CN101738578B - 集成电路能耗测量方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种集成电路能耗测量方法、装置及系统。该方法包括：在预设运行条件下，获取待测集成电路上电源网络的电阻矩阵，电源网络由一个电源输出节点和与之连接的负载节点构成；在预设测量时间内，获取电源网络中负载节点与电源输出节点之间的电压构成的电压矩阵；根据电源网络的电阻矩阵、电压矩阵以及相对地面的电压获得电源网络中属于待测集成电路电源引脚的负载节点能耗；根据属于待测集成电路电源引脚的负载节点能耗获得待测集成电路的总能耗。本发明实施例无需对待测集成电路板做任何改动，并能够测量大规模、电源引脚很多的集成电路，提高了测量精度。

Description

集成电路能耗测量方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及电路技术领域，尤其涉及一种集成电路能耗测量方法、装置及系统。

背景技术

目前，为了满足节能减排的需求，进行绿色节能产品开发，测试集成电路单板能耗不仅需要针对整块单板，还要针对单板中各模块或芯片等主要器件进行能耗测试，进而为开发人员设计单板电源提供参考。

现有的能耗测试方法需要修改电路板，在待测电路中加入电流互感器或采样电阻等器件进行测量，这种测量方法的测量精度受到采样器件的制约，较难测量大规模、电源引脚很多的集成电路。

发明内容

本发明实施例提供一种集成电路能耗测量方法、装置及系统，用以解决现有技术中测量精度受采样器件影响很大，并且无法测量大规模、电源引脚很多的集成电路的问题。

本发明实施例提供一种集成电路能耗测量方法，包括：

在预设运行条件下，获取待测集成电路上电源网络的电阻矩阵，所述电源网络由一个电源输出节点和与之连接的负载节点构成，所述电阻矩阵由所述电源网络中任意两个负载节点之间的电阻以及负载节点与电源输出节点之间的电阻构成；

在预设测量时间内，获取所述电源网络中负载节点与电源输出节点之间的电压构成的电压矩阵；

根据所述电源网络的电阻矩阵、电压矩阵以及所述电源网络相对地面的电压获得所述电源网络中属于所述待测集成电路电源引脚的负载节点能耗；

根据所述属于所述待测集成电路电源引脚的负载节点能耗获取所述待测集成电路上的总能耗。

本发明实施例提供一种集成电路能耗测量装置，包括：

测量模块，用于在预设运行条件下，获取待测集成电路上电源网络的电阻矩阵，所述电阻矩阵由所述电源网络中任意两个负载节点之间的电阻以及负载节点与电源输出节点之间的电阻构成，并在预设测量时间内，获取所述电源网络中负载节点与电源输出节点之间的电压构成的电压矩阵，所述电源网络由一个电源输出节点和与之连接的负载节点构成；

数据处理模块，用于根据所述测量模块测量的所述电源网络的电阻矩阵、电压矩阵以及所述电源网络相对地面的电压获得所述电源网络中属于所述待测集成电路电源引脚的负载节点能耗，并根据所述属于所述待测集成电路电源引脚的负载节点能耗获得所述待测集成电路的总能耗。

本发明实施例还提供一种集成电路能耗测量系统，包括控制模块、显示模块以及集成电路能耗测量装置；

所述控制模块用于设置运行条件和测量时间，控制所述集成电路能耗测量装置进行测量及数据处理；

所述显示模块用于在所述控制模块的控制下显示所述集成电路能耗测量装置的测量及数据处理结果。

本发明实施例的集成电路能耗测量方法、装置及系统，通过测量集成电路中各电源输出节点和与之连接的负载节点构成电源网络中的电阻矩阵和电压矩阵，获得属于待测集成电路电源引脚的负载节点能耗，进而获得待测集成电路的能耗，能够测量大规模、电源引脚很多的集成电路，无需对待测集成电路板做任何改动，提高了测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例提供的集成电路能耗测量方法流程图；

图2为本发明实施例提供的电源网络结构示意图一；

图3为本发明又一个实施例提供的集成电路能耗测量方法流程图；

图4为本发明实施例提供的电源网络结构示意图二；

图5为本发明一个实施例提供的集成电路能耗测量装置结构示意图；

图6为本发明又一个实施例提供的集成电路能耗测量装置结构示意图；

图7为本发明一个实施例提供的集成电路能耗测量系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一个实施例提供的集成电路能耗测量方法流程图，如图1所示，该方法包括：

S101、在预设运行条件下，获取待测集成电路上电源网络的电阻矩阵，其中，电源网络由一个电源输出节点和与之连接的负载节点构成，该电阻矩阵由电源网络中任意两个负载节点之间的电阻以及负载节点与电源输出节点之间的电阻构成；

S102、在预设测量时间内，获取电源网络中负载节点与电源输出节点之间的电压构成的电压矩阵；

其中，S101和S102并无先后顺序，先测量电阻矩阵或先测量电压矩阵均可。运行条件包括待测集成电路的中央处理单元(Central Processing Unit；以下简称：CPU)内核温度、工作频率等运行参数，在对待测集成电路进行测量前，可以使待测集成电路运行于某一运行条件下，这样便于在最后得出待测集成电路的能耗时，能够分析能耗与运行参数的关系，进而对不同运行参数下的能耗情况进行评估。

