TWI550288B - 用於決定電路之預定物理性質之變化的設備及方法 - Google Patents

Description

用於決定電路之預定物理性質之變化的設備及方法

本發明係關於用於決定電路之預定物理性質之變化的設備及方法。

在現代資料處理系統中，資料處理電路之個別組件正變得愈來愈小。隨著製程幾何尺寸縮小，個別電路組件之某些物理性質的變化正變得更為顯著，且需要能夠決定該等變化的技術。可在電路組件間顯著變化的一種物理性質稱為老化效應，組件之間老化效應的變化由個別電晶體之效能隨時間降級的變化產生。描述老化效應的監視技術的文章之實例為John Keane等人的「An Array-Based Odometer System for Statistically Significant Circuit Aging Characterization」，IEEE Journal of Solid-State Circuits，第46卷，第10號，2011年10月，及E Saneyoshi等人的文章「A Precise-Tracking NBTI-Degradation Monitor Independent of NBTI Recovery Effect」，2010 IEEE國際固態電路會議，第9期，數位電路及感測器。然而，此等技術兩者皆為侵入性的，需要使用外部測試器。

可在電路內的組件間變化之另一類型的物理性質為歷史效應，該歷史效應可發生在具有與基板絕緣的主體區域的電晶體中，該主體區域包含通道材料，用該通道材 料在電晶體之閘極下方的電晶體之源極與汲極之間建立通道。可用以產生具有與基板絕緣的主體區域之電晶體的一種已知技術稱為絕緣體上矽(Silicon-On-Insulator；SOI)技術，其中SOI通道材料形成於氧化物絕緣層上方的薄表面矽層之區域內且位於電晶體之閘極下方，從而減少對基板之電阻洩漏及藉由基板之電容性負載。然而，已發現主體區域上的電壓依賴於先前的電路活動，此狀況通常稱為歷史效應。主體區域上的此電壓變化可能對使用此等電晶體建構的組件之行為有影響。O Faynot等人的文章「A New Structure for In-Depth History Effect Characterization on Partially Depleted SOI Transistors」，2002 IEEE國際SOI會議，10/02，第35至36頁描述用於量測歷史效應之技術，但該文章類似於先前描述的文章為侵入性的且需要使用外部測試探針。

儘管使用外部測試裝備的技術在設計及製造組件期間可用以(例如)允許設定適合邊限，但由於若可在電路使用期間即時獲取關於此等變化的準確資訊，則可能採取某些動作以減少或至少約束此等變化，故仍希望提供允許電路在使用時「即時地」監視某些物理性質的變化的機制。大阪大學資訊系統工程系及JST,CREST的M Hashimoto的文章「Run-Time Adaptive Performance Compensation using On-Chip Sensors」，第16屆亞洲南太平洋設計自動化會議的ASPDAC'11會議錄，第285-290頁描述使用晶片上感測器的用於擷取延遲變化 的執行時間效能調適技術，其中隨後根據感測器輸出補償電路效能。所描述的技術不提供關於觀察到的變化之任何定量資訊。

已出版論述用於在操作積體電路期間即時地監視電晶體之老化效應之技術的大量文章。此等文章之實例包括：H Oner等人的文章「A Compact Monitoring Circuit for Real-Time On-Chip Diagnosis of Hot-Carrier Induced Degradation」，關於微電子測試結構的IEEE 1997國際會議之會議錄，第10卷，1997年3月；M Chen等人的文章「A TDC-Based Test Platform for Dynamic Circuit Ageing Characterisation」，2011 IEEE國際可靠性物理研討會(IRPS)，2011年4月10日至14日，2B.2.1-2B.2.5；K Stawiasz等人的文章「On-Chip Circuit For Monitoring Frequency Degradation due to NBTI」，IEEE CFP08RPS-CDR第46屆年度國際可靠性物理研討會，Phoenix，2008年，第532至535頁；及J Keane等人的文章「An All-In-One Silicon Odometer for Separately Monitoring HCI,BTI and TDBD」，IEEE固態電路雜誌(IEEE Journal of Solid-State Circuits)，第45卷，第4號，2010年4月，第817至829頁。此等技術中之每一技術將環式振盪器用作待監視之電路系統，因而缺乏靈活性，因為被監視的電路系統一定程度為人工的且無法直接表示實際資料處理設備之實際電路部分(例如，處理器內的關鍵路徑)。此外，將環式振盪器用作經監視電 路的此等技術無法量測某些物理性質(諸如，先前提及的歷史效應)，因為歷史效應主要歸因於靜態資料而發生，因此振盪器內發生的連續動態變化將遮蔽歷史效應。

在F.Chouard等人的文章「A Test Concept For Circuit Level Aging Demonstrated By A Differential Amplifier」，2010 IEEE國際可靠性物理研討會(IRPS)，2010年5月2日至6日，第826-829頁中，作者建議將加速老化技術應用於類比電路，藉此允許在強制老化電路之後由測試器進行量測，以模型化老化效應。此方法因此尋求藉由模型化/模擬老化而非藉由量測帶電電路中的實際老化，來考慮老化。

因此，將希望提供用於決定電路之預定物理性質的變化之更靈活的方法，可在電路之壽命期間按需要及在需要時即時地使用該方法。

自第一態樣來看，本發明提供用於決定電路之預定物理性質的變化之設備，該設備包含：用於產生輸出脈衝之經監視電路系統，該經監視電路系統經配置以使得每一輸出脈衝具有脈衝寬度，該脈衝寬度指示該預定物理性質之當前值；振盪器電路系統，該振盪器電路系統經配置以產生振盪時序參考訊號；計數器電路系統，該計數器電路系統經配置以參考振盪時序參考訊號，而產生每一輸出脈衝之相關聯計數值，該相關聯計數值指示該 輸出脈衝之脈衝寬度；以及比較電路系統，該比較電路系統經配置以比較至少兩個輸出脈衝之相關聯計數值，以產生用以決定該預定物理性質之變化的比較結果。

