ｉ（ｔ）＝Ｆ_ｆ ^−１｛Ｉ（ｆ）｝は、Ｉ（ｔ）＝Ｆ_ｆ ^−１｛Ｚ（ｆ）／Ｕ（ｆ）｝からこのアクティビティに関して測定された、関連付けられた電源電圧スペクトルＵ（ｆ）＝Ｆ_ｆ（Ｕ（ｔ））から計算可能であり、電力領域１２のこのアクティビティの電力消費は、Ｐ（ｔ）＝Ｕ（ｔ）^＊Ｉ（ｔ）として計算可能である。

時間の関数として電子回路１０内の所与の電力領域１２の電力消費Ｐ（ｔ）を決定するためのこの方法１００の概略流れ図が、図３に示されている。この方法の好ましい実施形態の概略流れ図は、図４に示されている。

上記で概説したように、方法１００は、電流スペクトルが特に容易に決定される非常に単純なアクティビティにこの電力領域を従事させることによって決定可能な、電力領域１２のローカル電源インピーダンス・プロファイルＺ（ｆ）に依拠する（ステップ１１０）。領域１２のこのローカル電源インピーダンス・プロファイルＺ（ｆ）を取得するための好ましい方法が、図５の流れ図１１０に概略的に示されている。この方法１１０によれば、単純な周期アクティビティ（クロック・ツリーの周期トグルなど）が電力領域１２に適用され（ステップ１１１）、考慮の対象となっている電力領域１２内で明確に定義された量の電力を散逸させることになる。この単純な周期アクティビティは、この明確に定義された周期的に変化する負荷によって、電流消費Ｉ_０（ｔ）が容易に計算できるように選択される。好ましい実施形態では、この単純な周期アクティビティはクロック・ツリーのオンおよびオフを周期的に切り換えることにあり、結果として（周波数ｆ_ｃｌｋの）クロック・ツリーは、周波数ｆ_ｍｏｄの１００％振幅変調と重複される。クロック・トグルは、典型的なＩＣにおいて高い割合で最大動的電流消費を生成するように知られているため、電力領域１２の適切な励起（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）を生じさせる。

図６は、方形波で変調されたクロック信号による励起に起因した電流消費Ｉ_０（ｔ）の概略図を示す。この例では、クロック信号は周波数ｆ_ｃｌｋ＝８００ＭＨｚを有し、変調周波数ｆ_ｍｏｄ＝１ＭＨｚの方形波で周期的に変調される（すなわちオンおよびオフが切り換えられる）。

この方形波変調クロック励起に起因した電流消費のローカル時間変動Ｉ_０（ｔ）は、以下のように表すことが可能であり、

上式で、Ｉ_０ ^ｌｅａｋはリーク電流（図６の例では４．３Ａまでの量）、Ｉ_０ ^ａｍｐｌは電流振幅の半分（図６の例ではＩ_０ ^ａｍｐｌ＝３．２Ａ）である。

両方の変調状態（すなわちパラメータＩ_０ ^ｌｅａｋおよびＩ_０ ^ａｍｐｌ）の電源電流需要は、準静的測定から決定可能であり、電流Ｉ_０ ^ｌｅａｋはクロック・アクティビティなしの電流測定から取得可能であるが、Ｉ_０ ^ａｍｐｌはクロックの連続的な動作を伴う電流測定から取得可能である。

Ｉ_０（ｔ）が評価されると（図５のステップ１１２を参照のこと）、フーリエ級数展開によって電流消費スペクトルＩ_０（ｆ）を計算することができる（ステップ１１３）。電力領域１２内の単純な周期アクティビティ中に遭遇したローカル・オンチップ電源電圧Ｕ_０（ｔ）のシグネチャ（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）は、電圧測定値セットを実行することによって決定される（ステップ１１４）。その後、このセットは周波数領域に変換され（ステップ１１５）、電力領域１２に適用される単純な周期アクティビティの電源電圧スペクトルＵ_０（ｆ）を引き出す。最終的に、領域１２のローカル電源分散インピーダンス・プロファイルＺ（ｆ）が、電圧スペクトルＵ_０（ｆ）と電流スペクトルＩ_０（ｆ）との比として計算される（ステップ１１６）。

考慮の対象となる電力領域１２に特有の（しかし、この電力領域１２内で実行可能な様々なアクティビティに関しては不変の）パラメータである、インピーダンス・プロファイルＺ（ｆ）の評価は、チップ１０上の電力領域１２に適用される所与のアクティビティの電力消費プロファイルを決定するための、方法１００（図３）のアウトセット（ステップ１１０）を形成する。Ｚ（ｆ）は一般に、実部Ｚ^ｒｅ（ｆ）および虚部Ｚ^ｉｍ（ｆ）を備える複合関数であり、

