1.本发明专利属于硬件老化监测领域，涉及一种非侵入式的复杂环境集成电路老化监测方法。
背景技术：2.在目前的老化监测技术大致分为3类：复制／金丝雀电路(replica／canary circuits)、原位传感器(in-situ sensors)、基于模型的监测(model based prediction)。
3.复制电路采用的是过程模拟方法，使用复制电路对被测电路老化过程进行模拟：使用一个原电路中关键路径的复制电路、相似电路，放置于原电路旁，但与原电路相隔离，通过测量复制电路在特定负载情况下 (大于或等于原电路的工作负载)的老化状况，以推测原电路的老化程度。
4.原位传感器技术是相对于备份电路存在的，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／电路模块里，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。
5.基于模型的监测采用的是间接测量，对电路老化建模后，测量老化因子以预测电路老化状态：通过测量电路工作负载、电压、温度等间接因素，再通过建立好的模型实时地对电路老化状态做出预测。
6.目前已有的检测方法主要是通过安装侵入式的老化监测器，使用此类技术缺点较明显，首先是成本问题，其次在运行时会对集成电路产生影响。还有就是通过物理检测方法解决问题，比如物理剖析法，旁路检测法，这些检测方法存在一系列问题，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。
技术实现要素：7.本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了一种非侵入式的复杂环境集成电路老化监测方法。本发明拟采用复制电路与基于模型的监测相结合的方式，无需对集成电路进行逆向工程就可实现监测，且监测是实时的，非侵入式的，采用一个外接模块与目标设备相连接，使用计算机或其他可接收数据的设备采集外接模块的老化参数即可获取集成电路的老化时间以及预期使用寿命。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：本发明首先提供了一种非侵入式的复杂环境集成电路老化监测方法，其包括如下步骤：步骤1：采用与目标集成电路上的静态随机存取存储器同类型的静态随机存取存储器在复杂环境下进行老化检测模拟，采集老化特性参数，提取其中存储模块老化特征数据和读写模块老化特征数据，建立老化监测-预测模型；其中，所述存储模块老化特征数据为上电时的存储单元高电平与低电平的数量占比；所述读写模块老化特征数据为误传输的比特数、数字电路时钟触发时间、数字电路上电
时间；步骤2：对于待预测的目标集成电路，嵌入一个外部模拟运行模块对目标集成电路的静态随机存取存储器进行读写上的模拟，将外部模拟运行模块的读写设置为与目标集成电路的静态随机存取存储器一致以达到复制目标集成电路运行状态的目的；外部模块模拟将老化特性数据存储或实时传输出去，与老化监测-预测模型相比对，输出目标集成电路的静态随机存取存储器老化时间以及预期寿命。
9.作为本发明的优选方案，步骤1所述复杂环境与步骤2中待预测的目标集成电路的实际工作环境完全相同，所述复杂环境为高温、高湿或强电磁干扰环境中的一种或多种。
10.作为本发明的优选方案，所述的高温指85℃至125℃；所述的高湿指相对湿度为70%至90%；所述的电磁干扰指最大可测瞬态电场强度不小于50v/m，且电磁测量灵敏度不大于10mv/m，且最大可测瞬态磁场强度不小于0.1a/m，且磁场测量灵敏度不大于1ma/m。
11.作为本发明的优选方案，所述存储模块包括多个存储单元，每个存储单元在上电时，其电位值会是随机偏向高电平或是低电平的，且在全新的静态随机存取存储器上电过后，逻辑高电平或低电平的分布大致相同；随着静态随机存取存储器的使用，上电时的高低电平的百分比会发生偏移，表现出上电时的存储单元高电平与低电平的数量占比的变化。
12.作为本发明的优选方案，所述的老化监测-预测模型如下：h = at3+bt
2 + ct + h0t
预期
= t
终止-t其中，h为静态随机存取存储器高电位占比（%），t为老化时间（天），a为温度影响参数，b为电磁影响参数，c为湿度影响参数，h0为无外界因素干扰下的全新静态随机存取存储器高电位占比；t
预期
为静态随机存取存储器预期的剩余寿命，t
终止
为静态随机存取存储器从使用到彻底老化的全周期寿命。
13.作为本发明的优选方案，所述的外部模拟运行模块为与待测集成电路的静态随机存取存储器共电源且共地的同型号静态随机存取存储器，且外部模拟运行模块还包括读写模块，读写模块可以是单片机或fpga。