根據本發明，並不直接量測感興趣的物理性質，而是經監視電路系統經佈置以產生輸出脈衝，以使得脈衝寬度指示預定物理性質之當前值。存在大量方式使得經監視電路系統可經佈置以產生輸出脈衝，該輸出脈衝之脈衝寬度以此方式變化。舉例而言，可產生具有一寬度之脈衝，該寬度由經監視電路內的訊號傳播路徑延遲指定，其中傳播延遲將取決於感興趣的物理性質而變化。作為另一實例，電路可經佈置以產生輸出脈衝，該輸出脈衝之寬度由執行電容元件之充電操作所花費的時間指定，其中所花費的時間又將取決於感興趣的物理性質之當前值而變化。

根據本發明，提供計數器電路系統，該計數器電路系統接收每一輸出脈衝且亦接收由振盪器電路系統產生的振盪時序參考訊號。基於此等輸入，計數器電路系統隨後可產生每一輸出脈衝之相關聯計數值，該計數值指示脈衝寬度。特定言之，計數值識別輸出脈衝持續時間期間的時序參考訊號之振盪之數目。計數值因此形成數位資訊，該數位資訊提供物理性質之當前值的定量指示，其中比較電路系統隨後用以比較兩個或兩個以上此等計數值，以產生可用以決定預定物理性質之變化的比較結果。

由於經監視電路系統可採取各種形式，故本發明之技術十分靈活。特定言之，在一些實施例中，經監視電路系統可為不執行任何有效資料處理的虛設電路，而在另一實施例中，經監視電路系統可由設備內的主動電路(例如，處理器內的關鍵路徑或其他資料處理電路)形成。此外，可使用本發明之技術觀察許多不同物理性質。所有需要做的為確保經監視電路系統產生輸出脈衝，該輸出脈衝之脈衝寬度將變化，以反映感興趣的預定物理性質之任何變化。

在一個實施例中，經監視電路系統包含複數個經監視電路，且由比較電路系統比較的該至少兩個輸出脈衝包含由每一經監視電路產生的輸出脈衝，其中每一輸出脈衝之脈衝寬度指示產生該輸出脈衝的經監視電路內的該預定物理性質之當前值。因此，在此等實施例中，可在特定時間點處比較根據多個經監視電路產生的輸出脈衝決定的多個計數值，藉此實現關於各種經監視電路之間物理性質之變化程度的決定。

在一個實施例中，計數器電路系統包含每一經監視電路之單獨的計數器電路。

可以各種方式使用由比較電路系統產生的比較結果。在一個實施例中，設備進一步包含評估電路系統，該評估電路系統經配置以在比較結果指示複數個經監視電路內的該預定物理性質之當前值的變化大於預定臨限時，產生通知訊號。隨後可以各種方式使用通知訊號，(例如) 以向使用者提供警告通知，或引起設備操作的某些改變來減少該變化。

在替代性實施例中或此外，可定期啟動測試操作，測試操作之每次發生使複數個經監視電路產生相應輸出脈衝，隨後由計數器電路系統自該等輸出脈衝產生計數值。對於每一測試操作而言，比較電路系統經佈置以比較由計數器電路系統產生的計數值來產生該比較結果，且設備進一步包含評估電路系統，該評估電路系統經配置以經由一系列該等測試操作監視比較結果之變化，以決定該預定物理性質之變化。因此，在此等實施例中，可維持針對一系列測試操作產生的比較結果之歷史，且隨後由評估電路系統審查該歷史，以決定預定物理性質隨時間之變化。

複數個經監視電路可採取各種形式。在一個實施例中，複數個經監視電路包含測試的經監視電路及參考經監視電路。參考經監視電路配置成以便顯示該預定物理性質之基準值，且比較電路系統經配置以將來自測試的經監視電路的輸出脈衝之計數值與來自參考經監視電路的相應輸出脈衝之計數值比較，以產生該比較結果。

存在可使用此佈置監視的各種物理性質。然而，在一個實施例中，預定物理性質為測試的經監視電路內的組件之老化效應，該老化效應使該等組件之效能在使用中變化。

在一個此種實施例中，參考經監視電路形成為該測試 的經監視電路之複製品。此外，參考經監視電路僅對於測試操作有效，在該等測試操作中，由參考經監視電路產生輸出脈衝用於與來自測試的經監視電路的相應輸出脈衝比較，而測試的經監視電路對於除測試操作之外的其他操作有效，以使得測試的經監視電路中之組件比參考經監視電路中之組件更快速地經歷老化效應。在一個特定實施例中，除正在執行測試操作時之外，切斷參考經監視電路，因此與測試的經監視電路內的等效組件相比較，參考經監視電路內的組件老化十分緩慢。因此，由比較電路系統輸出的比較結果提供測試的經監視電路內的組件之老化程度的準確指示。

測試的經監視電路可採取各種形式，但在一個實施例中，測試的經監視電路用以在設備之正常操作模式中執行實際資料處理操作。因此，在一個實施例中，測試的經監視電路可形成設備之處理電路之關鍵路徑。此關鍵路徑內的組件之效能十分重要，且老化效應通常將隨時間增加傳播延遲。因此，上文描述的實施例之技術提供用於繼續定期監視測試的經監視電路內的老化效應之十分有用的機制，使得可在老化效應超過某預定位準時及在關鍵路徑內的任何實際定時失效之前，發出通知。

