KR102045204B1 - 집적 회로 내에서 공급 전압 스윙의 감지 - Google Patents

Abstract

집적 회로 내의 지점들에서 공급 전압 레벨의 변동을 감지하도록 구성된 복수 개의 센서를 포함하는 집적 회로가 개시되어 있다. 복수 개의 센서는 집적 회로에 걸쳐 분포되고, 센서 내에서 트랜지스터 디바이스의 공정 변동으로 인해 미리 규정된 전압 오프셋 범위 내에 있는 소정의 확률을 갖는 랜덤 전압 오프셋을 감지 결과가 갖도록 하는 트랜지스터 디바이스를 포함한다. 집적 회로는 복수 개의 센서들 중 복수 개의 센서로부터 처리 회로로 결과를 전달하도록 구성되어, 상기 공급 전압 레벨의 변동이 상기 미리 규정된 전압 오프셋 범위에 비해 감소되는 전압 오프셋 범위를 이용하여 결정될 수 있다.

Description

집적 회로 내에서 공급 전압 스윙의 감지{SENSING SUPPLY VOLTAGE SWINGS WITHIN AN INTEGRATED CIRCUIT}

본 발명은 반도체 처리 디바이스의 분야, 구체적으로 집적 회로에 공급되는 전압의 변동을 처리하는 기술에 관한 것이다.

상이한 임피던스와 상이한 전력 요건을 갖는 상이한 디바이스에 걸쳐 비교적 일정한 전압이 공급되도록 하는 집적 회로에 대한 전력의 공급은 간단하지 않다. 시변(time varying) 회로 임피던스와 불완전한 전압 조절이 모두 공급 전압 스윙을 유발할 수 있다. 디바이스에서 나타나는 전압차의 변화는 디바이스의 성능 및 전력 효율을 제한하고 심지어는 기능 디바이스의 고장을 유발할 수 있기 때문에 중요하다. 구체적으로, 딥 서브미크론(deep sub-micron) 공정 기술에서 대형 패스트 디지털 회로(large fast digital circuit)는 공급 전압 강하에 민감하므로, 전력 운반 네트워크와 칩 패키지가 적절하게 조정되는 것을 보장하도록 여분의 개발 노력을 필요로 한다. 더욱이, 현대의 공격적인 클록 게이팅(clock gating) 및 언제나 증가하는 전력 밀도에서, 이 문제는 악화된다.

따라서, 불만족스런 작동 상태를 검출하도록 공급 전압 노이즈 온-칩을 검출하는 것이 유리할 수 있다. 공급 격자 오프-칩의 검출은 근처 디바이스의 특별한 고전압 요건 또는 임피던스의 변화로 인한 국부적 강하가 존재할 수 있기 때문에 적절한 조치를 제공하지 못할 수 있다. 공급 전압 노이즈의 검출은 전압을 조정함으로써 회로의 성능을 제어하는 데에 일조하도록 사용될 수 있거나(회로의 기능 작동 또는 클록 주파수는 공급 전압에서의 노이즈 검출에 응답함), 회로를 시험하거나 디버깅할 때에 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 공급 전압 스윙은 시험에 대해 미묘한 문제를 제공한다. BIST 및 스캔 시험 패턴은 기능 시험에 대해 유사한 공급 전압 강하를 복제하도록 결코 보장되지 못한다. 사실상, 스캔 패턴은 전통적으로 가능한 한 적은 시간에 동일한 갯수의 IC를 실행하도록 구성되기 때문에, 스캔 패턴은 흔히 매우 일정한 높은 전류 소모량(current draw)을 제공한다. 이는 일반적으로 시험 이스케이프를 방지하도록 공급 전압에 여분의 마진이 요구된다는 것을 의미한다.

그러나, 집적 회로 내의 여러 지점에서 공급 전압 레벨을 정확하게 검출하는 것은 어려울 수 있다. 구체적으로, 비교 전압으로서 적절한 DC 기준 전압을 발생시키는 것과 상당히 정확한, 빠르고 느린 전력 및 영역 비교기를 실시하는 것은 모두 어려울 수 있다. 일반적으로, 그러한 회로는 구성이 아날로그이고 크고 어울리는 트랜지스터를 필요로 한다. 이는 그러한 모니터링 회로를 높은 셀 밀도 영역에 추가하는 것을 어렵게 하는데, 높은 셀 밀도 영역은 흔히 빠른 전압 강하가 발생하는 영역이다. 구체적으로, 모니터링 회로가 큰 경우에, 이들 회로의 추가는 더 멀리 이동될 다른 셀을 필요로 하고, 이에 따라 배선 부하를 증가시켜 사실상 문제를 더 나쁘게 만들 수 있다.

요약하면, 온-칩 공급 노이즈는 시험 이스케이프를 방지하기 위해 오버 마진을 유발할 수 있는 점점 중요한 문제이다. 노이즈 온-칩의 모니터링은 반대 조건에서 여분의 동적 마진이 적응성으로 도입되게 하는 데에 매력적이다. 낮은 전력 및 영역 오버헤드에서 국부적 공급 노이즈의 검출이 중요한 도전 과제이다.

회로의 전력 및 영역 요건을 과도하게 증가시키는 일 없이 높은 셀 밀도 영역에서 회로 내의 공급 전압 레벨을 정확하게 모니터링할 수 있는 것이 유리하다.

제1 양태는 집적 회로 내의 지점들에서 공급 전압 레벨의 변동을 감지하도록 구성된 복수 개의 센서를 포함하는 집적 회로를 제공하는 것으로서, 상기 복수 개의 센서는 상기 집적 회로에 걸쳐 분포되고,

상기 복수 개의 센서는 센서 내에서 트랜지스터 디바이스의 국부적인 공정 변동으로 인해 미리 규정된 전압 오프셋 범위 내에 있는 소정의 확률을 갖는 랜덤 전압 오프셋을 감지 결과가 갖도록 트랜지스터 디바이스를 포함하며,

상기 집적 회로는 상기 복수 개의 센서들 중 복수 개의 센서로부터 처리 회로로 결과를 전달하도록 구성되어, 상기 공급 전압 레벨의 변동이 상기 미리 규정된 전압 오프셋 범위에 비해 감소되는 전압 오프셋 범위를 이용하여 결정될 수 있다.

본 발명의 기술은, 디바이스의 크기는 비교적 큰 미리 규정된 전압 오프셋 범위 내에 있는 소정의 확률을 갖는 랜덤 전압 오프셋을 디바이스가 갖는다는 것을 의미하기 때문에, 특히 센서가 비교적 작은 경우에 트랜지스터 디바이스를 포함하는 센서가 크게 정확하지 않을 수 있다는 점을 인지한다. 또한, 이는 결과들이 조합되고 감소된 오프셋 범위가 달성될 수 있도록 많은 센서를 이용함으로써 중화될 수 있다는 점을 인지한다. 더욱이, 특히 센서가 비교적 작은 경우에, 많은 갯수의 센서를 이용하면 센서가 집적 회로에 걸쳐 분포되게 할 수 있고, 이에 따라 센서가 상이한 구역에서 전압 변화를 검출할 수 있다. 따라서, 일견해서는 잠재적으로 높은 전압 오프셋을 갖는 센서가 그 부정확도로 인해 공급 전압의 변화를 검출하는 데에 부적절한 것으로 보일 수 있지만, 많은 양이 사용될 때에 센서는 정확한 측정을 제공할 수 있다. 더욱이, 잠재적으로 높은 전압 오프셋을 갖는 센서를 사용하는 능력은 대체로 덜 정확한 작은 센서가 사용되게 할 수 있다. 이는 센서가 집적 회로 전반에 걸쳐 분포되게 할 수 있을 뿐만 아니라 전압 레벨의 변화가 가장 발생할 것 같은 높은 셀 밀도의 구역에서 사용되게 할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 집적 회로는 높은 공급 전압 레벨과 낮은 공급 전압 레벨을 상기 집적 회로에 공급하는 전력 공급부에 의해 전력을 공급받고, 상기 감지된 공급 전압 레벨은 상기 높은 공급 전압 레벨 또는 상기 낮은 공급 전압 레벨 중 하나이다.