14.作为本发明的优选方案，步骤2中，外部模拟运行模块需要在待预测的目标集成电路投入使用前，就嵌入到待预测的目标集成电路中；嵌入方法为：外部模拟运行模块与待测集成电路的静态随机存取存储器共电源且共地，即在同样的环境下使用相同的供电电压，提取目标集成电路的静态随机存取存储器正常使用下的每日平均读写次数，计算读写频率，存储老化特性数据。
15.作为本发明的优选方案，步骤2中，与老化监测-预测模型相比对之前，还包括判断外部模拟运行模块储存或传输出来的数据是否为有效数据的步骤，对于无效数据进行删除，对有效数据进行保留；其中，判断数据是否为有效数据的判别依据为：在一段连续时间内，某时间点采集的数据与前后采集的数据数值偏差在10%以上的判定为无效数据，否则为有效。
16.作为本发明的优选方案，步骤1中，老化检测模拟从全新的静态随机存取存储器开始，直到静态随机存取存储器彻底老化为止，其中，满足如下任一项，即认为静态随机存取存储器彻底老化：1）上升沿或下降沿时间延长30%；
2）整体时序时间延长15%；3）读写速率下降20%；4）一段时间的连续读写中的误比特平均数在1bit以上；所述读写模块老化特征数据用于判断参与模拟的静态随机存取存储器是否彻底老化。
17.与现有技术相比，本发明的有益之处是，本发明可以对复杂环境下的集成电路设备进行全寿命周期的非侵入式的实时监测，在完全不影响目标集成电路的运行的前提下，只需要消耗很低的功率即可实现寿命监测。可以在目标集成电路正常运行的情况下进行老化监测。
附图说明
18.图1 某型号静态随机存储器上电时高电位占比示意图。
19.图2 某型号静态随机存储器误传输的比特数示意图。
20.图3 具体实现老化监测方法的流程图。
具体实施方式
21.下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。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。
22.随机存取存储器在读写过程中，主要会产生两种类型的老化，一种是存储模块老化，另一种是读写模块老化。
23.本发明将这两种老化类型的变化特性参数进行采集后，建立特定的老化监测-预测模型，通过采集外部模块模拟目标集成电路器件运行后的特性参数的变化值，与已建立的模型值相比对得出集成电路的实际寿命与预期寿命。器件主要运行在一些复杂的环境中，比如高温、高湿、强电磁干扰的环境中，实现对复杂环境下的集成电路进行非侵入式的老化监测。
24.如图3所示，本发明实施例提供的非侵入式的复杂环境集成电路老化监测方法，其包括如下步骤：步骤1：采用与目标集成电路上的静态随机存取存储器同类型的静态随机存取存储器在复杂环境下进行老化检测模拟，采集老化特性参数，提取其中存储模块老化特征数据和读写模块老化特征数据，建立老化监测-预测模型；其中，所述存储模块老化特征数据为上电时的存储单元高电平与低电平的数量占比；所述读写模块老化特征数据为误传输的比特数、数字电路时钟触发时间、数字电路上电时间；步骤2：对于待预测的目标集成电路，嵌入一个外部模拟运行模块对目标集成电路的静态随机存取存储器进行读写上的模拟，将外部模拟运行模块的读写设置为与目标集成电路的静态随机存取存储器一致以达到复制目标集成电路运行状态的目的；外部模块模拟将老化特性数据存储或实时传输出去，与老化监测-预测模型相比对，输出目标集成电路的静态随机存取存储器老化时间以及预期寿命。
25.对于步骤1，存储模块的老化特性参数主要由随机存取存储器的上电逻辑状态来确定，即上电时的存储单元高电平与低电平的数量占比，该数量占比随老化时间的增加而带来的改变。
26.以使用最多的六晶体管标准静态随机存储器为例，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。四个晶体管组成一个双稳态锁存器来存储1位高低电平数据。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高电位或低电位。由于静态随机存储器的单个存储单元在设计过程中，每对匹配的晶体管与布局相关的寄生元件都完全对称。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想等的可能性被赋予高电平或低电平，实际值由随机无偏噪声决定。
27.每对p型和n型mos管中的阈值电压差异可以导致相同方向或相反方向的单元偏置。随机无偏噪声决定了上电时偏置为高电平或低电平。mos管对中更大的净不平衡导致更不平衡的静态随机存取存储器单元上电比例。
