微系统SiP功耗分析与低功耗优化验证方法及系统与流程

本发明涉及半导体系统级封装设计验证，具体涉及微系统sip功耗分析与低功耗优化验证方法及系统。

背景技术：

1、微系统系统级封装集成数字模块、模拟模块和射频模块，不同模块工作频率、供电状态、功率密度、热边界和电磁敏感特性不同。常规功耗分析分别执行功耗汇总、热分析和电磁分析，模型采用固定参数且单向数据传递，存在跨物理域数据断点。模块功耗形成局部热源，通过封装基板、互连、散热结构和外部热边界传递，使模块工作温度变化。模块工作温度变化改变模块间传播路径导电结构状态和封装材料介电状态，模块间电磁传播路径传递状态发生变化。

2、热模型输出模块工作温度仅用于热状态评价，模块工作温度不能进入电磁模型参数更新，热状态和电磁状态之间数据传递中断。电磁模型在整个功耗分析中采用初始固定传递系数，无法反映当前温度状态相对于参考温度状态的电磁传播变化。反复计算模块功耗和模块工作温度不能完整表示温度变化引起模块间电磁传递状态变化后形成的附加功耗。对于局部高功耗、高频耦合和强热反馈同时存在的工作状态，直接采用候选功耗覆盖上一周期功耗产生较大单周期变化，固定更新幅度使功耗估计值在稳定状态附近往复波动。

3、微波及毫米波工作状态下，系统级封装内部互连结构具有分布参数特性。硅通孔、再布线层、封装走线、凸点及相邻地结构形成寄生电容和寄生电感，产生频率选择性电磁传播特征。局部温度改变传播路径介质状态或导电状态后，不仅改变传递强度，也使传播路径等效谐振位置发生频域偏移。数字模块开关噪声谐波频谱与射频模块敏感频带相对位置随温度变化时，仅使用随温度缩放的标量传递系数，难以区分耦合强度整体变化和频谱能量向敏感频带移动。数字模块时钟谐波由射频敏感频带外部移动至射频敏感频带内部时，即使源模块基础功耗变化较小，目标模块受到干扰程度也明显变化。

4、数字模块瞬态大规模开关和射频模块发射或敏感接收活动具有时间位置。两个活动时间窗口在源端时钟域内不重叠，数字开关干扰经过介质传播延迟后到达射频模块位置可能重叠，形成短时间高幅度耦合状态。传统低功耗策略主要降低平均功耗，在要求保持数字模块计算能力或射频模块工作状态场景下，单纯降低电压或关闭功能模块影响系统性能。现有技术缺乏根据动态电磁耦合状态定位高风险时间窗口并在时序裕度内调整数字模块时钟触发位置的手段，也缺乏利用测试数据校准电磁干扰传递关系和热传导网络参数的闭环机制。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供微系统sip功耗分析与低功耗优化验证方法及系统，解决了微系统系统级封装功耗分析中功耗计算、热传导与电磁干扰传递关系相互割裂、温度变化无法反馈修正模块间电磁传递关系、固定迭代更新幅度导致功耗估计值波动以及低功耗策略缺乏时域主动规避和测试数据回校模型机制的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、微系统sip功耗分析与低功耗优化验证方法，包括以下步骤：

4、获取微系统系统级封装内异构功能模块的工作状态参数，基于工作状态参数建立电磁干扰传递关系与热传导网络并形成多维功耗耦合模型；

5、将模块功耗估计值输入多维功耗耦合模型获得模块工作温度与电磁干扰响应，根据模块工作温度形成介电特性修正量和电导特性修正量，并据此更新电磁干扰传递关系；

6、将更新后的电磁干扰传递关系与模块工作温度回输入多维功耗耦合模型获得候选功耗估计值，根据候选功耗估计值与前一迭代周期功耗估计值的变化梯度确定迭代更新权重并更新模块功耗估计值，循环执行直至满足收敛条件，获得功耗分布数据；