上式で、｜Ｚ（ｆ）｜はＺの大きさであり、φはその位相であることに留意されたい。

方法１００のステップ１２２では、特定の周期アクティビティ５０がこの電力領域１２に適用され、たとえばオシロスコープ２１０を使用することによって、このアクティビティに関連付けられたローカル電源電圧Ｕ（ｔ）が測定される（ステップ１２４）。たとえば周期アクティビティ５０は、ＡＤＤ、ＭＵＬＴＩＰＬＹ、ＳＵＢＴＲＡＣＴなどを備えることが可能であり、電力領域１２に特有である。図１に示されるように、電源電圧Ｕ（ｔ）測定は、電力領域１２の供給リード線３４をオシロスコープ２１０に接続すること、および、オシロスコープ２１０の電圧測定値から取得されたＶＤＤとＧＮＤとの差異を決定することによって、実施可能である。Ｕ（ｔ）が決定されると、Ｕ（ｔ）から周波数領域へのフーリエ変換によって、供給電圧スペクトルＵ（ｆ）が引き出される（ステップ１３０）。その後、Ｉ（ｆ）＝Ｕ（ｆ）／Ｚ（ｆ）を確認することによって電流Ｉ（ｔ）＝Ｆ_ｆ ^−１｛Ｉ（ｆ）｝が計算可能であり（ステップ１４０）、電力消費はＰ（ｔ）＝Ｕ（ｔ）^＊Ｉ（ｔ）から計算可能である（ステップ１５０）。このように決定された電力消費Ｐは、考慮の対象である電子設計の解析または数値シミュレーションから取得された基準値Ｐｒｅｆと比較可能である（ステップ１６０）。

図１は、チップ１０の電力領域１２に適用される特有の周期アクティビティ５０に対応する電力消費Ｐ（ｔ）を決定するためのシステム２００を概略的に示す。システム２００は、それぞれのアクティビティ５０を電力領域１２に適用するための信号生成器／変調器２０５、ならびに、このアクティビティ５０によって生じたローカル電源電圧Ｕ（ｔ）を測定するためのオシロスコープ２１０を備える。さらに、システム２００は、メモリ２２２、入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース２２４、中央処理ユニット（ＣＰＵ）２２６、バス２３０、およびデータベース２３２を備えた、コンピュータ・システム２２０を備える。メモリ２２２は、任意の既知のタイプのデータ・ストレージあるいは伝送媒体またはその両方を備えることが可能であり、１つまたは複数のタイプのデータ・ストレージを備えた単一の物理位置に常駐可能である。Ｉ／Ｏインターフェース２２４は、オシロスコープ２１０および信号生成器／変調器２０５と情報を交換するために使用される。バス２３０は、コンピュータ・システム２２０内の各コンポーネント間に通信リンクを提供する。加えて、図示されていないが、外部デバイス／リソース、キャッシュ・メモリ、通信システム、システム・ソフトウェアなどの追加のコンポーネントを、コンピュータ・システム２２０に組み込むことも可能である。

データベース２３２は、本発明を実施するために必要な情報のためのストレージを提供する。こうした情報は、たとえば、考慮の対象である電力領域１２に関するインピーダンス・スペクトルＺ（ｆ）、アクティビティ・パターン５０などを含むことができる。

メモリ２２２には、アクティビティ活性化システム２４０、フーリエ変換システム２４２、および電力評価システム２４４を備える、論理システムが格納される。これらのシステムは、前述の機能を以下のように実行する。
−アクティビティ活性化システム２４０は、信号生成器／変調器２０５によって電力領域１２に適用されることになる、特定の周期アクティビティ５０を生成するために使用される。
−フーリエ変換システム２４２は、電力領域１２でオシロスコープ２１０から獲得した電圧データを管理するため、これらの測定データからの電圧プロファイルＵ（ｆ）を評価するため、電流スペクトルＩ（ｆ）＝Ｕ（ｆ）／Ｚ（ｆ）を計算するため、ならびにこの電流スペクトルＩ（ｆ）を時間領域に変換し直すために使用される。
−電力評価システム２４４は、電力消費Ｐ（ｔ）＝Ｕ（ｔ）^＊Ｉ（ｔ）を評価するために使用される。