공급 전압은 높은 전압 레벨과 낮은 전압 레벨을 제공하는 전력 공급부로부터 집적 회로로 공급될 수 있고, 그 사이에서 디바이스가 전력을 공급받는다. 공급 전압 레벨의 변화는 높은 전압 레벨 또는 낮은 전압 레벨에 관하여 측정될 수 있다.

전통적으로, 측정되는 높은 전압 레벨의 변화가 있지만, 낮은 전압 레벨의 변화는 또한 이 공급 전압 레벨의 변동이 또한 중요할 수 있도록 회로들에 걸쳐 전압차에 영향을 미칠 것이라는 점을 이해할 것이다.

몇몇 실시예에서, 상기 낮은 공급 전압 레벨은 그라운드 전압 레벨이다. 또한 그라운드 전압 공급에 노이즈가 존재할 수 있고, 이는 또한 회로에 영향을 미칠 수 있으며, 이에 따라 이 전압 레벨의 변화를 측정하는 데에 유리할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 센서는 상기 공급 전압 레벨을 기준 전압 레벨과 비교하고 상기 공급 전압 레벨이 상기 기준 전압 레벨보다 작거나 큰지의 여부를 나타내는 디지털 결과를 발생시키는 전압 레벨 센서를 포함한다.

몇몇 실시예에서, 전압 레벨을 감지하는 센서는 국부적인 공급 전압을 기준 전압과 비교하는 전압 레벨 센서일 수 있고, 다른 실시예에서 센서는 상이한 타입의 검출기, 아마도 공급 전압이 영향을 미치는 회로의 특성을 검출하는 검출기일 수 있다. 바꿔 말하면, 간접적인 측정이 이루어질 수 있다. 예컨대, 센서는 회로 내의 디바이스를 통해 전달될 신호의 딜레이를 측정할 수 있다. 디바이스에 대한 공급 전압은 디지털 회로가 얼마나 빨리 스위칭하는지에 영향을 미치고, 이에 따라 회로의 일부를 통해 이동하는 데이터값에 걸리는 시간의 측정이 공급 전압을 나타낸다.

복수 개의 센서는 대체로 동일한 레이아웃을 갖는다.

몇몇의 경우에, 여러 타입의 센서를 갖는 것이 적절할 수 있지만, 몇몇 실시예에서, 센서는 동일한 레이아웃으로 형성되고, 바꿔 말하면 센서는 그 제조에 있어서의 공정 변동으로 인해 센서들 사이에 임의의 변동을 갖는 동일한 센서이다.

몇몇 실시예에서, 상기 집적 회로는 상기 처리 회로를 더 포함하고, 상기 처리 회로는 상기 복수 개의 센서들 중 복수 개의 센서로부터의 결과를 수신하고 상기 센서들 중 하나의 전압 오프셋 범위와 비교하여 감소되는 상기 전압 오프셋 범위를 이용하여 상기 공급 전압 레벨의 변동을 결정하도록 구성된다.

몇몇 실시예에서, 처리 회로는 복수 개의 센서들 중 복수 개의 센서, 아마도 센서들 모두, 또는 아마도 센서들의 부분 집합으로부터의 신호를 수신하고, 처리 회로는 이들 결과로부터 얼마나 많은 센서가 에러를 검출했는지를 결정하고 이 값으로부터 공급 전압의 변동을 계산할 수 있다. 센서들 간의 차이는 공정 변동으로 인한 것이기 때문에, 그 전압 오프셋의 변동이 가우시안 분포를 따른다고 가정할 수 있고, 이에 따라 충분한 센서가 존재한다면, 전압들 중 하나를 나타내는 센서들의 갯수를 결정함으로써 기준 전압과 공급 전압 간의 전압차가 단일 센서에 비해 증가된 정확도로 더 높다고 결정할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 집적 회로는 복수 개의 셀을 더 포함하고, 상기 복수 개의 셀 각각은 예정된 기능을 수행하는 디바이스를 포함하고, 상기 센서들 중 적어도 일부는 높은 셀 밀도의 영역 내에 배치된다.

집적 회로는 특별한 기능을 수행하는 디바이스를 각각 갖는 표준 셀로 형성될 수 있다. 이들 표준 셀은 격자 내에 배치되고 셀에 공급되는 전력을 갖는다. 높은 셀 밀도의 영역에서, 높은 전력 요건이 있을 수 있고, 이에 따라 높은 활동 시기에 전압 강하가 발생할 수 있다. 따라서, 표준 셀은 이들 지점에서 레일의 전압 레벨을 측정할 수 있는 데에 도움이 될 수 있다. 종래의 센서는 자체의 문제를 유발하는 셀 밀도에 큰 영향을 미치는 일 없이 구성 내에 삽입되기에는 너무 컸다. 작고 자체가 표준 셀의 형태일 수 있는 센서의 구비는 유용한 측정이 이루어질 수 있는 높은 셀 밀도의 구역에서 센서가 설계 내로 삽입되게 할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 집적 회로는 적어도 10개의 전압 센서를 포함하고, 상기 전압 오프셋 범위는 채용된 제조 기술에 따라 5 내지 300 mV이다.

집적 회로에 사용된 센서들의 갯수는 개별적인 센서들의 정확도 및 요구되는 정확도에 따라 좌우되지만 적어도 10개일 수 있고, 그 전압 오프셋 범위는 그 크기에 따라 좌우되지만 5 내지 300 mV일 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 처리 회로는 상기 전압 레벨 센서가 밸런싱되는 개별적인 전압 오프셋을 결정하도록 상기 복수 개의 전압 레벨 센서 각각을 교정하는 교정 회로를 포함한다.

복수 개의 센서를 이용하는 대안적인 방식은 센서를 개별적으로 교정하는 것이고, 이에 따라 디바이스의 불일치에 관한 개별적인 오프셋이 검출되어 저장될 수 있다. 이것이 행해지면 예컨대 공급 전압이 기준 전압보다 크다고 센서들 중 하나가 지시할 때에, 저장 장치로부터의 그 오프셋을 만회할 수 있고 그로부터 공급 전압이 기준 전압에 오프셋 값을 더하거나 뺀 값보다 크다는 것을 결정할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 처리 회로는 상기 교정 회로에 응답하여 상기 복수 개의 전압 센서의 부분 집합을 디스에이블하도록 구성되고, 상기 부분 집합은 가장 큰 전압 오프셋을 갖는 상기 복수 개의 센서로부터 선택된다.

교정 회로는 어느 센서가 특히 언밸런싱되고 특별히 큰 오프셋을 갖는지를 결정하도록 사용될 수 있다. 이들 센서는 공급 전압 레벨이 그 양만큼 변동할 수 없기 때문에 유용하지 않을 수 있고, 이에 따라 센서를 몇몇의 방식으로 디스에이블함으로써 전력 소비를 감소시키는 것이 유리할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 처리 회로는 상기 센서들 중 적어도 일부로부터의 결과를 조합하고 전반적인 전압 레벨 공급 변동을 결정하도록 통계 분석을 수행한다.

개별적인 센서들을 교정하고 국부적인 전압 공급 변동을 교정하기 보다는 센서들 중 일부, 아마도 전부로부터의 결과를 조합하고 결과의 통계 분석으로부터 전반적인 전압 레벨 공급 변동을 결정하는 것이 유리할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 집적 회로는 오프셋 전압 범위를 갖는 예정된 갯수의 센서를 포함하여, 상기 센서로부터의 통계상 중요한 결과가 달성되고, 보다 큰 오프셋 전압 범위는 상기 통계상 중요한 결과를 달성하기 위해 더 많은 갯수의 센서를 필요로 한다.