在替代性實施例中，複數個經監視電路分佈在積體電路內的不同位置處，且比較電路系統經配置以比較由每一經監視電路產生的相應輸出脈衝之相關聯計數值，以產生比較結果，該比較結果指示整個積體電路上的預定 物理性質之變化。此方法提供用於監視整個晶片上感興趣的物理性質之變化的簡單且有效機制。

此等實施例中感興趣的物理性質可採取各種形式。舉例而言，感興趣的物理性質可為組件之臨限電壓、組件之操作溫度或組件之歷史效應中之一者。

分佈在積體電路內的複數個經監視電路可採取各種形式，但在一個實施例中，該複數個經監視電路經佈置以該此相同，以便允許易於比較對由各個經監視電路產生的輸出脈衝決定的計數值。在一個實施例中，相同的經監視電路可為積體電路內的主動電路，例如，多核心實施之每一核心內的特定關鍵路徑。或者，經監視電路中之每一經監視電路可為以相同方式建構的虛設電路，以使得該等虛設電路之脈衝寬度輸出的任何變化反映該等各個虛設電路之間感興趣的物理性質之變化。

儘管經監視電路系統可包含上文論述的多個經監視電路，但在替代性實施例中，經監視電路系統可包含單一經監視電路，該單一經監視電路經配置以在不同時間產生至少兩個輸出脈衝，以使得每一輸出脈衝之脈衝寬度指示在產生該輸出脈衝時該單一經監視電路內的該預定物理性質之值。

此佈置可用於各種情境中，但在一個實施例中，單一經監視電路包含由電晶體形成的組件，該等電晶體具有與基板絕緣的主體區域，且預定物理性質為歷史效應，該歷史效應使該主體區域上之電壓取決於經監視電路之 先前活動而隨時間變化，藉此使組件之效能基於該先前活動隨時間變化。

在一個特定實施例中，單一經監視電路包含反相器鏈，該反相器鏈經佈置以產生上升邊緣輸出脈衝及下降邊緣輸出脈衝，上升邊緣輸出脈衝具有指示反相器鏈內上升邊緣傳播延遲的脈衝寬度，且下降邊緣輸出脈衝具有指示反相器鏈內下降邊緣傳播延遲的脈衝寬度。計數器電路系統經配置以產生該上升邊緣輸出脈衝之上升邊緣計數值及該下降邊緣輸出脈衝之下降邊緣計數值。比較電路系統經佈置以比較在不同時間產生的上升邊緣輸出脈衝之上升邊緣計數值及在不同時間產生的下降邊緣輸出脈衝之下降邊緣計數值，以產生比較結果。藉由獲取關於上升邊緣傳播延遲及下降邊緣傳播延遲之資訊，可準確地評估歷史效應之變化。

反相器鏈可採取各種形式，但在一個實施例中，反相器鏈包含偶數個反相器，其中每一反相器由SOI電晶體形成，且其中每隔一個反相器使該反相器之SOI電晶體佈置成主體接觸佈置。

在一個實施例中，在第一時間處藉由提供自DC邏輯0值的暫時轉換之輸入訊號驅動單一經監視電路，以產生第一上升邊緣輸出脈衝及第一下降邊緣輸出脈衝，且在第二時間處藉由提供自DC邏輯1值的暫時轉換之輸入訊號驅動單一經監視電路，以產生第二上升邊緣輸出脈衝及第二下降邊緣輸出脈衝，比較電路系統經佈置以 比較第一上升邊緣輸出脈衝及第二上升邊緣輸出脈衝之上升邊緣計數值且經佈置以比較第一下降邊緣輸出脈衝及第二下降邊緣輸出脈衝之下降邊緣計數值，以產生該比較結果。歷史效應由SOI電晶體上的靜態值之存在產生，因此藉由模擬自DC邏輯0態之暫時轉換與自DC邏輯1態之暫時轉換兩者，可構建經監視電路內的歷史效應之準確描述。

自第二態樣來看，本發明提供一種決定電路之預定物理性質的變化之方法，該方法包含以下步驟：採用經監視電路系統產生輸出脈衝，以使得每一輸出脈衝具有脈衝寬度，該脈衝寬度指示該預定物理性質之當前值；產生振盪時序參考訊號；參考振盪時序參考訊號，產生每一輸出脈衝之相關聯計數值，該相關聯計數值指示該輸出脈衝之脈衝寬度；以及比較至少兩個輸出脈衝之相關聯計數值，以產生用以決定該預定物理性質之變化的比較結果。

自第三態樣來看，本發明提供用於決定電路之預定物理性質的變化之設備，該設備包含：經監視電路系統構件，該經監視電路系統構件用於產生輸出脈衝，以使得每一輸出脈衝具有脈衝寬度，該脈衝寬度指示該預定物理性質之當前值；振盪器構件，該振盪器構件用於產生振盪時序參考訊號；計數器構件，該計數器構件用於參考振盪時序參考訊號，而產生每一輸出脈衝之相關聯計數值，該相關聯計數值指示該輸出脈衝之脈衝寬度；以 及比較構件，該比較構件用於比較至少兩個輸出脈衝之相關聯計數值，以產生用以決定該預定物理性質之變化的比較結果。

第1圖為示意性地圖示根據一個實施例之設備的方塊圖。經監視電路10經佈置以回應於設定測試啟用訊號而輸出脈衝12，脈衝12之寬度指示由經監視電路內的組件觀察到的感興趣的物理性質(在本文亦稱為預定物理性質)之當前值。計數器20經佈置以接收輸出脈衝且亦經佈置以接收由振盪器電路系統30產生的振盪器時序參考訊號32。振盪器電路系統可採取各種已知形式中之任何形式(例如，環式振盪器)且振盪器電路系統經佈置以產生相對高的頻率振盪訊號，以便使計數器能夠決定脈衝12之寬度內的該時序參考訊號之振盪的數目。