通常，一个印刷电路板(PrintedCircuitBoard；以下简称：PCB)上具有多个集成电路，可以分别对各个集成电路的能耗进行测量。电源网络是指PCB板上某一电源输出节点和与之连接的所有过孔、焊盘和PCB走线构成的网络，其中，电源输出节点是为PCB板供电的节点。其中，PCB走线和过孔是电源网络的连线，焊盘是电源网络的节点，除了电源输出节点以外的节点都是负载节点，而负载节点中的一部分是待测集成电路板的电源引脚，电源引脚是为集成电路供电的节点，集成电路的电源引脚可能分别属于各个不同的电源网络，测量集成电路的能耗主要是测量集成电路板上各电源引脚的能耗。

在一个电源网络中，我们通常只需选取电流较大的负载节点，而将电流较小的负载节点忽略，选取的负载节点越多，测量的精度越高。图2给出了一个电源网络的结构示意图，参见图2，该电源网络中包括一个电源输出节点和三个负载节点，该电源网络中的所有过孔均合并到PCB走线上，则电源网络上任意两个节点之间的电阻为PCB走线电阻与过孔电阻之和。可以将电源网络中的各个节点进行编号，测量出电源网络上任意两个节点之间的电阻，从而得出电源网络的电阻矩阵，由于每个电源网络的拓扑结构是确定的，因此，每个电源网络的电阻矩阵也是确定的，每个电源网络的电阻矩阵只需要测量一次。

在测量电源网络的电压矩阵时，只需要考虑电源输出节点与负载节点之间的电压，在待测集成电路通电后，电源输出节点与负载节点之间的电压通常只有几十毫伏，甚至更小，可以在预设的一段采集时间内，实施采集电源输出节点与各负载节点之间的电压，并构成电压矩阵，这样可以获取在一段采集时间内的电源网络上各负载节点的能耗曲线。

S103、根据电源网络的电阻矩阵、电压矩阵以及电源网络相对地面的电压获得电源网络中属于待测集成电路电源引脚的负载节点能耗；

根据每个电源网络的电阻矩阵和电压矩阵，可以获得电源网络中各个负载节点上的电流，而电源网络中的负载节点中，只有一部分是待测集成电路的电源引脚，我们只关心这部分电源引脚的能耗，根据该电源网络相对地面的电压，便可获取属于待测集成电路电源引脚的负载节点在该电源网络上的能耗，其中，电源网络相对地面的电压即为电源网络相对于“零电位”的电压。

S104、根据属于待测集成电路电源引脚的负载节点能耗获得待测集成电路的总能耗。

待测集成电路的能耗为各个电源引脚分别在各自的电源网络中的能耗总和，在测量结束之后，可以将集成电路的能耗至与测量时间描绘成关系曲线，从而能够观察集成电路能耗的变化趋势。进一步的，还可以得出集成电路的能耗与CPU占用率、内核温度、运行频率等参数之间的关系曲线，便于开发集成电路时进行器件选型、电源设计和能耗管理，进而有利于节能减排，降低成本并推广绿色节能产品。

本实施例提供的集成电路能耗测量方法，通过测量集成电路中各电源输出节点和与之连接的负载节点构成电源网络中的电阻矩阵和电压矩阵，获得属于待测集成电路电源引脚的负载节点在待测集成电路上的能耗，进而获得待测集成电路的能耗，能够测量大规模、电源引脚很多的集成电路，并且无需对待测集成电路板做任何改动，提高了测量精度。

图3为本发明又一个实施例提供的集成电路能耗测量方法流程图，如图3所示，该方法包括：

S201、测量电源网络中任意两个负载节点之间的电阻以及负载节点与电源输出节点之间的电阻；

S202、根据任意两个负载节点之间的电阻以及负载节点与电源输出节点之间的电阻生成每个电源网络对应的电阻矩阵，电阻矩阵的对角线元素为负载节点与电源输出节点之间的电阻，电阻矩阵的其他元素为任意两个负载节点之间的电阻；

参见图4，可以对电源网络中的各节点进行编号，构建电阻矩阵，构建电阻矩阵可以采用如下方式：

$R=\left[\begin{array}{ccc}{R}_{11}& R_{12}& R_{13}\\ R_{21}& R_{22}& R_{23}\\ R_{31}& R_{32}& R_{33}\end{array}\right]$

其中，电阻矩阵中的对角线元素R_ii表示负载节点i与电源输出节点之间的电阻，其他元素R_ij(i≠j)表示负载节点i与负载节点j之间的电阻，例如：R₁₁表示负载节点1与电源输出节点之间的电阻，R₂₃表示负载节点2和负载节点3之间的电阻。显然，R_ij＝R_ji，即该电阻矩阵是对称矩阵。