사용된 센서가 매우 작고 잠재적으로 큰 오프셋 전압 범위를 가지며, 센서들 중 몇 개만이 존재한다면, 공급 전압의 임의의 변동을 결정할 수 있는 정확도가 낮게 된다. 그러나, 센서의 갯수가 충분한 경우, 오프셋 에러가 가우시안 분포를 따른다고 가정할 때에 훨씬 더 큰 정확도로 공급 전압의 변동을 결정할 수 있고, 곡선에서 하나의 값을 판독하는 센서들의 갯수 및 다른 값을 판독하는 센서들의 갯수가 있는 장소와 이에 따라 공급 전압과 기준 전압 간에 전압차가 있는 것을 추정할 수 있다. 디바이스가 보다 작고 그 잠재적 에러가 클수록, 허용 가능한 정확도를 달성하도록 요구하는 디바이스의 갯수가 커진다. 따라서, 선택된 갯수는 개별적인 센서의 정확도에 따라 좌우된다. 그러나, 전압에서 큰 스윙을 검출하길 원한다면 잠재적으로 큰 오프셋 전압 레벨을 갖는 매우 작은 디바이스를 갖는 것이 유리할 수 있다는 것을 유념해야 한다. 이들 센서를 많이 구비한다면, 하나의 전압이 다른 전압보다 크다는 것을 지시하는 300 mV 내지 5 mV에서 변하는 전압 스윙을 갯수에 따라 매우 큰 정확도로 결정할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 처리 회로는 상기 집적 회로의 상이한 구역에서 센서들로부터의 결과를 조합하고 상기 상이한 구역 각각에서 공급 전압 레벨의 변동을 결정하도록 구성된다.

센서가 집적 회로의 전반에 걸쳐 분포되기 때문에, 상이한 구역에서 센서로부터의 결과를 주시하고 국부화된 전압 스윙이 존재하는 지점을 결정하는 것이 유리할 수 있다. 이 방식에서, 국부적 변동을 결정하기 위해 센서들의 분포 지점과 정확도를 증가시키기 위해 특정한 갯수의 평균을 모두 취하는 것이 유리할 수 있다. 국부적인 공급 전압 변동의 검출은, 아마도 공급 전압을 증가 또는 감소시키거나, 클록 주파수를 증가 또는 감소시키거나, 많은 전류를 필요로 하는 회로의 부분에서 스위칭 활동을 감소시킴으로써 그 구역에서 회로의 특성을 변경시킬 수 있다.

상기 집적 회로는 복수 개의 에러 검출 회로와 에러 회복 회로를 더 포함하고,

상기 복수 개의 에러 검출 회로는 상기 처리 장치에서 샘플링된 신호가 상기 신호가 샘플링된 후에 그리고 상기 샘플링과 동일한 클록 사이클 중에 발생하는 시간 윈도우 내에서 변화하는지의 여부를 결정하고 상기 신호가 변화한다면 에러 신호를 발송하도록 구성되며,

상기 처리 회로는 상기 에러 검출 회로로부터의 신호를 수신하고, 상기 복수 개의 센서들 중 하나가 공급 전압 레벨의 변화를 지시했는지의 여부를 에러 검출에 응답하여 결정하도록 구성된다.

일부 집적 회로는 에러가 발생할 수 있지만 있음직하지 않은 구역에서 작동하도록 구성된다. 이는 집적 회로가 에러 검출 회로 및 에러 회복 회로를 구비한다고 가정하면 가능하다. 그러한 회로의 일례는 영국 캠브리지의 ARM®에 의해 설계된 레이저(razor) 회로이다. 이들 회로는 에러가 때때로 발생할 수 있다는 조건으로 종래의 회로보다 낮은 공급 전압을 갖거나 빠르게 클록될 수 있도록 안전한 구역에서 작동하도록 조정될 필요가 없다는 이점을 갖는다. 그러한 회로는 에러의 검출이 공급 전압 변동의 검출을 지시하도록 복수 개의 센서들 중 임의의 센서와 상관될 수 있도록 이 디바이스의 센서와 함께 사용될 수 있다.

이들 센서는 작고, 이에 따라 부정확하기 때문에, 그 결과는 그 자체가 제한된 값이지만, 센서들이 서로 또는 몇몇의 교정 방법과 또는 에러 검출 시스템과 연결된다면, 그 결과는 큰 값이 된다. 이 경우에, 에러와 동시에 전압 레벨 변동의 검출은 전압 공급 레벨에 강하가 있다는 2개의 독립적인 지시를 제공하고, 이에 따라 단순히 단일의 센서로부터의 결과보다 이 결과를 더 확신할 수 있으며 어떠한 교정 작용이 취해질 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 처리 회로는 공급 전압 레벨의 변화를 지시한 상기 복수 개의 센서들 중 하나가 상기 에러 검출 회로에 가까운지의 여부를 결정하고, 가깝다면 상기 지점에서 공급 전압의 변화를 지시하도록 구성된다.

에러 검출 회로와 센서의 근접도가 추적되면, 이들이 가까운 경우에 에러가 전압 공급에서 검출된 스윙에 원인이 있고 가깝지 않은 경우에는 에러가 덜할 수 있다고 가정할 수 있는 이점이 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 집적 회로는 복수 개의 에러 검출 회로와 에러 회복 회로와 교정 회로를 더 포함하고,

상기 복수 개의 에러 검출 회로는 상기 처리 장치에서 샘플링된 신호가 상기 신호가 샘플링된 후에 그리고 상기 샘플링과 동일한 또는 인접한 클록 사이클 중에 발생하는 시간 윈도우 내에서 변화하는지의 여부를 결정하고 상기 신호가 변화한다면 에러 신호를 발송하도록 구성되며,

상기 교정 회로는 상태를 변동시키고 상기 에러 검출 회로가 에러를 각각 검출하는 시기를 결정하고, 상기 에러 검출 회로들 중 하나에서의 에러 검출에 응답하여 상기 에러 검출 회로에 가까운 상기 복수 개의 센서들 중 하나에 공급된 상기 기준 전압 레벨을 변동시켜, 상기 에러가 발생되는 지점에 가까운 지점에서 상기 센서가 공급 전압 레벨의 변화 신호를 발송하도록 구성된다.

에러 검출 능력을 갖는 회로에서, 센서가 스위칭하여 에러 신호를 발생시키는 전압 변동 레벨에서 상이한 값을 저장하도록 센서를 교정시키는 것이 유리할 수 있다. 이 방식에서, 센서는 에러가 발생할 것 같은 레벨에 전압 변동이 도달했는지와 적절한 조치가 취해질 수 있는지를 결정하도록 사용될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 처리 회로는 예정된 한계값 이상의 공급 전압의 변동을 검출하는 것에 응답하여 공급 전압, 클록 주파수 또는 처리 함수 중 적어도 하나를 변동시키도록 구성된다.

전압 레벨의 변화의 검출은 다수의 방식으로 사용될 수 있다. 집적 회로가 작동하면, 회로를 조정하여 성능을 개선시키도록 사용될 수 있다. 따라서, 전압 레벨이 너무 높은 것으로 검출되면 전압 레벨이 감소되거나, 전압 레벨이 너무 낮은 것으로 검출되면 증가된다. 대안적으로, 클록 주파수 또는 처리 함수는, 전압 레벨이 낮은 경우에 클록 주파수가 감소되고 처리 함수가 감소되며, 공급 전압이 높은 경우에 클록 주파수가 증가되고 처리 함수가 허용되도록 변동될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 센서는 상기 디지털 결과를 래칭하는 래칭 회로를 포함하고, 상기 래칭 회로는 이 래칭 회로에 저장된 결과 데이터가 상기 처리 회로로 연속적으로 출력될 수 있도록 체인으로 배치되며, 상기 센서는 출력 제어 신호의 수신에 응답하여 상기 결과 데이터를 출력하도록 구성된다.

센서로부터의 값은 처리 회로와 병렬로 전송될 수 있다. 대안적으로, 센서로부터의 값은 스캔 체인을 통해 직렬로 전송될 수 있다. 후자가 더 많은 시간이 걸리는 것이 명백하지만 더 적은 회로 면적과 더 적은 연결부를 필요로 한다. 직렬로 연결된 래치들의 체인의 경우에, 데이터는 연속적으로 출력되지 않고 오히려 특정한 모멘트에서 출력된다. 이는 에러를 검출하는 에러 검출기에 응답하여 행해지거나, 교정 전압이 예정된 레벨에 도달했을 때에 교정 중에 행해질 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 집적 회로는 복수 개의 플립 플롭을 더 포함하고, 상기 복수 개의 센서 각각은 상기 집적 회로 상의 상기 플립 플롭들 중 2개의 면적보다 작은 면적을 갖는다.