由計數器產生的計數值隨後轉發至比較電路系統40，用於與關於另一輸出脈衝產生的至少一個其他計數值比較。

在第1圖之實例中，再次回應於設定至經監視電路之測試啟用輸入，由經監視電路15產生另一輸出脈衝17。向計數器25提供脈衝17，計數器25亦接收與向計數器20提供的振盪時序參考訊號相同的振盪時序參考訊號32且因此產生脈衝17之相應計數值。

儘管在第1圖中經監視電路10及經監視電路15圖示 為單獨的電路，各自具有該等經監視電路自身的計數器電路20、計數器電路25，但經監視電路15在替代性實施例中實際上可為與經監視電路10相同的同一個電路，其中脈衝12、脈衝17表示由單一經監視電路在不同時間產生的脈衝。在此實施例中，應瞭解，計數器電路系統20、計數器電路系統25亦可由單一計數器電路形成，其中由計數器輸出的計數值經集取用於比較電路系統40進行後續比較。

在實際上提供多個經監視電路的實施例中，應瞭解，可按需要提供任何數目之經監視電路，且因此可產生多於兩個計數值用於由比較電路系統40進行比較。

將由比較電路系統40產生的比較結果傳遞至評估電路系統50，且評估電路系統可採取各種形式。在一個實施例中，評估電路系統50可分析由比較電路系統獨立產生的每一比較結果，且評估電路系統50可在比較結果指示藉由比較電路系統比較的各個計數值所證明的預定物理性質之變化大於預定臨限時，產生通知訊號。可以各種方式使用此通知訊號，(例如)以向使用者提供警告通知，或引起設備操作的某些改變化來減少該變化。作為一個特定實例，若正被監視的預定物理性質為溫度，且由比較電路系統參考計數值觀察到的溫度變化超過預定臨限，則可降低設備之操作速度，以尋求減少溫度變化，及/或可啟動與經監視電路中之一或更多個經監視電路相關聯的冷卻元件。

在替代性實施例中，評估電路系統50可具有相關聯儲存器55，在相關聯儲存器55中，儲存器55保持由比較電路系統40產生的一系列測試的比較結果之歷史，因此使比較結果隨時間變化之方式能夠被評估，其中此資訊隨後用以識別感興趣的預定物理性質之變化。

存在可佈置經監視電路10、經監視電路15的大量方式，以使得經監視電路10、經監視電路15產生輸出脈衝，該輸出脈衝之脈衝寬度變化以反映在經監視電路之組件內發生的預定物理性質的變化。在一個實施例中，如第2A圖及第2B圖中所示，訊號傳播延遲可經佈置以取決於預定物理性質而變化，且因此可監視整個特定路徑上的傳播延遲，其中正在產生的脈衝之寬度表示該傳播延遲。特定言之，如第2A圖中所示，傳播延遲路徑105可由複數個組件形成，且輸入測試訊號可經由該延遲路徑105投送至脈衝產生電路系統110之一個輸入。脈衝產生電路系統之第二輸入可直接接收輸入測試訊號(亦即，不由傳播路徑105延遲)。

第2B圖圖示可如何產生脈衝，該脈衝之寬度取決於經由路徑105之傳播延遲。特定言之，提供輸入訊號A，該輸入訊號A在時間115處轉換至邏輯1位準。在提供該訊號作為至延遲路徑105之輸入之後，來自延遲路徑之輸出訊號由訊號B圖示，該訊號B在時間120處轉換至邏輯1位準。脈衝產生電路110隨後可基於輸入訊號A及輸入訊號B佈置，以產生併入脈衝125的輸出訊號 C，脈衝125之寬度取決於時間115與時間120之間的延遲。存在脈衝產生電路可經佈置以產生此脈衝的大量方式，但在一個實施例中，脈衝產生電路110採取XOR邏輯閘的形式。

然而，傳播延遲並非可用於產生脈衝的唯一機制，該脈衝之寬度取決於預定物理性質之變化而變化。特定言之，第3A圖及第3B圖圖示另一實例，其中通過電晶體155之讀取電流取決於預定物理性質而變化，且此變化可藉由監視讀取電流充電特定電容元件160所花費的時間來變換成脈衝。在第3A圖中所示之實例中，電晶體155連接在電源Vdd與節點B之間，其中電晶體155之閘極連接至輸入測試訊號。隨後將電容器160及電阻器165平行置放於節點B與接地連接件之間。連接至節點B的反相器170隨後用以向脈衝產生器175提供一個輸入訊號C。由輸入測試訊號A向脈衝產生器175提供另一輸入。

第3B圖示意性地圖示如何在此電路內產生脈衝。輸入測試訊號A在時間180處轉換至邏輯1位準，藉此開啟電晶體155。直至該時間為止，電晶體155已關閉，且因此節點B在邏輯0位準處，從而使得提供邏輯1值作為至脈衝產生器175之輸入C。然而，一旦電晶體已開啟，則節點B處的電壓開始升高，如第3B圖中線185所示。在某一點處，節點B處的電壓達到一位準，使來自反相器170的輸出將狀態自邏輯1位準跳轉至邏輯0 位準，如第3B圖中線190所示。脈衝產生器175可用以產生脈衝，該脈衝之寬度195取決於輸入測試訊號A之上升邊緣180與訊號C之下降邊緣190之間的時間。可以各種方式形成脈衝產生器175，但在一個實施例中，脈衝產生器175採取AND邏輯閘的形式。