28.如果净阈值电压差异很小，电位值仍然会是随机偏向高电平或是低电平的，但是对于相对较大的净阈值电压的不平衡，电位状态将是稳定的，并且在多个上电周期内总是相同的，整个存储模块会显示为更多的偏向高电平或者低电平。
29.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，存储器中的逻辑高电平或低电平的分布大致相同。这时候我们考虑到老化效应这一晶体管特性，由于存储单元无法同时保持高低电平，存储时间的任何不同都会导致存储单元中晶体管阈值电压的不对称偏移，从而导致存储单元上电偏置的变化。
30.许多静态随机存取存储器，如fpga中的块随机存取存储器(brams)，被初始化为0，这再次增加了存储单元在低电平状态下受应力的时间比例。
31.在本发明中对集成电路老化时间的监测是基于当使用静态随机存取存储器时，上电时的高低电平的百分比的不可避免的偏移。与初始基准值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。
32.读写模块老化参数主要包括由于老化效应导致的误传输的比特数以及时钟的变化如数字电路时钟触发时间、数字电路上电时间等。读写模块老化特征数据用于判断参与模拟的静态随机存取存储器是否彻底老化。
33.步骤1中，老化检测模拟从全新的静态随机存取存储器开始，直到静态随机存取存储器彻底老化为止，其中，满足如下任一项，即认为静态随机存取存储器彻底老化：1）上升沿或下降沿时间延长30%；2）整体时序时间延长15%；3）读写速率下降20%；4）一段时间的连续读写中的误比特平均数在1bit以上。
34.本发明所述的老化监测-预测模型如下：h = at3+bt
2 + ct + h0t
预期
= t
终止-t其中，h为静态随机存取存储器高电位占比（%），t为老化时间（天），a为温度影响参数，b为电磁影响参数，c为湿度影响参数，h0为无外界因素干扰下的全新静态随机存取存储
器高电位占比；t
预期
为静态随机存取存储器预期的剩余寿命，t
终止
为静态随机存取存储器从使用到彻底老化的全周期寿命。
35.图1示例了某型号静态随机存储器上电时高电位占比随运行次数的变化图。图2示例了某型号静态随机存储器误传输的比特数随运行次数的变化图。从图中可见，随着运行次数的变化，上电时高电位占比和误传输的比特数都会成一定规律变化。
36.本发明所针对的目标集成电路的实际工作环境为复杂环境，其为高温、高湿或电磁干扰环境；其中所述的高温指85℃至125℃；所述的高湿指相对湿度为70%至90%；所述的电磁干扰指最大可测瞬态电场强度不小于50v/m，电磁测量灵敏度不大于10mv/m，最大可测瞬态磁场强度不小于0.1a/m，磁场测量灵敏度不大于1ma/m，系统场强测量精度优于
±
3db。本发明适用于上述复杂环境中的一个或多个条件同时存在的环境，特别是针对高温、高湿和电磁干扰同时存在的复杂环境，本发明仍然能进行精确的检测和预测。
37.以下结合某一具体实例对本发明做进一步的阐述。
38.在温度为90℃，相对湿度为75%，电场强度75v/m，最大可测瞬态磁场强度不小于0.15a/m的环境下，对23k640t标准6t型静态随机存取存储器模块进行测试,目标检测集成电路为stm32f103zet6型号单片机，嵌入同型号23k640t静态随机存取存储器，在每天读写6小时，平均读写强度为8192byte每10分钟，得到老化监测-预测模型：h = 0.0071t3‑ꢀ
0.1501t2+ 1.0905t + 48.954r
²ꢀ
= 0.9959t
预期
= t
终止-t。
39.运行第1天时采集到的高电位逻辑占比为50.0%，而高电位逻辑占比为50.0%的老化参数模型对应的的老化时间为1.12天；运行第8天时采集到的高电位逻辑占比为51.7%，而高电位逻辑占比为51.7%的老化参数模型对应的的老化时间为7.86天。由以上实验数据可以表明，老化监测-预测模型的预测准确率在天数级别时为100%，可以有效的得到复杂环境下集成电路老化监测数据。
40.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。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。