센서의 통상적인 크기는 플립 플롭의 크기와 유사하고, 어떠한 경우에는 2개의 플립 플롭의 면적보다 작다. 이 크기는 종래의 센서에 비해 작고, 이에 따라 비교적 높은 미리 규정된 전압 오프셋 범위를 가질 수 있다. 그러나, 복수 개의 센서의 사용은 이 단점을 처리할 수 있고, 집적 회로 내에 다른 디바이스와 유사한 크기로 된 센서를 갖는다는 것은 센서가 표준 셀의 형태로 제조되고 셀이 직접적인 방식으로 적절한 위치로 삽입되게 하도록 집적 회로 내의 다른 표준 셀과 정렬될 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명의 제2 양태는 집적 회로 내의 지점들에서 공급 전압 레벨의 변동을 감지하는 방법을 제공하는 것으로서,

상기 집적 회로에 걸쳐 분포된 복수 개의 센서를 배치하는 단계로서, 상기 복수 개의 센서는 센서 내에서 트랜지스터 디바이스의 국부적인 공정 변동으로 인해 미리 규정된 전압 오프셋 범위 내에 있는 소정의 확률을 갖는 랜덤 전압 오프셋을 감지 결과가 갖도록 하는 트랜지스터 디바이스를 포함하는 것인 단계;

상기 복수 개의 센서들 중 복수 개의 센서로부터의 결과를 처리 회로로 전달하는 단계;

상기 공급 전압 레벨의 변동이 상기 미리 규정된 전압 오프셋 범위에 비해 감소되는 전압 오프셋 범위를 이용하여 결정될 수 있도록 상기 결과를 처리하는 단계를 포함한다.

본 발명의 제3 양태는 집적 회로 내의 지점들에서 전압 레벨의 변동을 감지하는 복수 개의 감지 수단을 포함하는 집적 회로를 제공하는 것으로서, 상기 복수 개의 감지 수단은 상기 집적 회로에 걸쳐 분포되고,

상기 복수 개의 감지 수단은 상기 감지 수단 내에서 트랜지스터 디바이스의 공정 변동으로 인해 미리 규정된 전압 오프셋 범위 내에 랜덤 전압 오프셋을 감지 결과가 갖도록 하는 트랜지스터 디바이스를 포함하며,

상기 집적 회로는 상기 복수 개의 감지 수단 중 복수 개의 감지 수단으로부터 상기 결과를 처리하는 처리 수단으로 결과를 전달하도록 구성되어, 상기 전압 레벨의 변동이 상기 미리 규정된 전압 오프셋 범위에 비해 감소되는 전압 오프셋 범위를 이용하여 결정될 수 있다.

본 발명의 제4 양태는,

상기 집적 회로 내의 지점들에서 공급 전압 레벨의 변동을 감지하도록 구성되고, 상기 집적 회로에 걸쳐 분포되는 복수 개의 센서;

복수 개의 에러 검출 회로 및 에러 회복 회로를 포함하고,

상기 복수 개의 에러 검출 회로는 상기 처리 장치에서 샘플링된 신호가 상기 신호가 샘플링된 후에 그리고 상기 샘플링과 동일한 또는 인접한 클록 사이클 중에 발생하는 시간 윈도우 내에서 변화하는지의 여부를 결정하고 상기 신호가 변화한다면 에러 신호를 발송하도록 구성되며,

상기 복수 개의 센서는 센서 내에서 트랜지스터 디바이스의 국부적인 공정 변동으로 인해 미리 규정된 전압 오프셋 범위 내에 있는 소정의 확률을 갖는 랜덤 전압 오프셋을 감지 결과가 갖도록 하는 트랜지스터 디바이스를 포함하며,

상기 집적 회로는 상기 복수 개의 센서 중 복수 개의 센서로부터의 결과를 처리 회로로 전달하고 상기 에러 검출 회로로부터의 에러 신호를 상기 처리 회로로 전달하도록 구성되고, 상기 처리 회로는 상기 공급 전압의 강하를 지시하는 상기 복수 개의 센서 중 하나와 에러를 검출하는 상기 에러 검출 회로 모두의 검출에 응답하여 상기 공급 전압의 변동을 결정하고, 상기 공급 전압의 강하를 지시하는 상기 복수 개의 센서 및 에러를 검출하지 않는 에러 검출 회로의 검출에 응답하여 상기 공급 전압 레벨의 변동을 결정하지 않도록 구성되는 것인 집적 회로를 제공한다.

에러 검출 및 수정 능력을 갖는 회로에서, 에러의 검출은 센서의 결과와 상관될 수 있고, 모두가 검출된 경우에만 전압 변동이 지시된다. 이 방식에서, 센서에서 잠재적인 정확도 결여는 센서를 에러 검출과 상관시킴으로써 보완된다.

본 발명의 상기 및 기타 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면과 함께 읽는 예시적인 실시예의 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 집적 회로를 도시하고;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전압 센서를 도시하며;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기준 전압 발생기와 전압 센서를 도시하고;
도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 연속적으로 판독되고 교정되는 전압 센서를 갖는 집적 회로를 도시하며;
도 4b 및 도 4c는 스캔 체인에 사용될 수 있는 센서의 예를 도시하고;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 집적 회로의 여러 구역에서 공급 전압 변화를 측정하기 위한 전압 센서를 갖는 집적 회로를 도시하며;
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 에러 검출 및 회복 수단과 전압 센서를 갖는 집적 회로를 도시하고;
도 7은 에러 검출 능력을 갖는 회로에서 전압을 감지하는 방법의 단계들을 설명하는 흐름도를 도시하며;
도 8은 집적 회로에서 전압 센서를 교정하는 방법의 단계들을 도시하고;
도 9는 복수 개의 소형 전압 센서를 이용하여 전압을 검출하는 방법의 단계들을 도시한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 집적 회로(10)를 도시하고 잇다. 집적 회로(10)는 전압 공급 레일(12, 14)을 갖는다. 전압 공급 레일(12, 14)은 전력 공급 회로(20)에 연결된다. 전압 공급 레일(12)는 높은 전압 레벨(VDD)을 갖고 전압 공급 레일(14)은 낮은 전압 레벨(VSS)을 갖는다.

집적 회로(10)는 전압 레일(12, 14) 사이에 배치되고 이들 전압 레일에 의해 전력을 공급받는 디바이스의 셀(28)을 갖는다. 이들 셀(28)은 집적 회로의 표준 격자에 끼워지는 크기를 갖는 표준 셀의 형태이고, 특별한 기능을 수행하도록 배치된 디바이스를 구비한다. 셀은 전압 공급 레일(12, 14)을 통해 전력 공급 회로(20)에 의해 전력을 공급받고 이들 레일 상의 공급 전압 레벨은 레일에 걸린 부하에 따라 변동될 수 있다. 공급 전압 레벨은 또한 온도에 따라 변동될 수 있다. 셀(28) 내의 디바이스는 최적의 작동 상태를 갖고 공급 전압의 변동이 그 작동 상태에 영향을 미칠 것이다. 따라서, 공급 전압 레벨을 가능한 한 일정하게 유지하는 것이 요망된다.

공급 레일(12, 14) 상의 전압 레벨의 변화를 검출하기 위하여, 집적 회로(10) 전반에 걸쳐 분포되는 전압 레벨 센서(30)가 존재한다. 이 실시예에서, 이들 전압 레벨 센서는 전압 레일 자체에 의해 전력을 공급받고, 기준 전압(Vref)과 비교되는 보다 높은 전압 레일(12)로부터의 입력값을 갖는다. 이 기준 전압은 도시되지 않은 기준 전압 발생기로부터 취한다. 기준 전압은 가능한 한 일정해야 하고, 공급 전압이 변동할 때에, 공급 전압과 기준 전압의 차이는 변동을 처리 회로(40)에 지시하는 센서(30)에 의해 검출될 것이다. 처리 회로(40)는 모든 센서(30)로부터의 결과를 수집하고 특정한 갯수가 전압 레벨에서의 변동을 나타내면, 공급 전압이 특정한 양만큼 변동되었다는 것을 결정하고, 전압 레일(12)에 공급되는 전력 공급을 증가 또는 감소시키게 하는 신호를 전력 공급부(20)에 전달할 것이다.