以上仅给出一个构成电阻矩阵的例子，电阻矩阵还可以采用其他形式构建，不一一列举。

S203、测量预设测量时间内电源网络中负载节点与电源输出节点之间的电压；

S204、根据负载节点与电源输出节点之间的电压生成电源网络对应的电压矩阵；

电压矩阵可以采用如下形式：

$U=\left[\begin{array}{c}{U}_1\\ U_2\\ U_3\end{array}\right]$

其中U_i表示负载节点i与电源输出节点之间的电压差。由于电源网络各节点之间的电阻很小，负载节点与电源输出节点之间的电压差通常也只有几十毫伏，甚至更小。

以上仅为构成电压矩阵的一个例子，电压矩阵的构建方法还可以随着电阻矩阵构建方式的变化而变化。

S205、根据电源网络的电阻矩阵和电压矩阵获取电源网络中属于待测集成电路电源引脚的负载节点上的电流；

具体的，电阻矩阵R的逆矩阵是电源网络的导纳矩阵Y，Y可表示为

$Y=\left[\begin{array}{ccc}{Y}_{11}& Y_{12}& Y_{13}\\ Y_{21}& Y_{22}& Y_{23}\\ Y_{31}& Y_{32}& Y_{33}\end{array}\right]$

导纳矩阵的对角线元素Y_ii表示负载节点i与电源输出节点之间的导纳，其他元素Y_ij(i≠j)表示负载节点i与负载节点j之间的导纳。导纳矩阵与电阻矩阵一样是对称矩阵。根据欧姆定律，流过各个负载节点的电流矩阵为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ I_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{Y}_{11}& Y_{12}& Y_{13}\\ Y_{21}& Y_{22}& Y_{23}\\ Y_{31}& Y_{32}& Y_{33}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{U}_1\\ U_2\\ U_3\end{array}\right]$

其中，电流矩阵I的每一项I_i表示流过负载节点i的电流。

S206、根据属于待测集成电路电源引脚的负载节点上的电流以及电源网络相对地面的电压获得电源网络中属于待测集成电路电源引脚的负载节点能耗；

由于获得了电流矩阵I的每一项I_i表示流过负载节点i的电流，因此，可以根据该电源网络相对地面的电压获得属于待测集成电路电源引脚的负载节点在该电源网络上的能耗。

S207、根据属于待测集成电路电源引脚的负载节点能耗获得待测集成电路的总能耗。

对于一个电源网络中选取的负载节点，不一定是同一个集成电路的电源引脚焊盘。因此，如果要计算某个集成电路在该电源网络消耗的功率，就要计算该集成电路在该电源网络上所有电源引脚的焊盘的功耗。比如，上述电源网络的3个负载点中，负载节点1和负载节点3是集成电路A的电源引脚的焊盘，而负载节点2是集成电路B的电源引脚的焊盘。如果要计算集成电路A在上述电源网络消耗的功率，就要把负载节点1和负载节点3的电流挑选出来，形成电流矩阵I′：

$I^{\′}=\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_3\end{array}\right]$

当然，如果上述3个负载节点都是集成电路A的电源引脚焊盘，那么I′＝I。若电源网络相对地面电压是V₁，那么电流I′所消耗的功率矩阵P₁：

$P_1=V_1\×I^{\′}=\left[\begin{array}{c}{V}_1\×I_1\\ V_1\×I_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{p}_1\\ p_3\end{array}\right]$

其中，p₁和p₃分别表示负载节点1和负载节点3所消耗的功率。因为负载节点1和负载点3都是集成电路A的电源引脚在电源网络V₁上的焊盘，集成电路A在电源网络V₁上消耗的功率P_V1是矩阵P₁中所有元素之和为：

P_V1＝∑p_i

其中，p_i是待测集成电路电源引脚在电源网络V₁上的焊盘，即负载节点点i所消耗的功率。在这里，集成电路A在电源网络V₁上消耗的功率为：

P_V1＝p₁+p₃

实际上很多集成电路连到多个电源网络上，例如：集成电路A还连到电压分别为V₂……V_n的n个电源网络上，那么集成电路A的能耗是其在n个电源网络上消耗的功耗之和，可以分别提取n个电源网络对应的电阻矩阵和电压矩阵，再分别计算出在这些电源网络上的能耗：

$P=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{vi}}$

其中，P_vi是待测集成电路在电源网络V_i上的能耗，可以由电源网络V_i的电阻矩阵、电压矩阵和电源网络电压值V_i计算出。如果集成电路A有三种电源引脚焊盘，分别连到电压为V₁、V₂和V₃的三个电源网络上，那么集成电路A的能耗为：

P＝P_v1+P_v2+P_v3

当然，如果集成电路A只有一种电源引脚焊盘，连到电源网络V₁上，可以算出集成电路能耗为：

P＝P_V1

待测集成电路的能耗为各个电源引脚在各自电源网络上的能耗总和，在测量结束之后，可以将集成电路的能耗至与测量时间描绘成关系曲线，从而能够观察集成电路能耗的变化趋势。进一步的，还可以得出集成电路的能耗与CPU占用率、内核温度、运行频率等参数之间的关系曲线。