第4圖圖示第1圖之電路系統之特定實施例，其中提供兩個經監視電路，亦即測試電路210及參考電路220。測試電路210耦接至相關聯測試電路計數器215，而參考電路220連接至相關聯參考電路計數器225，計數器215、計數器225兩者亦自振盪器電路系統230接收振盪時序參考訊號。

在此實施例中，感興趣的預定物理性質為老化效應，且特定言之，需要關於測試電路之組件正如何磨損的指示。在此實施例中，測試電路可採取各種形式，但在一個實施例中，測試電路表示資料處理設備之主動電路系統，在該主動電路系統中，組件之磨損為重大擔憂，一個此種實例為處理器核心之關鍵路徑內的電路系統。

提供磨損測試選擇電路200，以在設定輸入測試控制訊號時啟動測試操作。當設定測試控制訊號時，磨損測試選擇電路200將電源啟用訊號發送至電源控制器240，以開啟參考電路220。特定言之，在此測試中，希望參考電路顯示預定物理性質之基準值，因此在考慮老化效應時，重要的是參考電路老化至最小可能程度。因此，在一個特定實施例中，參考電路220佈置成測試電 路210之複製品，但不同於測試電路，參考電路僅按執行測試操作所需要的及當需要執行測試操作時開啟電源。在所有其他時間處，將參考電路斷電，以便將參考路徑保持於儘可能理想的狀態，亦即，以儘可能接近地反映測試電路之未經受老化的版本。

當設定測試控制訊號時，亦將測試資料輸入至磨損測試選擇電路200，自磨損測試選擇電路200，測試資料被平行輸入至測試電路210與參考電路220兩者。相應計數器215、計數器225因此產生計數值，該等計數值指示由測試電路210及參考電路220產生的脈衝之寬度，且該等兩個計數值隨後由比較與評估電路系統235比較。

在第4圖中所示之實施例中，若決定測試電路之磨損已超過預定位準，則自比較與評估電路系統輸出通知訊號。比較與評估電路系統235可經配置以產生此通知訊號之一種方式圖示於第5圖中。

如第5圖中所示，假定計數值A為自參考電路計數器225輸出的n位元值，而計數值B亦為由測試電路計數器值215輸出的n位元值。比較電路系統由全加法器250、260、270、280之序列形成，全加法器250、260、270、280經佈置以決定兩個計數值之間的差。特定言之，藉由在全加法器內執行計數值A之反相版本與計數值B相加加上注入的邏輯1值(在最低有效位元位置)，來執行計算B-A。因此，如圖所示，每一全加法器250、 260、270、280包括兩個計數值之相應位元，其中計數值A之有關位元在輸入至全加法器之前反相。全加法器250計算差之最低有效位元，因此全加法器250接收邏輯1值之進位輸入。向下一個全加法器260提供來自全加法器250之任何進位輸出作為進位輸入值，且確實，此佈置在加法器之整個集合內波動，使得向下一個全加法器(亦即，處理計數值之相鄰更有效位元的全加法器)提供來自一個全加法器之任何進位輸出作為進位輸入。忽略來自最終加法器280之進位輸出值。由各個全加法器產生的合計位元儲存在合計暫存器290內，此後由MSB評估電路系統295評估某一數目之最有效位元。所考慮的最有效位元之數目將取決於實施，且特定言之，取決於將容忍測試電路中多大程度的磨損。若發現邏輯1值存在於由評估電路系統295審查的最有效位元中之任何最有效位元中，則設定通知訊號。

第6圖圖示替代性實施例，其中可評估整個晶片上的預定物理性質之變化。特定言之，如第6圖中所示，積體電路300可包括複數個經監視電路及相關聯計數器305、310、315、320，此等各個電路分佈於整個積體電路中，以使預定物理性質之量測能夠自晶片內的各種實體位置獲取。如先前描述的實施例，振盪器電路325向計數器中之每一計數器提供振盪時序參考訊號，且所產生的輸出計數值被投送至比較器電路330。比較器電路330可經佈置以在來自各個經監視電路的計數值變化大 於某預定臨限(例如，藉由決定最大計數值及最小計數值及評估該等最大值與最小值之間的差)時，產生通知訊號。或者，可記錄針對在不同時間執行的一系列測試所獲取的比較結果，且該等比較結果隨後經評估以決定預定物理性質如何隨時間變化。

在第6圖中所示實施例中，通常將希望各個經監視電路為該此相同的複製品。在一些實施例中，各個經監視電路可為經引入僅供測試操作期間使用的虛設電路，但或者，各個經監視電路可為用以在積體電路內執行處理功能的主動電路。在一個特定實例中，經監視電路可為多核心積體電路之每一核心內的關鍵路徑部分，藉此允許監視不同核心內正在發生的預定物理性質之變化。

為使第6圖之系統能夠提供準確的晶片上變化分析，經監視電路應由足夠數目之組件組成，以使任何局部變化最終達到平衡。

第7圖圖示用以監視SOI電晶體之歷史效應之變化的替代性實施例。如第7圖中所示，提供SOI延遲鏈及脈衝產生器405，SOI延遲鏈及脈衝產生器405針對每一輸入測試訊號佈置以產生上升邊緣脈衝與下降邊緣脈衝兩者，該上升邊緣脈衝指示上升邊緣之傳播延遲，該下降邊緣脈衝指示下降邊緣之傳播延遲。分別向上升邊緣計數器410及下降邊緣計數器415提供上升脈衝及下降脈衝，上升邊緣計數器410及下降邊緣計數器415兩者皆自振盪器電路系統420接收相同時序參考訊號。隨後 向緩衝器425提供所產生的計數值，該等計數值暫時儲存在緩衝器425中，同時將一或更多個進一步輸入測試資料模式傳遞至延遲鏈405，以產生進一步上升邊緣計數及下降邊緣計數。