이들 전압 센서(30)는 집적 회로에서 셀(28) 옆에 배치되게 할 수 있는 소형 디바이스이다. 전압 센서가 소형이고 트랜지스터 디바이스로 구성될 때에, 전압 센서는 양호하게 안정되지 않을 수 있고 기준 전압과 하는 비교와 관련된 상당히 높은 전압 오프셋을 가질 수 있으며, 이 때문에 센서에 의해 검출되는 임의의 값이 센서와 관련된 잠재적 에러를 갖게 되어, 센서(30)의 특성인 오프셋 범위 내의 크기만큼 전압 레벨이 변동되었다는 것만을 결정할 수 있다. 그러나, 집적 회로(10) 내에 복수 개의 센서(30)가 존재할 때에, 복수 개의 센서(30)로부터의 결과들을 서로 관련시킬 수 있고, 이러한 관련으로부터, 특정한 값을 적당한 정확도로 검출하는 갯수로부터 전압 레벨 변동을 추론할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 센서(30)의 일례를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 센서(30)는 동적 래칭 비교기로 이루어진다. 따라서, 이 센서 셀의 상부는 래치(35)를 형성하는 교차 연결형 인버터로 이루어진다. 하부에는 비교기로서 작용하는 트랜지스터(37, 38)의 차동쌍이 있다. 트랜지스터들 중 하나의 트랜지스터(37)는 그 입력부에서 기준 전압을 수신하고, 하나의 트랜지스터(38)는 그 입력부에서 공급 전압을 수신한다. 이들 전압 레벨은 이들 디바이스를 턴온시키고 예비 충전된 래치의 양측면이 아래로 당겨지게 된다. 트랜지스터(37 또는 38)의 게이트에 인가된 전압에 따라, 트랜지스터들 중 하나가 더 낮은 저항을 갖게 되고, 이에 따라 래치의 그 측면의 전압 레벨을 빠르게 떨어뜨려 래치는 그 측면에서 0으로 스위치된다. 디바이스가 매우 작을 때에, 트랜지스터(37, 38)는 공정 변동이 매우 높을 수 있기 때문에 특히 잘 맞지 않을 수 있다. 따라서, 트랜지스터들 중 하나는 고유의 낮은 저항을 가질 수 있어, 게이트에서 다른 트랜지스터보다 작은 전압을 갖더라도, 래치의 측면을 여전히 빠르게 아래로 당길 것이다. 이는 결과에서 오프셋 전압이 존재하고, 2개의 측면이 동일하게 아래로 당겨지는 지점은 기준 전압과 공급 전압이 정확하게 동일할 때가 아니라 기준 전압이 공급 전압보다 0.2 V 높을 때라는 것을 의미한다. 센서에서 이러한 정확도의 결여는 개별적인 디바이스에 의해 검출된 결과가 공급 전압 변동을 큰 정확도로 나타내지 않고, 많은 센서와 교정 또는 상관 관계의 이용에 의해 보완된다는 것을 의미한다.

예컨대, 이들 센서들 중 많은 센서가 도 1에 도시된 바와 같이 집적 회로 전반에 걸쳐 함께 분포된 상태로 이용되고 처리 회로가 여러 센서들로부터의 결과를 조합하도록 사용되면, 여러 센서들에서의 공정 변동은 랜덤이라고 가정하는 것이 공정하기 때문에, 공급 전압의 변화를 단일 센서에 의해 얻어질 수 있는 것보다 훨씬 높은 정확도로 결정할 수 있다.

이점에 있어서, 처리 회로(40)는 전체적인 전압 변동을 비교적 높은 정확도로 구하도록 결과들을 조합할 수 있다. 이와 관련하여, 비교기가 갖는 랜덤 전압 오프셋은 디바이스 임계 전압의 변동을 좌우하는 랜덤 도판트 변동으로 인해 가우시안 분포를 따른다. 비선형 가우시안 누적 분포 함수는 편적 선형 근사치(piece-wise linear approximation)를 이용하여 또는 단지 누적 분포 함수의 선형 중앙 부분을 이용함으로써 선형 공간으로 맵핑될 수 있다. 일반적으로, n 비트의 해상도에 대해 4ⁿ개의 비교기가 요구된다.

대안적으로 또는 추가적으로, 디바이스의 분포 특성은 이후의 도면에 관하여 알 수 있는 바와 같이 국부적 변동을 결정하도록 사용될 수 있다.

도 2의 센서는 클록되고, 이에 따라 각 클록 사이클에 대해 공급 전압과 기준 전압 간의 비교가 이루어지며, 래치에 저장된 값은 2개 중 어느 쪽이 더 높은 것으로 간주하는지를 나타낸다. 레벨들 중 하나를 더 높은 것으로 나타내는 집적 회로 내에 센서(30)의 갯수 변화는 변화하는 공급 전압 레벨을 나타낸다.

도 1 및 도 2의 센서(30)에서, 기준 전압이 이들 디바이스로 공급된다. 이는 다수의 방식으로 발생될 수 있다. 전압 센서(30)와 관련된 기준 전압 발생기(50)의 예가 도 3에 도시되어 있다. 기준 전압 발생기(50)는 국부적 공급 전압(Vdd)과 간단한 RC 로우 패스 필터를 이용하여 안정적인 기준 전압을 발생시킨다. 이 방안의 단점은 RC 필터의 영역 오버헤드이다. 또한, 집적 회로의 나머지와 공유될 때에 기준 전압이 정적 IR을 받기 때문에 DC 정확도가 약간 열악하다.

대안적인 방안은 집적 회로 상의 모든 센서 셀에 대해 기준 전압을 발송하는 것인데, 기준 전압은 외측의 핀으로부터 안내된다. 대안적으로, 기준 전압은 예컨대 차지 펌프를 이용하여 칩에서 발생될 수 있다.

도 3의 센서는 출력 신호가 클록 사이클의 양 페이즈에 걸쳐 안정적인 것을 보장하는 동적 비교기를 따르는 네가티브 에지 래치를 갖는다. 이 추가 래치는 아래의 상태 요소가 네가티브 에지 래치 또는 플립 플롭이면 필요하지 않을 수 있다. "고착" 래치, 즉 예컨대 복수 개의 센서의 결과가 신호에 응답하여 스캔을 통해 연속적으로 수집되는 경우에 오직 리셋 신호를 이용하여 천이될 수 있는 상태("1" 또는 "0"이거나 구성될 수 있음)를 갖는 래치를 필요로 하는 취급 시나리오가 존재한다. 고착 래치는 조건부 예비 충전에 의해 동적 비교기에 통합될 수 있거나, 네가티브 래치가 변경되어 고착 래치를 실시할 수 있다.

도 4a는 처리 회로(40)가 이 경우에 전력 공급부(20)와 함께 있는 집적 회로(10)의 변경예를 도시하고 있다. 이 실시예에서는, 또한 집적 회로(10)의 외측에 있는 기준 전압 공급부(60)가 존재한다. 도 1의 실시예에서와 같이 고전압 레일(12)과 저전압 레일(14)이 있고, 고전압 레일이 전압 레벨 변동을 감지하는 센서 셀(30)이 있다.

이 실시예에서, 센서 셀(30)은 교정되고, 래치가 저장하는 값들을 스위칭하는 전압차인 오프셋 전압이 교정 중에 결정되어 데이터 저장소(42)에 저장된다. 정규 작동 중에 이들 센서 셀(30)이 결과를 출력하는 경우, 데이터 저장소는, 오프셋 전압이 있고 이 결과가 나타내는 전압 레벨의 차이가 오프셋 전압 레벨과 기준 전압 레벨로부터 결정될 수 있다는 것을 결정하도록 엑세스된다.

초기에, 집적 회로가 비활성화될 때에, 센서(30)는 기준 전압 공급부(60)를 스위핑하고 센서(30)를 주기적으로 샘플링함으로써 교정되어 센서가 어느 지점에서 0의 저장으로부터 1의 저장으로 스위칭하는지를 결정한다. 이 실시예에서, 센서(30)는 체인으로 배치되고, 이에 따라 센서가 래치하는 값들은 처리 회로(40)로부터의 출력 신호에 응답하여 이 체인을 통해 연속적으로 출력된다. 따라서, 교정 중에, 기준 전압 공급부는 증분 증가되고, 증가될 때마다 센서가 샘플링되며 저장된 값이 출력된다. 각 센서가 1의 저장으로 스위칭하는 지점이 데이터 저장소(42)에 기록되고, 이후에 정규 작동 중에 모니터링되어, 판독될 때에 교정 중 스위칭되는 값이 데이터 저장소(42)로부터 결정되며, 이로부터 그 결과가 공급 전압 레벨에 대해 지시하는 것이 결정된다.