本实施例提供的集成电路能耗测量方法，通过测量集成电路中各电源输出节点和与之连接的负载节点构成电源网络中的电阻矩阵和电压矩阵，得到属于待测集成电路电源引脚的负载节点上流过的电流，进而获得属于待测集成电路电源引脚的负载节点在待测集成电路上的能耗，能够测量大规模、电源引脚很多的集成电路，无需对待测集成电路所在的PCB板做任何改动，提高了测量精度。本实施例便于开发集成电路时进行器件选型、电源设计和能耗管理，进而有利于节能减排，降低成本并推广绿色节能产品。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

图5为本发明一个实施例提供的集成电路能耗测量装置结构示意图，如图5所示，该装置包括：测量模块51和数据处理模块52；

测量模块51，用于在预设运行条件下，获取待测集成电路上电源网络的电阻矩阵，该电阻矩阵由电源网络中任意两个负载节点之间的电阻以及负载节点与电源输出节点之间的电阻构成，并在预设测量时间内，获取电源网络中负载节点与电源输出节点之间的电压构成的电压矩阵，电源网络由一个电源输出节点和与之连接的负载节点构成；

数据处理模块52，用于根据测量模块51测量的所述电源网络的电阻矩阵、电压矩阵以及电源网络相对地面的电压获得电源网络中属于待测集成电路电源引脚的负载节点能耗，并根据属于待测集成电路电源引脚的负载节点能耗获得待测集成电路的总能耗。

其中，预设运行条件包括待测集成电路的CPU内核温度、工作频率等运行参数，在对待测集成电路进行测量前，可以对待测集成电路进行设置，使待测集成电路在某一运行条件下运行，进而可以在得出待测集成电路的能耗时，能够分析能耗与运行参数的关系，进而对不同运行参数下的能耗情况进行评估。

电源网络是PCB板上某一电源输出节点和与之连接的所有过孔、焊盘和PCB走线构成的网络。其中，PCB走线和过孔是电源网络的连线，焊盘是电源网络的节点，除了电源输出节点以外的节点都是负载节点，而负载节点中的一部分是待测集成电路板的电源引脚，集成电路的电源引脚可能分别属于各个不同的电源网络，测量集成电路的能耗主要是测量集成电路上各电源引脚的能耗。

在一个电源网络中，通常只需选取电流较大的负载节点，而将电流较小的负载节点忽略，选取的负载节点越多，测量的精度越高。电源网络上任意两个节点之间的电阻为PCB走线电阻与过孔电阻之和。在测量之前，可以在设置每个电源网络中的负载节点数，并将电源网络中的各个节点进行编号，从而通过测量模块51依次测量电源网络上任意两个节点之间的电阻，并将这些电阻至保存在测量模块51中，待所有阻值测量完毕之后，在测量模块51中得出电源网络的电阻矩阵。由于每个电源网络的拓扑结构是确定的，因此，每个电源网络的电阻矩阵也是确定的，每个电源网络的电阻矩阵只需要测量一次，在测量结束之后，测量模块51将测量所得的每个电源网络的电阻矩阵发送至数据处理模块52。

在测量电源网络的电压矩阵时，只需要考虑电源输出节点与负载节点之间的电压。在待测集成电路通电后，可以在预设的一段采集时间内，实时采集电源输出节点与各负载节点之间的电压，并构成电压矩阵，这样可以获取在一段采集时间内的电源网络上各负载节点的能耗曲线。

具体的，测量时间可以预先进行设置，可以在测量模块51中设置测量开始、结束标志，在测量过程中，当测量模块51检测到与预先定义的测量开始标记匹配的内容就开始测量，当测量模块51检测到预先定义的结束标记时便停止测量。测量模块51每进行一次测量就把测量到的电压数据构建成电压矩阵，并将电压矩阵发送至数据处理模块52。

为了全面评估集成电路运行在特定模式下的能效，测量模块51一检测到到测量开始，便自动反复采集电压数据并发送电压矩阵到数据处理模块52，直至测量模块51检测到结束标志为止。

数据处理模块52获取到测量模块51发送的每个电源网络的电阻矩阵和电压矩阵后，可以获得电源网络中各个负载节点上的电流，而电源网络中的负载节点中，只有一部分是待测集成电路的电源引脚，我们这部分电源引脚的能耗，根据该电源网络相对地面的电压，即电源网络相对于“零电位”的电压便可获取属于待测集成电路电源引脚的负载节点在该电源网络上的能耗。

待测集成电路的能耗为各个电源引脚在各自的电源网络中的能耗总和，在测量结束之后，数据处理模块52可以将集成电路的能耗至与测量时间描绘成关系曲线，从而能够观察集成电路能耗的变化趋势。进一步的，数据处理模块52还可以得出集成电路的能耗与CPU占用率、内核温度、运行频率等参数之间的关系曲线，便于开发集成电路时进行器件选型、电源设计和能耗管理，进而有利于节能减排，降低成本并推广绿色节能产品。