方法１００は、事前に定義された特有のアクティビティの実行中に電力領域１２内の電力消費を査定するための信頼できる方法を構成し、広い周波数領域にわたる電力需要の量的評価に使用することができる。所与の電力領域１２内の任意の所与のアクティビティに関して方法１００によって決定された電力消費Ｐ（ｔ）は、このアクティビティおよびこの電力領域１２に関する電力消費のシミュレーションあるいは解析モデルまたはその両方と比較し、その結果、電子回路１０の設計特性を検証するかまたはこれに反論することができる。具体的に言えば、電力領域１２を活性化するための特有のアクティビティは、容易にモデル化できるように選択することが可能である。方法１００は、電力需要および温度特性に関する初期の設計フィードバックのために、チップおよびモジュールのテスト時に適用可能であり、方法１００を使用して、ＩＣ設計時に初期の段階でそれらのローカル・エネルギー消費に関して試作用チップを評価することが可能であり、結果として、たとえば、３Ｄパッケージングを改良すること、電源を正しく設定すること、冷却リソースを適切に配置および寸法決めすることが可能となる。選択されたハードウェア動作の特徴的な時間全体にわたってＰ（ｔ）を累算することにより、それぞれの電力領域１２内でこれらの選択されたハードウェア動作に関して消費された全エネルギーの精密な値が引き出され、次にこれを、チップ／システム設計時の電力最適化に使用することができる。

上記で概説したように、方法１００は、電源インピーダンス・プロファイルＺ（ｆ）がアクティビティに関して不変である、すなわち、電圧領域１２内で実行している周囲アクティビティの種類および量とは無関係である、という想定に基づいている。これは一般に良好な近似であるが、一定の動作条件の下では（たとえば、リーク電流に影響を及ぼす電圧などにより）、ある程度の偏差が発生する可能性があり、結果の質が低下する可能性がある。

方法１００は、集積回路設計時の電力消費検証に使用される場合、方法１００の実行対象である特定のチップ／回路１０が、このチップ／回路１０の基準モデルに適合するかどうかに関する情報を引き出す（ステップ１５０を参照のこと）。チップ１０内の電力領域１２のインピーダンス・プロファイルＺ（ｆ）が、チップ製造工程において発生する不正確さ／変動（酸化層厚さ、ドーピングの変動など）に関して、良好な近似まで、不変であることに留意されたい。したがって、特定のチップ１０で取られた測定値および方法１００によって取得された検証結果は、異なる個々のチップおよび異なる製造バッチの固有特性を査定するために使用することができる。これとは逆に、方法１００によって取得された結果は、設計特性を調節するため、あるいは考慮の対象であるチップのフィーチャを製造するための、基礎として使用することができる。

方法１００は、電源インピーダンスＺ（ｆ）および電力消費Ｐ（ｔ）の計算対象である電圧領域１２が、他の電圧領域１２’、１２”による影響を受ない、したがってそれらを独立に取り扱えるという想定に依拠している。さらに、Ｚ（ｆ）が決定される（ステップ１１０）基となる条件が、Ｕ（ｔ）が測定される（ステップ１２０）基となる条件と同じであるという想定にも依拠している。したがって、電圧領域１２内の特定アクティビティの電源インピーダンスＺ（ｆ）および電源電圧Ｕ（ｔ）を正確に決定するためには、方法１１０（図５）によって計算される電源インピーダンスＺ（ｆ）内およびステップ１２０で測定される電源電圧Ｕ（ｔ）内の、干渉および歪みを避けるために、他の電圧領域１２’、１２”が、考慮の対象となる電圧領域１２から分離されている（またはスイッチがオフになっている）ことが必要である。

方法１００は、回路設計時に有用な情報を提供することに加えて、たとえば、マシンを立ち上げる際のハードウェア検証の一部として、システム性能を検証するためのシステム環境でも適用可能である。この場合、電力消費は、図２に概略的に示されたように、オンチップ・セルフテスト・システム２００’を使用して査定される。セルフテスト・システム２００’は活動化されると、チップ１０の１つの（またはいくつかの）電力領域１２上でセルフテスト・ルーチンを実行することになる。このセルフテスト・ルーチンは、電力領域１２のローカル電力消費の評価を包含することができる。この評価方法１００’の好ましい実施形態の流れ図が図４に示されている。