7、根据功耗分布数据识别高功耗区域和功耗异常模块，依据识别结果形成包含时钟门控、电源域管理或工作模式切换的低功耗优化策略并完成仿真验证；

8、对通过仿真验证的低功耗优化策略进行测试验证，利用测试得到的功耗数据校正多维功耗耦合模型并输出优化效果评估结果。

9、作为本发明的一个优选技术方案，异构功能模块包括数字模块、模拟模块和射频模块；数字模块的工作状态参数包括工作频率、逻辑转换状态和切换活动状态，模拟模块的工作状态参数包括供电电压、偏置电流和信号增益，射频模块的工作状态参数包括发射功率、接收状态和工作频段；工作状态参数按照统一采样时间标记形成模块状态向量，并将模块状态向量输入多维功耗耦合模型。

10、作为本发明的一个优选技术方案，电磁干扰传递关系的建立包括：依据数字模块开关状态形成干扰源频谱描述；结合模拟模块和射频模块在对应频段的受扰响应形成受扰敏感度描述；结合异构功能模块之间的物理位置关系、互连关系及封装材料参数形成传播路径描述；按照干扰源频谱描述、受扰敏感度描述和传播路径描述生成模块间初始电磁干扰传递系数，并由模块间初始电磁干扰传递系数组成电磁干扰传递矩阵。

11、作为本发明的一个优选技术方案，热传导网络的建立包括：依据异构功能模块、封装基板和封装散热边界建立热节点以及热节点之间的热传递连接；为热节点和热传递连接配置由封装结构数据、材料热参数或标定数据形成的热网络参数；将模块功耗估计值映射为对应热节点的发热输入，并根据热节点之间的热传递连接求得各异构功能模块的模块工作温度。

12、作为本发明的一个优选技术方案，根据模块工作温度形成介电特性修正量和电导特性修正量，包括：针对电磁干扰传递矩阵中的模块间传递路径，根据模块工作温度以及与模块间传递路径对应的材料参数数据、封装结构电磁仿真标定结果或测试校准结果形成介电特性修正量；根据模块工作温度以及与模块间传递路径对应的互连导电参数数据或测试校准结果形成电导特性修正量；将介电特性修正量和电导特性修正量共同作用于对应的模块间初始电磁干扰传递系数，生成动态电磁干扰传递矩阵。

13、作为本发明的一个优选技术方案，确定迭代更新权重并更新模块功耗估计值，包括：对候选功耗估计值与前一迭代周期功耗估计值的差异进行归一化，形成反映当前迭代状态的功耗变化梯度；功耗变化梯度增大时减小迭代更新权重，功耗变化梯度减小时提高迭代更新权重；利用迭代更新权重对候选功耗估计值与前一迭代周期功耗估计值进行加权更新；全部异构功能模块的归一化功耗变化满足收敛阈值时输出功耗分布数据，检测到功耗变化连续增大时降低迭代更新权重并从最近稳定的模块功耗估计值重新进行迭代。

14、作为本发明的一个优选技术方案，识别高功耗区域和功耗异常模块，包括：根据功耗分布数据求取异构功能模块之间的相对功耗水平；结合异构功能模块的空间位置和相对功耗水平形成高功耗模块集合；根据高功耗模块集合的空间邻接关系形成高功耗区域；利用连续分析周期的功耗分布数据识别功耗突升、持续偏高或周期性异常中的至少一种功耗异常状态，并将对应异构功能模块标记为功耗异常模块。

15、作为本发明的一个优选技术方案，在形成低功耗优化策略之前，将连续分析周期的功耗分布数据和当前多维功耗耦合模型状态组合为预测输入，按照多维功耗耦合模型的热反馈关系与动态电磁干扰传递关系计算后续分析周期的功耗变化，计算结果满足功耗异常判定条件时输出对应异构功能模块的功耗预警信息，并将功耗预警信息作为低功耗优化策略的策略对象输入。

16、作为本发明的一个优选技术方案，利用测试得到的功耗数据校正多维功耗耦合模型，包括：将同一工作状态下的测试功耗数据与多维功耗耦合模型输出的功耗分布数据对齐形成模型残差；根据模型残差对电磁干扰传递矩阵中的模块间传递系数和热传导网络中的热网络参数进行联合参数拟合；以拟合后的模块间传递系数和热网络参数更新多维功耗耦合模型，并将更新后的多维功耗耦合模型用于后续分析周期。