本实施例提供的集成电路能耗测量装置，通过测量集成电路中各电源输出节点和与之连接的负载节点构成电源网络中的电阻矩阵和电压矩阵，获得属于待测集成电路电源引脚的负载节点在待测集成电路上的能耗，进而获得待测集成电路的能耗，能够测量大规模、电源引脚很多的集成电路，无需对待测集成电路板做任何改动，提高了测量精度。

图6为本发明又一个实施例提供的集成电路能耗测量装置结构示意图，如图6所示，该装置包括：测量模块51和数据处理模块52；

进一步的，测量模块51包括：电阻矩阵测量单元511和电压矩阵测量单元512；

电阻矩阵测量单元511，用于获取待测集成电路上电源网络中的电阻矩阵；

电阻矩阵测量单元511包括：电阻测量子单元5111和电阻矩阵生成子单元5112；

电阻测量子单元5111，用于测量电源网络中任意两个负载节点之间的电阻以及负载节点与电源输出节点之间的电阻；

电阻矩阵生成子单元5112，用于根据电阻测量子单元5111测量的任意两个负载节点之间的电阻以及负载节点与电源输出节点之间的电阻生成电源网络对应的电阻矩阵，电阻矩阵的对角线元素为负载节点与电源输出节点之间的电阻，阻矩阵的其他元素为任意两个负载节点之间的电阻。

电压矩阵测量单元512，用于获取电源网络中的电压矩阵；

电压矩阵测量单元512包括：电压测量子单元5121和电压矩阵生成子单元5122；

电压测量子单元5121，用于测量预设测量时间内电源网络中负载节点与电源输出节点之间的电压；

电压矩阵生成子单元5122，用于根据电压测量子单元5121测量的负载节点与电源输出节点之间的电压生成电源网络对应的电压矩阵。

数据处理模块52包括：电流计算单元521和能耗计算单元522；

电流计算单元521，用于根据测量模块51测量的电源网络的电阻矩阵和电压矩阵获得电源网络中属于待测集成电路电源引脚的负载节点上的电流；

能耗计算单元522，用于根据电流计算单元521计算的每个负载节点上的电流以及相对地面的电压获得电源网络中属于待测集成电路电源引脚的负载节点能耗，并根据属于待测集成电路电源引脚的负载节点能耗获取预设运行条件下、待测集成电路的总能耗。

具体的，电阻矩阵测量单元511中的电阻测量子单元5111测量电源网络中任意两个负载节点之间的电阻以及负载节点与电源输出节点之间的电阻，电阻矩阵生成子单元5112根据任意两个负载节点之间的电阻以及负载节点与电源输出节点之间的电阻生成每个电源网络对应的电阻矩阵，电阻矩阵的对角线元素为负载节点与电源输出节点之间的电阻，电阻矩阵的其他元素为任意两个负载节点之间的电阻。

电阻矩阵生成子单元5112可以对电源网络中的各节点进行编号，构建电阻矩阵，构建电阻矩阵可以采用如下方式：

$R=\left[\begin{array}{ccc}{R}_{11}& R_{12}& R_{13}\\ R_{21}& R_{22}& R_{23}\\ R_{31}& R_{32}& R_{33}\end{array}\right]$

其中，电阻矩阵中的对角线元素R_ii表示负载节点i与电源输出节点之间的电阻，其他元素R_ij(i≠j)表示负载节点i与负载节点j之间的电阻，例如：R₁₁表示负载节点1与电源输出节点之间的电阻，R₂₃表示负载节点2和负载节点3之间的电阻。显然，R_ij＝R_ji，即该电阻矩阵是对称矩阵。当然，电阻矩阵生成子单元5112还可以采用其他形式生成电阻矩阵，不一一列举。

电压矩阵测量单元512中的电压测量子单元5121测量预设测量时间内电源网络中负载节点与电源输出节点之间的电压，电压矩阵生成子单元5122根据负载节点与电源输出节点之间的电压生成电源网络对应的电压矩阵，电压矩阵可以采用如下形式：

$U=\left[\begin{array}{c}{U}_1\\ U_2\\ U_3\end{array}\right]$

其中U_i表示负载节点i与电源输出节点之间的电压差。由于电源网络各节点之间的电阻很小，负载节点与电源输出节点之间的电压差通常也只有几十毫伏，甚至更小。电压矩阵生成子单元5122还可以根据电阻矩阵生成子单元5112生成电阻矩阵方式的变化而变化。

数据处理模块52中的电流计算单元521根据电源网络的电阻矩阵和电压矩阵获取电源网络中属于待测集成电路的负载节点上的电流，具体的，电阻矩阵R的逆矩阵是电源网络的导纳矩阵Y，Y可表示为：

$Y=\left[\begin{array}{ccc}{Y}_{11}& Y_{12}& Y_{13}\\ Y_{21}& Y_{22}& Y_{23}\\ Y_{31}& Y_{32}& Y_{33}\end{array}\right]$