第１のステップ１１０’では、チップ１０の電力領域１２に関してインピーダンス・プロファイルＺ（ｆ）が決定され、オンチップ・セルフテスト・システム２００’内のストレージ２３２’に格納される。インピーダンス・プロファイルＺ（ｆ）は、図５に示された方法１１０を使用して評価することができる。その後、選択的ハードウェア動作５０が、周期的に実行される（ステップ１２２’）。電力領域１２に適用されるこの選択的周期アクティビティ５０を用いて、電力領域１２でのローカル電圧測定が実行される（ステップ１２４’から１２６’）。セルフテスト・システム２００’を電力領域１２にリンクさせる電気接続３４によって、セルフテスト・システム２００’内の測定システム２１０’によるＶＤＤおよびＧＮＤ測定が実行可能となる。測定ループ１２０’は所定の回数Ｎだけ反復されるため、連続した時間ｔ_ｊ（ｊ＝１、．．．、Ｎ）でＮ個の電圧測定値が取られ、ローカル電圧値Ｕ_ｊ＝ＶＤＤ（ｔ_ｊ）−ＧＮＤ（ｔ_ｊ）が引き出される。測定は、周期アクティビティ５０の端部でトリガされ（ステップ１２２’）、取得されたＵ_ｊの値はＡ／Ｄ変換器２１５’内で計数化されて、オンチップ・セルフテスト・システム２００’のストレージ２３２’に格納される（ステップ１２５’）。電圧値セットＵ_ｊ（ｊ＝１、．．．、Ｎ）が累算されると、このセットはフーリエ変換ユニット２４２’内の周波数領域に変換され（ステップ１３０’）、チップ１０内の電力領域１２で実行している周期アクティビティ５０の電源電圧スペクトルＵ（ｆ）を引き出す。ストレージ２３２’は、測定値の全サンプル・セットを格納できるような寸法に設定されなければならないことに留意されたい。

電源電圧スペクトルＵ（ｆ）が決定されると（ステップ１３０’）、これはインピーダンスＺと共に、関連付けられた電流Ｉ（ｔ）＝Ｆ_ｆ ^−１｛Ｕ（ｆ）／Ｚ（ｆ）｝と（ステップ１４０’）、チップ１０上の電力領域１２内でのアクティビティ５０の電力消費Ｐ（ｔ）と（ステップ１５０’）を計算するために、使用可能である。

ステップ１５０’で計算されるような実際の電力消費を、ストレージ２３２’に格納された基準Ｐ_ｒｅｆと比較することができる。基準Ｐ_ｒｅｆは、電力領域１２内のアクティビティ５０に関連付けられた「通常」電力消費の特徴である（ステップ１５０’）。このコンテキストでは、電力領域１２内の「通常」電力消費という用語は、過熱することなく良好な機能を保証するだけの十分な低さの電力消費を指示する。実際の電力消費Ｐと基準Ｐ_ｒｅｆとの比較は、セルフテスト・システム２００’内の比較器２４６’で実施され、減算によって形成可能であり、実際と基準との電力消費プロファイル間の差異Δ＝Ｐ−Ｐ_ｒｅｆが、所定のしきい値を超えている場合、これは電力領域１２内の過度の電力消費を示すものであり（ステップ１７０’）、他方で、実際の電力消費Ｐが、基準シグネチャＰ_ｒｅｆからごくわずかな差異しか示さない場合、これは、電力領域１２内の電力消費が指定と一致することを示す（ステップ１８０’）。

図２に概略的に示されているように、オンチップ・セルフテスト・システム２００’は、アクティビティ活性化システム２４０’によって生成される周期アクティビティ５０を開始（および終了）するためのトリガ・ユニット２０２’を備える。周期アクティビティ５０は好ましくはチップ１０上のユニット２４０’内で作成されるが、チップ１０から離れた場所、たとえば外部ユニット３００内でも生成可能である。トリガ・ユニット２０２’が（たとえば、好ましくはシステム起動時にシステム・セルフテスト・ユニット２００’からトリガ信号を受信することによって、または周期的な（自動）システム・セルフテストを開始することによって）活動化された場合は必ず、トリガ・ユニット２０２’はアクティビティ活性化システム２４０’をトリガして、電力領域１２内の周期アクティビティ５０を開始し、電力領域１２内の他のすべてのアクティビティが遮断されることを保証する。その後、トリガ・ユニット２０２’は測定モジュール２１０’をトリガし、ストレージ・ユニット２３２’内に格納されるローカル電圧データＵ_ｉを獲得する。