17、作为本发明的一个优选技术方案，形成低功耗优化策略，包括：根据高功耗区域和功耗异常模块的功能状态确定可关闭时钟的数字模块或数字子功能单元以及时钟门控触发状态；根据异构功能模块的供电关联关系和功耗分布确定可调电源域及电源域状态转换规则；根据功耗异常状态、功能负载和时序约束形成工作模式切换条件；将时钟门控策略、电源域管理策略和工作模式切换策略中的至少一种形成策略候选集。

18、作为本发明的一个优选技术方案，对策略候选集进行仿真验证时，将策略候选集对应的控制状态输入多维功耗耦合模型和封装性能仿真模型，获得优化后功耗分布、模块工作温度和时序性能结果；功耗约束、热约束和时序性能约束同时满足时，将对应低功耗优化策略输出至测试验证；任一约束不满足时，根据超限结果调整对应控制状态并重新进行仿真验证。

19、作为本发明的一个优选技术方案，微系统系统级封装为移动终端射频前端系统级封装、车载毫米波雷达系统级封装、车载信息娱乐系统级封装或物联网通信网关系统级封装中的一种；测试验证采集与功耗分布数据对应的模块功耗、模块工作温度及至少一种时序性能参数，并根据优化前后数据生成优化效果评估结果。

20、作为本发明的一个优选技术方案，将介电特性修正量和电导特性修正量共同作用于对应的模块间初始电磁干扰传递系数，生成动态电磁干扰传递矩阵，包括：

21、根据介电特性修正量获得模块间电磁干扰传播路径的等效电容变化率，根据参考温度下的初始谐振频率以及等效电容变化率，按照谐振频率与等效电容平方根成反比的关系确定当前温度状态下的谐振频率，并将当前温度状态下的谐振频率与初始谐振频率之间的差值确定为有符号谐振频率偏移量，其中谐振频率向低频方向移动时有符号谐振频率偏移量为负值；

22、根据有符号谐振频率偏移量对干扰源频谱描述的频率坐标进行平移，获得偏移干扰源频谱描述，并将受扰敏感度描述归一化为受扰敏感度权重函数；

23、计算偏移干扰源频谱描述与受扰敏感度权重函数在目标频段内的频谱重叠积分量，频谱重叠积分量满足：

24、；

25、其中，为频谱重叠积分量，量纲为功率；为目标频段的频率下限，单位为hz；为目标频段的频率上限，单位为hz；为频率变量，单位为hz；为有符号谐振频率偏移量，单位为hz；为偏移干扰源功率谱密度，量纲为功率每赫兹；为受扰敏感度权重函数，无量纲；

26、将频谱重叠积分量与参考温度状态下的参考频谱重叠积分量进行基准归一化，形成无量纲频域耦合系数；将电导特性修正量转换为相对于参考温度状态的无量纲电导修正因子；将频域耦合系数与电导修正因子的乘积确定为模块间传递系数更新乘子，并利用模块间传递系数更新乘子修正对应的模块间初始电磁干扰传递系数，获得动态电磁干扰传递矩阵。

27、作为本发明的一个优选技术方案，形成低功耗优化策略，还包括：

28、获取动态电磁干扰传递矩阵中数字模块与射频模块之间的动态电磁干扰传递系数，在动态电磁干扰传递系数大于耦合隔离阈值时，提取数字模块的瞬态切换时间窗口以及射频模块的射频活动时间窗口，其中射频活动时间窗口包括射频发射时间窗口或射频接收敏感时间窗口中的至少一种；

29、根据电磁干扰传播路径的介电特性修正量获得当前温度状态下的等效相对介电常数，根据电磁干扰传播路径的物理长度、真空光速以及等效相对介电常数，按照传播延迟与传播路径物理长度成正比、与真空光速成反比且与等效相对介电常数平方根成正比的关系确定电磁干扰传播延迟时间；

30、利用电磁干扰传播延迟时间将数字模块的瞬态切换时间窗口映射至射频模块所在位置的物理时间轴，并与射频活动时间窗口建立统一物理时间轴，获得两个时间窗口的重叠区间；

31、根据重叠区间内数字模块的瞬态功率序列和数字模块至射频模块的动态电磁干扰传递系数形成射频模块位置处的瞬态耦合功率序列，并将瞬态耦合功率序列中的最大值确定为瞬态耦合峰值功率；