技术特征：1.一种非侵入式的复杂环境集成电路老化监测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：采用与目标集成电路上的静态随机存取存储器同类型的静态随机存取存储器在复杂环境下进行老化检测模拟，采集老化特性参数，提取其中存储模块老化特征数据和读写模块老化特征数据，建立老化监测-预测模型；其中，所述存储模块老化特征数据为上电时的存储单元高电平与低电平的数量占比；所述读写模块老化特征数据为误传输的比特数、数字电路时钟触发时间、数字电路上电时间；步骤2：对于待预测的目标集成电路，嵌入一个外部模拟运行模块对目标集成电路的静态随机存取存储器进行读写上的模拟，将外部模拟运行模块的读写设置为与目标集成电路的静态随机存取存储器一致以达到复制目标集成电路运行状态的目的；外部模块模拟将老化特性数据存储或实时传输出去，与老化监测-预测模型相比对，输出目标集成电路的静态随机存取存储器老化时间以及预期寿命。2.根据权利要求1所述的非侵入式的复杂环境集成电路老化监测方法，其特征在于，步骤1所述复杂环境与步骤2中待预测的目标集成电路的实际工作环境完全相同，所述复杂环境为高温、高湿或强电磁干扰环境中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的非侵入式的复杂环境集成电路老化监测方法，其特征在于，所述的高温指85℃至125℃；所述的高湿指相对湿度为70%至90%；所述的电磁干扰指最大可测瞬态电场强度不小于50v/m，且电磁测量灵敏度不大于10mv/m，且最大可测瞬态磁场强度不小于0.1a/m，且磁场测量灵敏度不大于1ma/m。4.根据权利要求1所述的非侵入式的复杂环境集成电路老化监测方法，其特征在于，所述存储模块包括多个存储单元，每个存储单元在上电时，其电位值会是随机偏向高电平或是低电平的，且在全新的静态随机存取存储器上电过后，逻辑高电平或低电平的分布大致相同；随着静态随机存取存储器的使用，上电时的高低电平的百分比会发生偏移，表现出上电时的存储单元高电平与低电平的数量占比的变化。5.根据权利要求1所述的非侵入式的复杂环境集成电路老化监测方法，其特征在于，所述的老化监测-预测模型如下：h = at3+bt
2 + ct + h0t
预期
= t
终止-t其中，h为静态随机存取存储器高电位占比（%），t为老化时间（天），a为温度影响参数，b为电磁影响参数，c为湿度影响参数，h0为无外界因素干扰下的全新静态随机存取存储器高电位占比；t
预期
为静态随机存取存储器预期的剩余寿命，t
终止
为静态随机存取存储器从开始使用到彻底老化的全周期寿命。6.根据权利要求1所述的非侵入式的复杂环境集成电路老化监测方法，其特征在于，所述的外部模拟运行模块为与待测集成电路的静态随机存取存储器共电源且共地的同型号静态随机存取存储器，且外部模拟运行模块还包括读写模块。7.根据权利要求6所述的非侵入式的复杂环境集成电路老化监测方法，其特征在于，步骤2中，外部模拟运行模块需要在待预测的目标集成电路投入使用前，就嵌入到待预测的目标集成电路中；嵌入方法为：外部模拟运行模块与待测集成电路的静态随机存取存储器共电源且共
地，即在同样的环境下使用相同的供电电压，提取目标集成电路的静态随机存取存储器正常使用下的每日平均读写次数，计算读写频率，存储老化特性数据。8.根据权利要求1所述的非侵入式的复杂环境集成电路老化监测方法，其特征在于，步骤2中，与老化监测-预测模型相比对之前，还包括判断外部模拟运行模块储存或传输出来的数据是否为有效数据的步骤，对于无效数据进行删除，对有效数据进行保留；其中，判断数据是否为有效数据的判别依据为：在一段连续时间内，某时间点采集的数据与前后采集的数据数值偏差在10%以上的判定为无效数据，否则为有效。9.根据权利要求1或5所述的非侵入式的复杂环境集成电路老化监测方法，其特征在于，步骤1中，老化检测模拟从全新的静态随机存取存储器开始，直到静态随机存取存储器彻底老化为止，其中，满足如下任一项，即认为静态随机存取存储器彻底老化：1）上升沿或下降沿时间延长30%；2）整体时序时间延长15%；3）读写速率下降20%；4）一段时间的连续读写中的误比特平均数在1bit以上；所述读写模块老化特征数据用于判断参与模拟的静态随机存取存储器是否彻底老化。
技术总结本发明公开了一种非侵入式的复杂环境集成电路老化监测方法，属于硬件老化监测领域。本发明将存储模块老化和读写模块老化的变化特性参数进行采集后，建立特定的老化监测-预测模型，通过采集外部模块模拟目标集成电路器件运行后的特性参数的变化值，与已建立的模型值相比对得出集成电路的实际寿命与预期寿命。本发明可以对复杂环境下的集成电路设备进行全寿命周期的非侵入式的实时监测，在完全不影响目标集成电路的运行的前提下，只需要消耗很低的功率即可实现寿命监测。可以在目标集成电路正常运行的情况下进行老化监测。路正常运行的情况下进行老化监测。路正常运行的情况下进行老化监测。
技术研发人员：王珺珺 曹瀚文 罗喜伶
受保护的技术使用者：北京航空航天大学杭州创新研究院
技术研发日：2022.06.01
技术公布日：2022/7/5