在一個特定實施例中，提供測試資料選擇器400，測試資料選擇器400在測試啟用訊號被確定時啟動兩個測試序列通過延遲鏈405。特定言之，輸入DC0測試資料模式作為第一測試資料，此測試模式表示自穩定的邏輯0態之暫時轉換。在該測試模式之後，隨後提供DC1測試資料模式作為第二測試資料，從而表示自邏輯1態之暫時轉換。

一旦上升邊緣計數及下降邊緣計數已儲存在緩衝器425內用於兩種測試資料模式，則比較器430、比較器435用以比較各個上升邊緣計數及各個下降邊緣計數，其中來自比較器的比較結果輸入至評估電路系統440。可以各種方式佈置評估電路系統440，但在一個實施例中，評估電路系統440將比較結果保持在儲存器445內，使得該等比較結果可與在不同時間獲取的其他比較結果相比較，藉此實現準確評估歷史效應在經監視電路405內如何隨時間變化。

第8圖更詳細地圖示根據一個實施例之第7圖之SOI延遲鏈及脈衝產生器405。特定言之，提供由相等數目之反相器組成的延遲鏈450，每一反相器由SOI電晶體形成，且每隔一個反相器使該反相器之電晶體佈置成主 體接觸佈置。因此，主體接觸反相器454不受歷史效應影響，且反而僅在反相器452內觀察到歷史效應。

NOR閘460接收來自延遲鏈450的輸出及經由反相器455的輸入之反相版本，而NOR閘475接收來自延遲鏈450(經由反相器470)的輸出之反相版本及原始輸入。因此，應理解，NOR閘460將產生脈衝，該脈衝之寬度取決於經由延遲鏈450的上升邊緣轉換之傳播延遲而變化，而NOR閘475產生脈衝，該脈衝之寬度取決於經由延遲鏈450的下降邊緣轉換之傳播延遲而變化。隨後將各個脈衝輸入至相應的NAND閘465、NAND閘480，NAND閘465、NAND閘480亦接收來自振盪器420的輸出。因此，在確定脈衝的時段期間，相應的NAND閘將在每次發生時序參考訊號之振盪時輸出邏輯1值，其中相應的計數器410、計數器415隨後保持自相應NAND閘接收的邏輯1值之數目的計數。

第9A圖及第9B圖示意性地圖示如何使用第7圖及第8圖之電路系統產生各個上升脈衝及下降脈衝。根據第9A圖中所示的DC0測試，將發生自邏輯0態之暫時轉換，從而使上升邊緣發生在時間500處且下降邊緣發生在時間515處。來自延遲鏈450的相應輸出藉由虛線表示，且因此上升邊緣將被延遲到時間505為止，且下降邊緣將被延遲到時間520為止。因此產生上升邊緣脈衝510及下降邊緣脈衝525，兩種脈衝皆具有指示上升脈衝或下降脈衝之相應延遲的寬度。

第9B圖圖示相應的DC1測試，表示自邏輯1態之暫時轉換。此外，下降邊緣530及上升邊緣545如由線535、線550所示被延遲，且因此產生下降脈衝540及上升脈衝555。

上文參閱第7圖、第8圖、第9A圖及第9B圖論述的佈置提供用於產生指示歷史效應之變化的數位資訊之尤其簡單且有效的機制。

第10圖為圖示根據一個實施例執行的測試操作之流程圖。在步驟600處，採用經監視電路系統以產生所需要的輸出脈衝。如應根據各種實施例之先前論述所瞭解的，可藉由佈置多個經監視電路以平行產生輸出脈衝或藉由採用單一經監視電路在不同時間產生多個輸出脈衝來實現此舉。

在步驟610處，產生振盪時序參考訊號，且隨後在步驟620處，產生每一輸出脈衝之計數值，從而識別在該輸出脈衝之脈衝寬度內已發生的時序參考訊號的振盪之數目。因此，產生指示脈衝寬度且因而指示預定物理性質值的數位計數值。

在步驟630處，比較所產生的各個計數值以產生比較結果，此後在步驟640處，使用比較結果評估感興趣的物理性質之變化。

根據實施例之上文描述，應瞭解，此等實施例提供用於決定電路之預定物理性質的變化之靈活且有效率的機制，可在電路之壽命期間按需要及在需要時「即時地」 使用該機制。根據所描述的技術，並不直接量測感興趣的預定物理性質，而是經監視電路系統經佈置以產生輸出脈衝，以使得脈衝寬度指示預定物理性質之當前值。計數器電路系統隨後產生每一輸出脈衝之相關聯計數值，此等計數值形成提供預定物理性質之當前值之定量指示的數位資訊，以使得隨後可比較兩個或兩個以上計數值，以產生可用以決定預定物理性質之變化的比較結果。

儘管本文已描述本發明之特定實施例，但應顯而易見的是，本發明並不限於該特定實施例，且可在本發明之範疇內進行許多修改及添加。舉例而言，可在不脫離本發明之範疇的情況下進行以下附屬請求項之特徵與獨立請求項之特徵的各種組合。