32、瞬态耦合峰值功率大于功率安全阈值时，在数字模块允许的时序调整范围内搜索使瞬态切换时间窗口与射频活动时间窗口不存在重叠区间的时间偏移量，并选择绝对值最小的时间偏移量作为最小时间偏移量；

33、生成包含最小时间偏移量的时序错位控制指令，将时序错位控制指令加入工作模式切换策略，并通过与数字模块时钟控制端连接的时钟延迟调整模块改变数字模块的时钟触发沿，使数字模块的瞬态切换时间窗口与射频活动时间窗口在统一物理时间轴上分离。

34、本发明还公开了微系统sip功耗分析与低功耗优化验证系统，用于执行如上所述的微系统sip功耗分析与低功耗优化验证方法，包括参数采集接口、模型求解模块、功耗分析与策略生成模块、验证校准模块、处理器和存储器；

35、参数采集接口与微系统系统级封装的工作状态监测节点连接，用于取得数字模块、模拟模块和射频模块的工作状态参数，并将工作状态参数输出至模型求解模块；

36、模型求解模块由处理器执行存储器中的模型求解指令实现，用于根据工作状态参数建立电磁干扰传递关系与热传导网络，根据模块功耗估计值获得模块工作温度，根据模块工作温度形成介电特性修正量和电导特性修正量并更新电磁干扰传递关系，根据更新后的电磁干扰传递关系获得候选功耗估计值，根据候选功耗估计值的变化状态确定迭代更新权重，循环输出满足收敛条件的功耗分布数据；

37、功耗分析与策略生成模块接收模型求解模块输出的功耗分布数据，结合异构功能模块的空间位置和功能状态形成高功耗区域、功耗异常模块及低功耗优化策略，并将低功耗优化策略发送至验证校准模块；

38、验证校准模块分别与封装性能仿真环境和测试数据采集接口建立数据连接，接收低功耗优化策略进行仿真验证和测试验证，根据测试功耗数据校正电磁干扰传递关系及热传导网络参数，并将校正后的模型参数返回模型求解模块；

39、功耗分析与策略生成模块在动态电磁干扰传递系数满足时序错位控制条件时，还用于根据数字模块的瞬态切换时间窗口、射频模块的射频活动时间窗口和电磁干扰传播延迟时间形成时序错位控制指令，并通过时钟控制接口将时序错位控制指令发送至数字模块的时钟延迟调整模块。

40、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

41、本发明通过获取数字模块、模拟模块和射频模块的工作状态参数，建立电磁干扰传递关系与热传导网络并形成多维功耗耦合模型，使模块功耗、模块工作温度和模块间电磁耦合状态在同一模型内形成连续数据依赖。与现有技术中功耗分析、热分析和电磁分析相互分离且仅进行单向数据传递的方式相比，本发明将热传导网络输出的模块工作温度继续用于形成介电特性修正量和电导特性修正量，并利用修正量更新电磁干扰传递关系，更新后的电磁干扰传递关系重新参与功耗计算，从而建立温度、电磁耦合与功耗之间的闭环反馈，提升了复杂热电磁耦合条件下功耗分布的求解准确性。

42、进一步地，本发明根据候选功耗估计值与前一迭代周期功耗估计值的变化梯度动态调节迭代更新权重，在功耗变化较大时降低单次更新幅度，在功耗变化趋缓时提高候选功耗吸收比例，避免了强热反馈状态下功耗估计值的往复波动，提高了多维功耗耦合模型的收敛稳定性和迭代效率。

43、本发明根据介电特性修正量形成有符号谐振频率偏移量，并通过偏移干扰源频谱与受扰敏感度权重函数的频谱重叠积分量更新模块间传递系数，使动态电磁干扰传递矩阵能够反映频谱能量向目标模块敏感频带移动的频域漂移效果，提高了微波及毫米波频段下电磁干扰耦合计算的分辨能力。此外，本发明在动态电磁干扰传递系数超过耦合隔离阈值时，通过电磁干扰传播延迟时间将数字模块瞬态切换时间窗口与射频模块活动时间窗口映射至统一物理时间轴，并在瞬态耦合峰值功率超过功率安全阈值时形成时序错位控制指令，在不改变数字模块计算能力和射频模块工作状态的条件下降低了瞬态耦合风险，增强了系统级封装的电磁兼容性和低功耗控制灵活性。