몇몇 실시예에서, 큰 오프셋 전압을 갖는 센서는 값을 좀처럼 스위칭하지 않거나 전혀 스위칭하지 않기 때문에 디스에이블될 수 있고, 이에 따라 센서는 어떠한 이점도 제고하는 일 없이 단순하게 전력을 소비한다.

센서 비트를 연속적으로 스캔하기 위하여, 센서 셀(30)에 일부 추가 회로를 추가하는 것이 필요하다. 도 4b는 스캔 멀티플렉서(32)와 추가 래치(34)가 스캔 작업을 허용하도록 어떻게 추가될 수 있는지를 도시하고 있다. 래치(34, 35) 중 하나는 반대 클록 페이즈에서 교호적인 센서 셀(30)을 클록하도록 용인될 수 있다면 제거될 수 있다. 스캔 인에이블(SE; scan enable) 비트는 함께 연결되어 스캔인(SI; scan-in) 비트는 일상적인 방식에서 가장 가까운 스캔 아웃(SO; scan-out)에 연결된다. 스캔 방안은 추가 회로의 매우 낮은 오버헤드를 유발하기 때문에 매력적이지만, 오직 저대역폭 또는 타이드 마크(tide mark) 조치에 적절하다. 도 4c는 데이터를 스캔할 때에 동적 비교기가 디지털 래치로서 작동할 수 있다는 사실의 이점을 취함으로써, 판독을 기초로 한 스캔이 어떻게 회로의 전방에서 오직 추가 전달 게이트 멀티플렉서(36)에 의해 달성될 수 있는지를 도시하고 있다. 다시, 도 4c의 구조는 체인에서 교호적인 센서 셀이 반대 클록 페이즈에 존재하는 것을 필요로 한다.

도 5는 집적 회로(10)의 변경예를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 센서는 디바이스(30)로서 개략적으로 도시되어 있고, 센서는 이 실시예에서 그라운드 레일(14)의 저전압 레벨의 변화를 모니터링한다.

이 실시예에서, 전력 공급부는 집적 회로의 여러 구역에 독립적으로 공급한다. 처리 회로(40)는 여러 구역에서 센서를 모니터링하고 그라운드 전압 레일의 전압 공급의 변화가 센서에 저장된 값을 변화시키는 데에 충분한지의 여부를 결정한다. 회로의 각 부분에는 특정한 갯수의 센서가 존재하고, 센서가 저장하고 있는 값을 특정한 갯수보다 많은 센서가 변화시키면 전압 레벨의 변화가 예정된 값 위에 있다고 결정된다. 이는 집적 회로의 상태를 처리 회로가 변경시킬 것을 요구하는 데에 충분할 수 있고, 이에 따라 구역들 중 하나에서 전압 레벨이 특정한 양보다 많게 변경되었다고 검출되면, 검출된 변화를 보완하여 집적 회로(10)의 작동을 그 최적 지점에 가깝게 유지하기 위해 전력 공급부가 대응하는 양만큼 조정되도록 아마도 제어 신호를 전력 공급부에 전송할 것이다. 이 실시예에서, 상이한 센서로부터의 결과는 처리 회로에 병렬로 전송된다. 병렬 판독을 위해, 각 센서 셀의 출력을 사용 지점으로 전송하는 것이 필요하다. 센서 셀 출력부의 개체 계수만이 요구된다면 배선 요건을 감소시키는 것이 가능할 수 있고, 이 경우에 버퍼링된 긴 와이어의 갯수를 감소시키도록 잉여 가산기(압축기 트리) 또는 비잉여 가산기(non-redundant adder)가 루팅에 통합될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 추가 집적 회로(10)를 도시하고 있다. 이 집적 회로(10)는 디바이스(28)의 셀을 갖고, 이 셀은 이들과 관련된 에러 검출 회로(70)를 구비한다. 상이한 에러 회로(70)로부터 신호를 수신하고 이들 신호에 응답하여 적절한 에러 회복을 수행하는 중앙 에러 검출 및 회복 회로(72)가 존재한다. 또한, 회로로부터 에러를 검출하는 시기 및 회로가 존재하는 장소를 나타내는 신호를 처리 회로(40)로 전송한다. 이어서, 처리 회로(40)는 검출된 에러의 구역에 있는 센서를 주시하고, 센서가 공급 전압 레벨의 변화를 검출했는지의 여부를 결정한다. 센서가 결정하면, 에러가 전압 레벨의 스윙에 유발되었고 출력값이 변경되어야 한다는 것을 전력 공급부(20) 또는 클록 발생기(46)에게 지시하는 신호가 제어 회로(44)로 전송되는 것으로 보인다. 이 방식에서, 센서(30)는 매우 정확하지 않을 수 있지만, 센서는 에러 검출 메카니즘과 상관되고 전압의 변화 및 에러가 모두 검출되면, 전압 레벨의 변동이 존재할 가능성은 센서의 결과만을 취한 경우보다 높고, 이에 따라 동작을 취하는 데에 적절할 수 있다.

일부 실시예에서, 시스템은 에러가 검출될 수 있는 값에 가까운 공급 전압 레벨에 균형 지점이 있게 하도록 센서가 수신하는 기준 전압에 대한 오프셋이 센서에 마련되도록 교정될 수 있다. 이 경우에, 교정은 에러가 검출될 때까지 공급 전압을 낮춤으로써 수행될 수 있고, 이어서 주위 센서에 공급된 기준 전압은 센서 자체가 공급 전압이 기준 전압보다 낮다는 것을 지시할 때까지 변동될 수 있다. 이 방식에서, 각 센서는 에러가 발생되는 지점에 가까운 지점에서 전압 레벨 변화를 검출하도록 교정될 것이다. 이는 각 센서가 적절한 변화를 감지하게 하고, 회로의 작동이 에러가 드문 최적점에 가깝게 유지하는 것을 돕는다.

분포된 전력 센서를 전력 소비의 감소 또는 그 해상도의 증가에 의해 교정하는 수많은 방식이 있다는 것을 유념해야 한다. 교정의 목적은 셀의 파라미터를 조정하여 해상도를 개선시키는 것이나, 전력 소비를 감소시키도록 유용한 피드백을 제공하지 않는 셀을 디스에이블하는 것일 수 있다.

또한, 이 실시예에서 센서로부터의 판독이 서로 병렬로 수집되지만, 도 4에서와 같이 그리고 에러 검출에 응답하여 직렬로 배치될 수 있고, 센서가 감소된 전압 레벨을 지시하는지의 여부를 결정하도록 스캔 인에이블 제어 신호가 전송될 것이라는 점을 유념해야 한다.

도 7은 에러 검출 능력을 갖는 집적 회로에서 공급 전압 레벨을 측정하는 방법을 예시하는 흐름도를 도시하고 있다.

에러 신호가 에러 회로로부터 수신되는 경우, 처리 회로는 데이터가 전압 센서로부터 수집되어야 한다는 신호를 전송한다. 이들 센서로부터의 결과가 스캔 아웃되고 어떠한 센서가 낮은 전압 공급을 나타내는지의 여부가 결정된다. 센서가 낮은 전압 공급을 나타내지 않으면, 에러가 간단하게 수정된다. 센서가 낮은 전압 공급을 나타내면, 검출된 낮은 공급 전압의 위치가 검출된 에러에 가까운지의 여부가 결정된다. 검출된 에러에 가까우면, 아마도 클록 주파수를 낮추거나 전압 공급을 증가시킴으로써 검출된 에러에 가까운 회로 파라미터가 변동된다. 이어서, 에러가 수정된다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 집적 회로의 센서를 교정하는 방법을 도시하고 있다. 초기에, 회로가 처리를 시작하기 전에, 기준 전압은 증분 증가되도록 스위핑된다. 각각의 증분 증가시에, 센서는 공급 전압이 기준 전압보다 낮은지를 어떠한 센서가 지시하는지를 결정하도록 분석된다. 어떠한 센서가 지시한다면, 현재의 기준 전압이 기록되고 해당 센서에 대한 오프셋(공급 전압에서 현재의 기준 전압을 뺀 값)이 해당 센서에 대해 저장된다. 모든 센서가 저장된 오프셋 값을 갖는 경우에, 회로가 처리를 시작하고 센서는 Vsupply ＜ Vref를 지시하도록 값을 변화시키는 시기를 알도록 모니터링된다. 센서가 이것을 지시할 때에, 저장된 데이터가 엑세스되고, 이 검출된 값이 암시하는 공급 전압의 변동이 기준 전압과 저장된 오프셋으로부터 결정된다. 이어서, 회로의 파라미터가 이에 따라 조절될 수 있다. 센서가 큰 오프셋을 갖는다면, 센서의 트리거는 발생하지 않거나 공급 전압이 실제로 기준 전압보다 상당히 높을 때에 발생할 수 있고, 어느 경우에나 센서는 유용하지 않을 수 있고 큰 오프셋을 갖는 센서를 디스에이블하는 교정을 따라 결정될 수 있다.