10‧‧‧經監視電路

12‧‧‧脈衝

15‧‧‧經監視電路

17‧‧‧脈衝

20‧‧‧計數器電路系統

25‧‧‧計數器電路系統

30‧‧‧振盪器電路系統

32‧‧‧振盪器時序參考訊號

40‧‧‧比較電路系統

50‧‧‧評估電路系統

55‧‧‧儲存器

105‧‧‧傳播延遲路徑

110‧‧‧脈衝產生電路

115‧‧‧時間

120‧‧‧時間

125‧‧‧脈衝

155‧‧‧電晶體

160‧‧‧電容器

165‧‧‧電阻器

170‧‧‧反相器

175‧‧‧脈衝產生器

180‧‧‧上升邊緣

185‧‧‧線

190‧‧‧下降邊緣

195‧‧‧脈衝寬度

200‧‧‧磨損測試選擇電路

210‧‧‧測試電路

215‧‧‧測試電路計數器

220‧‧‧參考電路

225‧‧‧參考電路計數器

230‧‧‧振盪器電路系統

235‧‧‧比較與評估電路系統

240‧‧‧電源控制器

250‧‧‧全加法器

260‧‧‧全加法器

270‧‧‧全加法器

280‧‧‧全加法器

290‧‧‧合計暫存器

295‧‧‧評估電路系統

300‧‧‧積體電路

305‧‧‧計數器

310‧‧‧計數器

315‧‧‧計數器

320‧‧‧計數器

325‧‧‧振盪器電路

330‧‧‧比較器電路

400‧‧‧測試資料選擇器

405‧‧‧SOI延遲鏈及脈衝產生器

410‧‧‧計數器

415‧‧‧計數器

420‧‧‧振盪器

425‧‧‧緩衝器

430‧‧‧比較器

435‧‧‧比較器

440‧‧‧評估電路系統

445‧‧‧儲存器

450‧‧‧延遲鏈

452‧‧‧反相器

454‧‧‧反相器

455‧‧‧反相器

460‧‧‧NOR閘

465‧‧‧NAND閘

470‧‧‧反相器

475‧‧‧NOR閘

480‧‧‧NAND閘

500‧‧‧時間

505‧‧‧時間

510‧‧‧上升邊緣脈衝

515‧‧‧時間

520‧‧‧時間

525‧‧‧下降邊緣脈衝

530‧‧‧下降邊緣

535‧‧‧線

540‧‧‧下降脈衝

545‧‧‧上升邊緣

550‧‧‧線

555‧‧‧上升脈衝

600‧‧‧步驟

610‧‧‧步驟

620‧‧‧步驟

630‧‧‧步驟

640‧‧‧步驟

A‧‧‧輸入訊號

B‧‧‧輸入訊號

C‧‧‧輸出訊號

將僅以舉例之方式，參閱在隨附圖式中所說明之本發明之實施例來進一步描述本發明，在該等隨附圖式中：第1圖為示意性地圖示根據一個實施例之設備的方塊圖；第2A圖及第2B圖示意性地圖示根據一個實施例之經監視電路；第3A圖及第3B圖示意性地圖示根據替代性實施例之經監視電路；第4圖為圖示併入測試電路與參考電路兩者的實施例 之方塊圖；第5圖為圖示根據一個實施例的第4圖之比較與評估電路系統之結構的圖；第6圖為根據一個實施例，包括分佈式經監視電路之積體電路之方塊圖；第7圖為圖示在一個實施例中用以監視SOI電晶體之歷史效應之變化的佈置的方塊圖；第8圖更詳細地圖示根據一個實施例之第7圖之SOI延遲鏈及脈衝產生器；第9A圖及第9B圖圖示根據一個實施例，當使用第7圖之設備時產生的各個上升脈衝及下降脈衝；以及第10圖為圖示根據一個實施例，決定電路之預定物理性質的變化之方法的流程圖。

10‧‧‧經監視電路

12‧‧‧脈衝

15‧‧‧經監視電路

17‧‧‧脈衝

20‧‧‧計數器電路系統

25‧‧‧計數器電路系統

30‧‧‧振盪器電路系統

32‧‧‧振盪器時序參考訊號

40‧‧‧比較電路系統

50‧‧‧評估電路系統

55‧‧‧儲存器

Claims (19)