导纳矩阵的对角线元素Y_ii表示负载节点i与电源输出节点之间的导纳，其他元素Y_ij(i≠j)表示负载节点i与负载节点j之间的导纳。导纳矩阵与电阻矩阵一样是对称矩阵。根据欧姆定律，流过各个负载节点的电流矩阵为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ I_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{Y}_{11}& Y_{12}& Y_{13}\\ Y_{21}& Y_{22}& Y_{23}\\ Y_{31}& Y_{32}& Y_{33}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{U}_1\\ U_2\\ U_3\end{array}\right]$

其中，电流矩阵I的每一项I_i表示流过负载节点i的电流。

数据处理模块52中的能耗计算单元522根据属于待测集成电路电源引脚的负载节点上的电流以及电源网络相对地面的电压获得电源网络中属于待测集成电路电源引脚的负载节点的能耗，由于获得了电流矩阵I的每一项I_i表示流过负载节点i的电流，因此，能耗计算单元522可以根据该电源网络相对地面的电压获得属于所述待测集成电路电源引脚的负载节点在该电源网络上的能耗。

进一步的，能耗计算单元522根据待测集成电路的电源引脚在各自的电源网络中的能耗获得待测集成电路上的总能耗。

对于一个电源网络中选取的负载节点，不一定是同一个集成电路的电源引脚焊盘。因此，如果要计算某个集成电路在该电源网络消耗的功率，就要计算该集成电路在该电源网络上所有电源引脚的焊盘的功耗。比如，上述电源网络的3个负载点中，负载节点1和负载节点3是集成电路A的电源引脚的焊盘，而负载节点2是集成电路B的电源引脚的焊盘。如果要计算集成电路A在上述电源网络消耗的功率，就要把负载节点1和负载节点3的电流挑选出来，形成电流矩阵I′：

$I^{\′}=\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_3\end{array}\right]$

当然，如果上述3个负载节点都是集成电路A的电源引脚焊盘，那么I′＝I。若电源网络相对地面电压是V₁，那么电流I′所消耗的功率矩阵P₁：

$P_1=V_1\×I^{\′}=\left[\begin{array}{c}{V}_1\×I_1\\ V_1\×I_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{p}_1\\ p_3\end{array}\right]$

其中，p₁和p₃分别表示负载节点1和负载节点3所消耗的功率。因为负载节点1和负载点3都是集成电路A的电源引脚在电源网络V₁上的焊盘，集成电路A在电源网络V₁上消耗的功率P_V1是矩阵P₁中所有元素之和为：

P_V1＝∑p_i

其中，p_i是待测集成电路电源引脚在电源网络V₁上的焊盘，即负载节点点i所消耗的功率。在这里，集成电路A在电源网络V₁上消耗的功率为：

P_V1＝p₁+p₃

实际上很多集成电路连到多个电源网络上，例如：集成电路A还连到电压分别为V₂……V_n的n个电源网络上，那么集成电路A的能耗是其在n个电源网络上消耗的功耗之和，可以分别提取n个电源网络对应的电阻矩阵和电压矩阵，再分别计算出在这些电源网络上的能耗：

$P=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{vi}}$

其中，P_vi是待测集成电路在电源网络V_i上的能耗，可以由电源网络V_i的电阻矩阵、电压矩阵和电源网络电压值V_i计算出。如果集成电路A有三种电源引脚焊盘，分别连到电压为V₁、V₂和V₃的三个电源网络上，那么集成电路A的能耗为：

P＝P_v1+P_v2+P_v3

当然，如果集成电路A只有一种电源引脚焊盘，连到电源网络V₁上，那么只需要一个能耗计算单元就可以算出集成电路能耗：

P＝P_V1

能耗计算单元522获得的待测集成电路的能耗为待测集成电路中各个电源引脚在各自电源网络上的能耗总和，能耗计算单元522还可以分别计算出集成电路的能耗与CPU占用率、内核温度、运行频率等参数之间的关系，从而得出集成电路的能耗与各种运行参数之间的关系曲线。

进一步的，基于该装置测量集成电路能耗的方法，数据处理模块52还可以计算出CPU执行指令的能耗，执行一条指令的能耗，执行某段程序脚本的能耗。

本实施例提供的集成电路能耗测量装置，通过测量集成电路中各电源输出节点和与之连接的负载节点构成电源网络中的电阻矩阵和电压矩阵，得到属于待测集成电路电源引脚的负载节点上流过的电流，进而获得属于待测集成电路电源引脚的负载节点在待测集成电路上的能耗，能够测量大规模、电源引脚很多的集成电路，无需对待测集成电路所在的PCB板做任何改动，提高了测量精度。便于开发集成电路时进行器件选型、电源设计和能耗管理，进而有利于节能减排，降低成本并推广绿色节能产品。