セルフテスト・システム２００’をチップ１０内のいくつかの電力領域１２、１２’、１２”に接続することによって、複数の場所に対して（同時にまたは連続して）方法１００’を実施することができる。セルフテスト方法１００’は、チップ１０内のローカル電力消費が、所定の指定に一致するかどうかを決定するために使用することができる。Ｐが１つまたはいくつかの電力領域内で基準Ｐ_ｒｅｆから逸脱していることがわかった場合、対応する制御フラグをオンチップ・セルフテスト・システム２００’内に立てること、あるいは、電力領域１２が過度の電力を消費しており、過熱の（すなわち「ホット・スポット」を生じさせている）可能性があることを示す制御信号をシステム・セルフテスト・ユニット３００に送信すること、またはその両方が実行可能である。この情報に基づき、システム・セルフテスト・ユニット３００は、システム・ユーザに警告を発し、欠陥が検出された特定のチップ１０あるいは電力領域１２またはその両方に関する情報を提供することができる。方法１００’は予想外の電力需要ピークを検出することができるため、セルフテスト・システム２００’を電力グリッチ（ｇｌｉｔｃｈ）検出にも使用できることに留意されたい。連続的な電力需要のサンプリングおよび記録が実行可能であり、インシデント後に回復コードによってその結果を分析することができる。

ストレージ２３２’ならびに比較器２４６’などのセルフテスト・システム２００’のいくつかの機能は、異なる場所（すなわち、たとえばチップ１０がその一部を形成するコンピューティング・システムのマザーボード上などの、チップ１０外部）に（完全にまたは部分的に）常駐できることに留意されたい。測定値のオンライン・ストレージに高速ＲＡＭアクセスが必要であるため、ストレージ２３２’は、好ましくはチップ１０上に配置される。

１０ 集積回路
１２ 電力領域
２３２ ストレージ
２４０ アクティビティ活性化システム
２４２ フーリエ変換システム

Claims (11)

1. 集積回路内の電力領域の電力消費を決定するための方法であって、
   −前記電力領域のローカル電源インピーダンス・プロファイルを決定するステップと、
   −前記電力領域特有の周期アクティビティを実行しながら、ローカル電源電圧を測定するステップと、
   −前記測定されたローカル電源電圧の電圧スペクトルを評価するステップと、
   −前記インピーダンス・プロファイルおよび前記電圧スペクトルから、関連付けられた電源電流を計算するステップと、
   −前記電源電流および前記測定された電源電圧から、電力消費スペクトルを決定するステップと、を含む、方法。
2. 前記電力領域の前記ローカル電源インピーダンス・プロファイルを決定するステップが、
   −前記電力領域内で反復アクティビティを適用するステップと、
   −前記反復アクティビティによって生じた電流消費の時間挙動を評価するステップと、
   −対応する電流消費スペクトルを計算するステップと、
   −前記反復アクティビティによって生じたローカル電源電圧を測定するステップと、
   −前記測定されたローカル電源電圧の電圧スペクトルを評価するステップと、
   −前記電圧および電流スペクトルから、前記ローカル電源インピーダンス・プロファイルを計算するステップと、
   を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記反復アクティビティを適用するステップが、システム・クロック・ツリーのオンおよびオフを周期的に切り換えるステップにあることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記電流消費の前記時間挙動を評価するステップが、リーク電流および電流振幅の準静的測定を含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
5. 前記方法が、電力消費スペクトルＰと基準スペクトルＰ_ｒｅｆとを比較するステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記方法がシステムの電源がオンの間に実行されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 前記方法がシステムの動作時に周期的に実行されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 集積回路内の電力領域の電力消費を決定するためのシステムであって、
   −前記電力領域のローカル電源インピーダンス・プロファイルＺ（ｆ）を格納するためのストレージと、
   −前記電力領域特有の周期アクティビティを実行するための、アクティビティ活性化システムと、
   −前記電力領域のローカル電源電圧を測定するための電圧測定システムと、
   −前記測定されたローカル電源電圧の電圧スペクトルを評価するため、および、前記インピーダンス・プロファイルおよび前記電圧スペクトルから関連付けられた電流を計算するための、フーリエ変換システムと、
   −電力消費を決定するための電力評価システムと、
   を備える、システム。
9. 前記システムが、前記電力消費スペクトルと基準プロファイルとを比較するための比較器を備えることを特徴とする、請求項８に記載のシステム。
10. 前記システムが前記回路内に組み込まれることを特徴とする、請求項８に記載のシステム。
11. −アクティビティ活性化システムおよび電圧測定システムが前記チップ上に常駐すること、および
    −比較器が前記チップ外の場所に常駐すること、
    を特徴とする、請求項１０に記載のシステム。

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