도 9는 회로의 전압 레벨을 모니터링하는 방법을 도시하고 있다. 초기에, 데이터는 복수 개의 센서에 대해 수신된다. 이는 각 클록 사이클에서 모든 센서에 대해 병렬로 행해질 수 있거나 주기적으로 직렬로 행해질 수 있다. 이어서, 데이터가 조합될 수 있고, 기준 전압이 공급 전압보다 작거나 큰지를 상당한 갯수의 센서가 지시하는지의 여부가 결정된다. 센서가 지시하면, 동작이 취해져야 하고 이에 따라 조정되는 지점에서 공급 전압이 특정한 양만큼 변화되었다는 것이 결정된다. 센서가 지시하지 않으면, 센서는 아마도 다음 클록 사이클에서 또는 예정된 시간 후에 다시 모니터링되고 분석이 다시 수행된다. 이 방식에서, 회로의 작동 지점은 최적점에 가깝게 유지될 수 있다.

주어진 많은 예에서 이들 센서는 집적 회로를 최적의 작동점에 가깝게 작동하도록 인에이블하기 위해 회로를 조정하는 데에 사용되었지만, 센서는 또한 칩을 특성화하거나 칩을 디버깅할 때에 칩의 시험시에 전압 레벨을 결정하도록 사용될 수 있다. 모든 상황에서, 작고 셀의 고밀도 구역에 가깝게 배치될 수 있는 분포된 센서들의 이용은 전압 레벨을 높은 정확도를 갖는 셀 내의 여러 지점에서 측정되게 하도록 인에이블한다.

센서는 또한 문제가 있을 수 있는 장소를 검출하도록 카나리 회로(canary circuit)로서 사용될 수 있다.

현대 공정 기술에서 실제 성능의 사상을 제공하기 위하여, 도 2의 개략도를 기초로 한 적절한 셀이 32 nm의 매우 전통적인 크기를 갖도록 설계되었다. 결과적인 면적은 3.8 ㎛ × 1.3 ㎛이었고, 이는 동일한 기술의 플립 플롭 칩에 필적한다. 설계를 위한 전력 소산은 클록 주파수에 따라 비례적으로 좌우되지만, 매우 높은 성능의 지점인 3 GHz에서, 단일 셀의 전력 소산은 25 μW이다. 전후 관계를 살펴보면, 교정되지 않은 공급 노이즈를 실시하기 위하여, 3개의 유효 비트의 해상도(8 레벨)를 갖는 모니터는 다이를 가로질러 분포된 64개의 센서 셀을 필요로 하며, 이는 243.2 ㎛ × 1.3 ㎛의 면적을 요하고, 3 GHz에서 1.6 mW를 필요로 한다. 200 mV의 스프레드의 경우, 25 mV의 해상도를 제공한다. 일부 추가 로직이 센서 셀로부터의 출력을 처리하는 데에 요구되지만, 많은 현대의 멀티 코어(SoC)는 전용 마이크로제어기를 갖기 때문에, 이는 그러한 목적을 위해 충분하고도 남는다.

본 명세서에서 첨부 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 상세하게 설명하였지만, 청구범위는 정확한 이들 실시예로 제한되지 않고, 첨부된 청구범위의 범위 및 사상으로부터 벗어남이 없이 다양한 변경 및 수정이 당업자에 의해 달성될 수 있다. 예컨대, 독립 청구항들의 특징에 의해 아래의 종속 청구항들의 특징들이 조합될 수 있다.

Claims (24)

1. 집적 회로 내의 지점들에서 공급 전압 레벨의 변동을 감지하도록 구성된 복수 개의 센서를 포함하는 집적 회로로서, 상기 복수 개의 센서는 상기 집적 회로에 걸쳐 분포되고,
   상기 복수 개의 센서는 센서 내에서 트랜지스터 디바이스의 국부적인 공정 변동으로 인해 미리 규정된 전압 오프셋 범위 내에 있는 소정의 확률을 갖는 랜덤 전압 오프셋을 감지 결과가 갖도록 하는 트랜지스터 디바이스를 포함하며,
   상기 집적 회로는 상기 복수 개의 센서들 중 복수 개의 센서로부터 처리 회로로 결과를 전달하도록 구성되어, 상기 공급 전압 레벨의 변동이 상기 미리 규정된 전압 오프셋 범위에 비해 감소되는 전압 오프셋 범위를 이용하여 결정될 수 있는 것인 집적 회로.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 집적 회로는 높은 공급 전압 레벨과 낮은 공급 전압 레벨을 상기 집적 회로에 공급하는 전력 공급부에 의해 전력을 공급받고, 상기 감지된 공급 전압 레벨은 상기 높은 공급 전압 레벨 또는 상기 낮은 공급 전압 레벨 중 하나인 것인 집적 회로.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 낮은 공급 전압 레벨은 그라운드 전압 레벨인 것인 집적 회로.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 센서는 상기 공급 전압 레벨을 기준 전압 레벨과 비교하고 상기 공급 전압 레벨이 상기 기준 전압 레벨보다 작거나 큰지의 여부를 나타내는 디지털 결과를 발생시키는 전압 레벨 센서를 포함하는 것인 집적 회로.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 집적 회로는 상기 처리 회로를 더 포함하고, 상기 처리 회로는 상기 복수 개의 센서들 중 복수 개의 센서로부터의 결과를 수신하고 상기 미리 규정된 전압 오프셋 범위와 비교하여 감소되는 상기 전압 오프셋 범위를 이용하여 상기 공급 전압 레벨의 변동을 결정하도록 구성되는 것인 집적 회로.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 복수 개의 센서들 각각은 동일한 레이아웃을 갖는 것인 집적 회로.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 집적 회로는 복수 개의 셀을 더 포함하고, 상기 복수 개의 셀 각각은 예정된 기능을 수행하는 디바이스를 포함하고, 상기 센서들 중 적어도 일부는 다른 영역보다 상기 셀의 높은 밀도를 갖는 영역 내에 배치되는 것인 집적 회로.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 집적 회로는 적어도 10개의 전압 센서를 포함하고, 상기 미리 규정된 전압 오프셋 범위는 5 내지 300 mV인 것인 집적 회로.
   
9. 제4항에 있어서,
   상기 처리 회로는 상기 전압 레벨 센서가 상기 발생된 디지털 결과를 스위칭하는 개별적인 전압 오프셋을 결정하도록 상기 복수 개의 전압 레벨 센서 각각을 교정하는 교정 회로를 포함하는 것인 집적 회로.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 처리 회로는 상기 교정 회로에 응답하여 상기 복수 개의 전압 센서의 부분 집합을 디스에이블하도록 구성되고, 상기 부분 집합은 가장 큰 전압 오프셋을 갖는 상기 복수 개의 센서로부터 선택되는 것인 집적 회로.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 처리 회로는 상기 센서들 중 적어도 일부로부터의 결과를 조합하고 전반적인 전압 레벨 공급 변동을 결정하도록 통계 분석을 수행하는 것인 집적 회로.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 집적 회로는 미리 규정된 오프셋 전압 범위를 갖는 예정된 갯수의 센서를 포함하여, 상기 센서로부터의 통계상 중요한 결과가 달성되고, 보다 큰 미리 규정된 오프셋 전압 범위는 상기 통계상 중요한 결과를 달성하기 위해 더 많은 갯수의 센서를 필요로 하는 것인 집적 회로.
    
13. 제1항에 있어서,
    상기 처리 회로는 상기 집적 회로의 상이한 구역에서 센서들로부터의 결과를 조합하고 상기 상이한 구역 각각에서 공급 전압 레벨의 변동을 결정하도록 구성되는 것인 집적 회로.
    