图7为本发明一个实施例提供的集成电路能耗测量系统结构示意图，如图7所示，该装置包括控制模块1、显示模块2以及集成电路能耗测量装置3；

控制模块1用于设置运行条件和测量时间，控制集成电路能耗测量装置3进行测量及数据处理；

集成电路能耗测量装置3用于在在控制模块1的控制下，在设置的运行条件下获取待测集成电路上电源网络的电阻矩阵，电阻矩阵由电源网络中任意两个负载节点之间的电阻以及负载节点与电源输出节点之间的电阻构成，并在设置的测量时间内，在控制模块1的控制下获取电源网络中负载节点与电源输出节点之间的电压构成的电压矩阵，电源网络由一个电源输出节点和与之连接的负载节点构成；根据测量的电源网络的电阻矩阵、电压矩阵以及电源网络相对地面的电压获得电源网络中属于待测集成电路电源引脚的负载节点能耗，并根据属于待测集成电路电源引脚的负载节点能耗获得待测集成电路的总能耗；

显示模块2用于在控制模块1的控制下显示所述集成电路能耗测量装置3的测量及数据处理结果。

其中，预设运行条件包括待测集成电路的CPU内核温度、工作频率等运行参数，在对待测集成电路进行测量前，可以通过控制模块1对待测集成电路进行设置，使待测集成电路在某一运行条件下运行，进而可以在得出待测集成电路的能耗时，能够分析能耗与运行参数的关系，进而对不同运行参数下的能耗情况进行评估。

电源网络是PCB板上某一电源输出节点和与之连接的所有过孔、焊盘和PCB走线构成的网络。其中，PCB走线和过孔是电源网络的连线，焊盘是电源网络的节点，除了电源输出节点以外的节点都是负载节点，而负载节点中的一部分是待测集成电路板的电源引脚，集成电路的电源引脚可能分别属于各个不同的电源网络，测量集成电路的能耗主要是测量集成电路上各电源引脚的能耗。

在一个电源网络中，通常只需选取电流较大的负载节点，而将电流较小的负载节点忽略，选取的负载节点越多，测量的精度越高。电源网络上任意两个节点之间的电阻为PCB走线电阻与过孔电阻之和。在测量之前，可以在控制模块1中设置每个电源网络中的负载节点数，并将电源网络中的各个节点进行编号，从而使控制模块1控制集成电路能耗测量装置3依次测量电源网络上任意两个节点之间的电阻，并将这些电阻进行保存，待所有阻值测量完毕之后，在集成电路能耗测量装置3中得出电源网络的电阻矩阵。由于每个电源网络的拓扑结构是确定的，因此，每个电源网络的电阻矩阵也是确定的，每个电源网络的电阻矩阵只需要测量一次。

在测量电源网络的电压矩阵时，只需要考虑电源输出节点与负载节点之间的电压。在待测集成电路通电后，可以在预设的一段采集时间内，集成电路能耗测量装置3实时采集电源输出节点与各负载节点之间的电压，并构成电压矩阵，这样可以获取在一段采集时间内的电源网络上各负载节点的能耗曲线。

具体的，测量时间可以预先在控制模块1中进行设置，可以设置测量开始、结束标志，在测试过程中，不断反馈测量结果到控制模块1，如果控制模块1检测到与预先定义的测量开始标记匹配的内容就控制集成电路能耗测量装置3开始测量，当控制模块1检测到预先定义的结束标记时控制集成电路能耗测量装置3停止测量。每进行一次测量就把测量到的电压数据构建成电压矩阵。

为了全面评估集成电路运行在特定模式下的能效，控制模块1一检测到到测量开始，便控制集成电路能耗测量装置3自动反复采集电压数据，直至控制模块1检测到结束标志为止。

集成电路能耗测量装置3根据每个电源网络的电阻矩阵和电压矩阵可以获得电源网络中各个负载节点上的电流，而电源网络中的负载节点中，只有一部分是待测集成电路的电源引脚，我们这部分电源引脚的能耗，根据该电源网络相对地面的电压，即电源网络相对于“零电位”的电压便可获取属于待测集成电路电源引脚的负载节点在该电源网络上的能耗。

待测集成电路的能耗为各个电源引脚在各自的电源网络中的能耗总和，在测量结束之后，集成电路能耗测量装置3可以将集成电路的能耗至与测量时间描绘成关系曲线，从而能够观察集成电路能耗的变化趋势。进一步的，集成电路能耗测量装置3还可以得出集成电路的能耗与CPU占用率、内核温度、运行频率等参数之间的关系曲线，便于开发集成电路时进行器件选型、电源设计和能耗管理，进而有利于节能减排，降低成本并推广绿色节能产品。其中，集成电路能耗测量装置3的每一步测量结果及数据处理结果均可以通过显示模块2进行显示，从而使测量过程更加直观以及便于分析测量及结果数据。

本实施例提供的集成电路能耗测量系统，通过测量集成电路中各电源输出节点和与之连接的负载节点构成电源网络中的电阻矩阵和电压矩阵，获得属于待测集成电路电源引脚的负载节点在待测集成电路上的能耗，进而获得待测集成电路的能耗，能够测量大规模、电源引脚很多的集成电路，无需对待测集成电路板做任何改动，提高了测量精度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种集成电路能耗测量方法，其特征在于，包括：