1. 一種用於決定一電路之一預定物理性質的變化之設備，該設備包含：用於產生輸出脈衝之經監視電路系統，該經監視電路系統經配置以使得該等輸出脈衝之每一者具有一脈衝寬度，該脈衝寬度指示該預定物理性質之一當前值；振盪器電路系統，該振盪器電路系統經配置以產生一振盪時序參考訊號；計數器電路系統，該計數器電路系統經配置以參考該振盪時序參考訊號，而產生該等輸出脈衝之每一者之一相關聯計數值，該相關聯計數值指示該輸出脈衝之該脈衝寬度；以及比較電路系統，該比較電路系統經配置以比較至少兩個輸出脈衝之該等相關聯計數值，以產生用以決定該預定物理性質之該變化的一比較結果。
2. 如請求項1所述之設備，其中：該經監視電路系統包含複數個經監視電路；以及由該比較電路系統比較的該至少兩個輸出脈衝包含由每一經監視電路產生的一輸出脈衝，其中該等輸出脈衝之每一者之該脈衝寬度指示產生該輸出脈衝的該經監視電路內的該預定物理性質之一當前值。
3. 如請求項2所述之設備，其中該計數器電路系統包含每一經監視電路之一單獨的計數器電路。
4. 如請求項2所述之設備，該設備進一步包含評估電路系統，該評估電路系統經配置以在該比較結果指示該複數個經監視電路內的該預定物理性質之該當前值的該變化大於一預定臨限時，產生一通知訊號。
5. 如請求項2所述之設備，其中：定期啟動一測試操作，該測試操作之每次發生使該複數個經監視電路產生相應輸出脈衝，隨後由該計數器電路系統自該等輸出脈衝產生計數值；對於每一測試操作而言，該比較電路系統經佈置以比較由該計數器電路系統產生的該等計數值，以產生該比較結果；以及該設備進一步包含評估電路系統，該評估電路系統經配置以經由一系列該等測試操作監視該比較結果之變化，以決定該預定物理性質之該變化。
6. 如請求項2所述之設備，其中：該複數個經監視電路包含一測試的經監視電路及一參考經監視電路；該參考經監視電路配置成以便顯示該預定物理性質之一基準值；以及該比較電路系統經配置以將來自該測試的經監視電路的一輸出脈衝之該計數值與來自該參考經監視電路的一相應輸出脈衝之該計數值比較，以產生該比較結果。
7. 如請求項6所述之設備，其中該預定物理性質為該測試的經監視電路內的組件之一老化效應，該老化效應使該 等組件之效能在使用中變化。
8. 如請求項7所述之設備，其中：該參考經監視電路形成為該測試的經監視電路之一複製品；該參考經監視電路僅對於測試操作有效，在該等測試操作中，由該參考經監視電路產生一輸出脈衝用於與來自該測試的經監視電路的一相應輸出脈衝比較，而該測試的經監視電路對於除該等測試操作之外的其他操作有效，以使得該測試的經監視電路中之組件比該參考經監視電路中之該等組件更快速地經受該老化效應。
9. 如請求項8所述之設備，其中該測試的經監視電路用以在該設備之一正常操作模式中執行實際資料處理操作。
10. 如請求項2所述之設備，其中：該複數個經監視電路分佈在一積體電路內的不同位置處；以及該比較電路系統經配置以比較由每一經監視電路產生的相應輸出脈衝之該等相關聯計數值，以產生該比較結果，該比較結果指示整個該積體電路上的該預定物理性質之該變化。
11. 如請求項10所述之設備，其中該預定物理性質為組件的一臨限電壓、組件的一操作溫度及組件的一歷史效應中之一者。
12. 如請求項10所述之設備，其中該複數個經監視電路該此相同。
13. 如請求項1所述之設備，其中該經監視電路系統包含一單一經監視電路，該單一經監視電路經配置以在不同時間產生該至少兩個輸出脈衝，以使得該等輸出脈衝之每一者之該脈衝寬度指示在產生該輸出脈衝時該單一經監視電路內的該預定物理性質之一值。
14. 如請求項13所述之設備，其中該單一經監視電路包含由電晶體形成的組件，該等電晶體具有與一基板絕緣的一主體區域，且該預定物理性質為一歷史效應，該歷史效應使該主體區域上之電壓取決於該經監視電路之先前活動而隨時間變化，藉此使該等組件之效能基於該先前活動隨時間變化。
15. 如請求項14所述之設備，其中：該單一經監視電路包含一反相器鏈，該反相器鏈經佈置以產生一上升邊緣輸出脈衝及一下降邊緣輸出脈衝，該上升邊緣輸出脈衝具有指示該反相器鏈內上升邊緣傳播延遲的一脈衝寬度，且該下降邊緣輸出脈衝具有指示該反相器鏈內下降邊緣傳播延遲的一脈衝寬度；該計數器電路系統經配置以產生該上升邊緣輸出脈衝之一上升邊緣計數值及該下降邊緣輸出脈衝之一下降邊緣計數值；該比較電路系統經佈置以比較在不同時間產生的上升邊緣輸出脈衝之該等上升邊緣計數值及在不同時間產生的下降邊緣輸出脈衝之該等下降邊緣計數值，以產生該比較結果。
16. 如請求項15所述之設備，其中在一第一時間處藉由提供自一DC邏輯0值的一暫時轉換之一輸入訊號驅動該單一經監視電路，以產生一第一上升邊緣輸出脈衝及一第一下降邊緣輸出脈衝，且在一第二時間處藉由提供自一DC邏輯1值的一暫時轉換之一輸入訊號驅動該單一經監視電路，以產生一第二上升邊緣輸出脈衝及一第二下降邊緣輸出脈衝，該比較電路系統經佈置以比較該第一上升邊緣輸出脈衝及該第二上升邊緣輸出脈衝之該等上升邊緣計數值且經佈置以比較該第一下降邊緣輸出脈衝及該第二下降邊緣輸出脈衝之該等下降邊緣計數值，以產生該比較結果。
17. 如請求項1所述之設備，其中該經監視電路系統經配置以使得該經監視電路系統內的一訊號傳播延遲取決於該預定物理性質之該當前值，產生該等輸出脈衝之每一者以使得由該訊號傳播延遲決定該脈衝寬度。
18. 一種決定一電路之一預定物理性質的變化之方法，該方法包含以下步驟：採用經監視電路系統產生輸出脈衝，以使得該等輸出脈衝之每一者具有一脈衝寬度，該脈衝寬度指示該預定物理性質之一當前值；產生一振盪時序參考訊號；參考該振盪時序參考訊號，產生該等輸出脈衝之每一者之一相關聯計數值，該相關聯計數值指示該輸出脈衝之該脈衝寬度；以及 比較至少兩個輸出脈衝之該等相關聯計數值，以產生用以決定該預定物理性質之該變化的一比較結果。
19. 一種用於決定一電路之一預定物理性質的變化之設備，該設備包含：經監視電路系統構件，該經監視電路系統構件用於產生輸出脈衝，以使得該等輸出脈衝之每一者具有一脈衝寬度，該脈衝寬度指示該預定物理性質之一當前值；振盪器構件，該振盪器構件用於產生一振盪時序參考訊號；計數器構件，該計數器構件用於參考該振盪時序參考訊號，而產生該等輸出脈衝之每一者之一相關聯計數值，該相關聯計數值指示該輸出脈衝之該脈衝寬度；以及比較構件，該比較構件用於比較至少兩個輸出脈衝之該等相關聯計數值，以產生用以決定該預定物理性質之該變化的一比較結果。