14. 제1항에 있어서,
    상기 집적 회로는 복수 개의 에러 검출 회로와 에러 회복 회로를 더 포함하고,
    상기 복수 개의 에러 검출 회로는 상기 처리 회로에서 샘플링된 신호가 상기 신호가 샘플링된 후에 그리고 상기 샘플링과 동일한 또는 인접한 클록 사이클 중에 발생하는 시간 윈도우 내에서 변화하는지의 여부를 결정하고 상기 신호가 변화한다면 에러 신호를 발송하도록 구성되며,
    상기 처리 회로는 상기 에러 검출 회로로부터의 신호를 수신하고, 상기 복수 개의 센서들 중 하나가 공급 전압 레벨의 변화를 지시했는지의 여부를 에러 검출에 응답하여 결정하도록 구성되는 것인 집적 회로.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 처리 회로는 공급 전압 레벨의 변화를 지시한 상기 복수 개의 센서들 중 하나가 상기 에러 검출 회로에 가까운지의 여부를 결정하고, 가깝다면 상기 지점에서 공급 전압의 변화를 지시하도록 구성되는 것인 집적 회로.
    
16. 제4항에 있어서,
    상기 집적 회로는 복수 개의 에러 검출 회로와 에러 회복 회로와 교정 회로를 더 포함하고,
    상기 복수 개의 에러 검출 회로는 상기 처리 회로에서 샘플링된 신호가 상기 신호가 샘플링된 후에 그리고 상기 샘플링과 동일한 클록 사이클 중에 발생하는 시간 윈도우 내에서 변화하는지의 여부를 결정하고 상기 신호가 변화한다면 에러 신호를 발송하도록 구성되며,
    상기 교정 회로는 상태를 변동시키고 상기 에러 검출 회로가 에러를 각각 검출하는 시기를 결정하고, 상기 에러 검출 회로들 중 하나에서의 에러 검출에 응답하여 상기 에러 검출 회로에 가까운 상기 복수 개의 센서들 중 하나에 공급된 상기 기준 전압 레벨을 변동시켜, 상기 에러가 발생되는 지점에 가까운 지점에서 상기 센서가 공급 전압 레벨의 변화 신호를 발송하도록 구성되는 것인 집적 회로.
    
17. 제1항에 있어서,
    상기 처리 회로는 예정된 한계값 위로 올라가는 공급 전압의 변동을 검출하는 것에 응답하여 공급 전압, 클록 주파수 또는 처리 함수 중 적어도 하나를 변동시키도록 구성되는 것인 집적 회로.
    
18. 제4항에 있어서,
    상기 센서는 상기 디지털 결과를 래칭하는 래칭 회로를 포함하고, 상기 래칭 회로는 이 래칭 회로에 저장된 결과 데이터가 상기 처리 회로로 연속적으로 출력될 수 있도록 체인으로 배치되며, 상기 센서는 출력 제어 신호의 수신에 응답하여 상기 결과 데이터를 출력하도록 구성되는 것인 집적 회로.
    
19. 제1항에 있어서,
    상기 집적 회로는 복수 개의 플립 플롭을 더 포함하고, 상기 복수 개의 센서 각각은 상기 집적 회로 상의 상기 플립 플롭들 중 2개의 면적보다 작은 면적을 갖는 것인 집적 회로.
    
20. 집적 회로 내의 지점들에서 공급 전압 레벨의 변동을 감지하는 방법으로서,
    상기 집적 회로에 걸쳐 분포된 복수 개의 센서를 배치하는 단계로서, 상기 복수 개의 센서는 센서 내에서 트랜지스터 디바이스의 국부적인 공정 변동으로 인해 미리 규정된 전압 오프셋 범위 내에 있는 소정의 확률을 갖는 랜덤 전압 오프셋을 감지 결과가 갖도록 하는 트랜지스터 디바이스를 포함하는 것인 단계;
    상기 복수 개의 센서들 중 복수 개의 센서로부터의 결과를 처리 회로로 전달하는 단계;
    상기 공급 전압 레벨의 변동이 상기 미리 규정된 전압 오프셋 범위에 비해 감소되는 전압 오프셋 범위를 이용하여 결정될 수 있도록 상기 결과를 처리하는 단계를 포함하는 것인 공급 전압 레벨의 변동을 감지하는 방법.
    
21. 제20항에 있어서,
    상기 처리 단계는 상기 센서들 중 적어도 일부로부터의 결과들을 조합하여 전반적인 전압 레벨 공급 변동을 결정하도록 통계 분석을 수행하는 것인 공급 전압 레벨의 변동을 감지하는 방법.
    
22. 제20항에 있어서, 상기 방법은,
    상기 센서에 대해 원하는 오프셋 전압 에러 범위를 결정하는 단계;
    원하는 오프셋 전압 에러 범위를 제공하도록 센서의 크기를 선택하는 단계;
    상기 센서로부터 통계상 중요한 결과가 달성되도록 상기 원하는 오프셋 전압 에러 범위를 이용하여 다수의 상기 센서를 결정하는 단계로서, 더 큰 오프셋 전압 에러 범위는 상기 통계상 중요한 결과를 얻는 데에 더 많은 갯수의 센서를 필요로 하는 것인 단계;
    상기 갯수의 상기 센서를 상기 집적 회로에 걸쳐 상기 복수 개의 센서로서 배치하는 단계를 초기에 더 포함하는 것인 공급 전압 레벨의 변동을 감지하는 방법.
    
23. 집적 회로 내의 지점들에서 전압 레벨의 변동을 감지하는 복수 개의 감지 수단을 포함하는 집적 회로로서, 상기 복수 개의 감지 수단은 상기 집적 회로에 걸쳐 분포되고,
    상기 복수 개의 감지 수단은 상기 감지 수단 내에서 트랜지스터 디바이스의 공정 변동으로 인해 미리 규정된 전압 오프셋 범위 내에 있는 소정의 확률을 갖는 랜덤 전압 오프셋을 감지 결과가 갖도록 하는 트랜지스터 디바이스를 포함하며,
    상기 집적 회로는 상기 복수 개의 감지 수단 중 복수 개의 감지 수단으로부터 상기 결과를 처리하는 처리 수단으로 결과를 전달하도록 구성되어, 상기 전압 레벨의 변동이 상기 미리 규정된 전압 오프셋 범위에 비해 감소되는 전압 오프셋 범위를 이용하여 결정될 수 있는 것인 집적 회로.
    
24. 집적 회로로서,
    상기 집적 회로 내의 지점들에서 공급 전압 레벨의 변동을 감지하도록 구성되고, 상기 집적 회로에 걸쳐 분포되는 복수 개의 센서;
    복수 개의 에러 검출 회로 및 에러 회복 회로를 포함하고,
    상기 복수 개의 에러 검출 회로는 처리 회로에서 샘플링된 신호가 상기 신호가 샘플링된 후에 그리고 상기 샘플링과 동일한 또는 인접한 클록 사이클 중에 발생하는 시간 윈도우 내에서 변화하는지의 여부를 결정하고 상기 신호가 변화한다면 에러 신호를 발송하도록 구성되며,
    상기 복수 개의 센서는 센서 내에서 트랜지스터 디바이스의 국부적인 공정 변동으로 인해 미리 규정된 전압 오프셋 범위 내에 있는 소정의 확률을 갖는 랜덤 전압 오프셋을 감지 결과가 갖도록 하는 트랜지스터 디바이스를 포함하며,
    상기 집적 회로는 상기 복수 개의 센서 중 복수 개의 센서로부터의 결과를 처리 회로로 전달하고 상기 에러 검출 회로로부터의 에러 신호를 상기 처리 회로로 전달하도록 구성되고, 상기 처리 회로는 상기 공급 전압의 강하를 지시하는 상기 복수 개의 센서 중 하나와 에러를 검출하는 상기 에러 검출 회로 모두의 검출에 응답하여 상기 공급 전압의 변동을 결정하고, 상기 공급 전압의 강하를 지시하는 상기 복수 개의 센서 및 에러를 검출하지 않는 에러 검출 회로의 검출에 응답하여 상기 공급 전압 레벨의 변동을 결정하지 않도록 구성되는 것인 집적 회로.

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