在预设运行条件下，获取待测集成电路上电源网络的电阻矩阵，所述电源网络由一个电源输出节点和与之连接的负载节点构成，所述电阻矩阵由所述电源网络中任意两个负载节点之间的电阻以及负载节点与电源输出节点之间的电阻构成；

在预设测量时间内，获取所述电源网络中负载节点与电源输出节点之间的电压构成的电压矩阵；

根据所述电源网络的电阻矩阵、电压矩阵以及所述电源网络相对地面的电压获得所述电源网络中属于所述待测集成电路电源引脚的负载节点能耗；

根据所述属于所述待测集成电路电源引脚的负载节点能耗获得所述待测集成电路的总能耗。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设运行条件下，获取待测集成电路上电源网络的电阻矩阵包括：

测量所述电源网络中任意两个负载节点之间的电阻以及负载节点与电源输出节点之间的电阻；

根据所述任意两个负载节点之间的电阻以及负载节点与电源输出节点之间的电阻生成所述电源网络对应的电阻矩阵，所述电阻矩阵的对角线元素为所述负载节点与电源输出节点之间的电阻，所述电阻矩阵的其他元素为所述任意两个负载节点之间的电阻。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述在预设测量时间内，获取所述电源网络中负载节点与电源输出节点之间的电压构成的电压矩阵包括：

测量预设测量时间内所述电源网络中负载节点与电源输出节点之间的电压：

根据所述负载节点与电源输出节点之间的电压生成所述电源网络对应的 电压矩阵。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述电源网络的电阻矩阵、电压矩阵以及所述电源网络相对地面的电压获得所述电源网络中属于所述待测集成电路电源引脚的负载节点能耗包括：

根据所述电源网络的电阻矩阵和电压矩阵获取所述电源网络中属于所述待测集成电路电源引脚的负载节点上的电流；

根据所述属于所述待测集成电路电源引脚的负载节点上的电流以及所述电源网络相对地面的电压获得所述电源网络中属于所述待测集成电路电源引脚的负载节点能耗。

5.一种集成电路能耗测量装置，其特征在于，包括：

测量模块，用于在预设运行条件下，获取待测集成电路上电源网络的电阻矩阵，所述电阻矩阵由所述电源网络中任意两个负载节点之间的电阻以及负载节点与电源输出节点之间的电阻构成，并在预设测量时间内，获取所述电源网络中负载节点与电源输出节点之间的电压构成的电压矩阵，所述电源网络由一个电源输出节点和与之连接的负载节点构成；

数据处理模块，用于根据所述测量模块测量的所述电源网络的电阻矩阵、电压矩阵以及所述电源网络相对地面的电压获得所述电源网络中属于所述待测集成电路电源引脚的负载节点能耗，并根据所述属于所述待测集成电路电源引脚的负载节点能耗获得所述待测集成电路的总能耗。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述测量模块包括：

电阻矩阵测量单元，用于获取待测集成电路上所述电源网络中的所述电阻矩阵；

电压矩阵测量单元，用于获取所述电源网络中的所述电压矩阵。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电阻矩阵测量单元包括：

电阻测量子单元，用于测量所述电源网络中任意两个负载节点之间的电 阻以及负载节点与电源输出节点之间的电阻；

电阻矩阵生成子单元，用于根据所述电阻测量子单元测量的任意两个负载节点之间的电阻以及负载节点与电源输出节点之间的电阻生成所述电源网络对应的电阻矩阵，所述电阻矩阵的对角线元素为所述负载节点与电源输出节点之间的电阻，所述电阻矩阵的其他元素为所述任意两个负载节点之间的电阻。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电压矩阵测量单元包括：

电压测量子单元，用于测量预设测量时间内所述电源网络中负载节点与电源输出节点之间的电压；

电压矩阵生成子单元，用于根据所述电压测量子单元测量的负载节点与电源输出节点之间的电压生成所述电源网络对应的电压矩阵。

9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块包括：

电流计算单元，用于根据所述测量模块测量的所述电源网络的电阻矩阵和电压矩阵获取所述电源网络中属于所述待测集成电路电源引脚的负载节点上的电流；

能耗计算单元，用于根据所述电流计算单元计算的所述每个负载节点上的电流以及相对地面的电压获得所述电源网络中属于所述待测集成电路电源引脚的负载节点能耗，并根据所述属于所述待测集成电路电源引脚的负载节点能耗获得在所述预设运行条件下、待测集成电路的总能耗。

10.一种集成电路能耗测量系统，其特征在于，包括控制模块、显示模块以及如权利要求5～9任一项所述的集成电路能耗测量装置；

所述控制模块用于设置运行条件和测量时间，控制所述集成电路能耗测量装置进行测量及数据处理；

所述显示模块用于在所述控制模块的控制下显示所述集成电路能耗测量装置的测量及数据处理结果。 

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