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集成电路是现代电子系统的核心，集成电路的可靠性对系统的总体可靠性关系巨大。集成电路在现场应用过程中，由于温度变化、电路老化等因素，可能导致关键路径时序违规而产生故障。在线时序测试通过实时或非实时的方法，感知因温度、老化等效应带来的时延偏差情况。时序测试结果不仅可以作为时序故障预测的依据，还可以为芯片自身运行参数的调节提供参考。本文面向数字集成电路的时序可靠性，以恶劣环境下的温度变化及负偏置温度不稳定性(NBTI)老化为背景，研究集成电路的时序感知技术及其在宽温电路低功耗设计和NBTI故障预测中的应用技术。 本文的主要贡献及创新性研究成果包括: 1.提出了一种抗温度影响的在线时序传感器设计方法。现有的片上时序传感器虽然已在精度、面积开销等方面取得较大进步，但是考虑温度对时序的影响研究工作较少，不适应存在温度变化的现场应用场景。针对该问题，本文首先对逐次逼近型延迟测量电路进行了改进，使之具备了在线测量功能，并分析了温度变化对电路测量精度产生影响的原因;然后提出了具有温度稳定性的GTCD器件结构，该器件结构基于传统CMOS工艺，在上拉网络和下拉网络之间增加了一对具有偏置电压的晶体管构成，在给出了温度不敏感工作点的选择方法之后，使用GTCD替代逐次逼近型延迟测量结构中逐差延迟链中的缓冲器，消除了逐差延迟链的延迟差的温度敏感性;最后分析了工艺偏差对温度敏感性的影响，并给出了所提出的测量方法在集成电路中的实现结构。对被测电路进行延迟测量的实验结果表明，在-55℃～125℃的温度变化环境中，所提方法与未考虑温度影响的测量方法相比，其测量误差从19.56％降低到0.6％以下，并且时序传感器的面积开销和测量用时降低到可接受的范围之内。 2、提出了一种宽温场景中基于时序感知的自适应电压调节方法。片内关键路径在恶劣工况下的最大延迟限制了所在逻辑模块时钟频率，空间电子系统所处工作环境温度范围宽、变化剧烈，传统的宽温集成电路采用考虑最坏工作条件的时序保证方法，电压和频率并不针对集成电路实时的时序状况进行调节，造成显著的功耗浪费。本文在抗温度影响的片内时序感知的基础上提出了面向低功耗的自适应电压调整方法。该方法把关键路径的延迟时间划分为时序错误区、亚稳态区、目标区和上调下调区间，然后构造了基于延迟负反馈的闭环电压调整结构，该结构以关键路径的实时测量值为观测量，以功能电路的供电电压为控制量，以期把关键路径的延迟调节到目标区间。控制逻辑采用硬件实现了磁滞PID控制算法，不需软件参与，精确控制了数字集成电路在温度变化场景下的时序余量。自适应电压调节方法强调关键路径时序违规的预防，做到了在确保时序正确性的同时尽可能减少时序余量，在确保时序稳定性的同时实现了低功耗技术。应用于浮点运算器的实验结果表明，电路工作温度在-55℃～125℃范围内变化时，功耗减小29.6％，而且不发生时序违规，与现有DVS技术相比，所提方法具有电路行为确定性高、面积开销小的优势。不仅如此，应用所提方法的宽温电路在不同温度下的功耗需求与太阳能电池输出特性相适应，有利于延长系统工作时间。 3、提出一种基于路径漏电流变化分析的集成电路NBTI老化预测方法。为应对集成电路NBTI老化对电子系统可靠性带来的威胁，集成电路的老化预测十分重要。本文提出了采用漏电流变化进行集成电路时序测量的新方法，相较于延迟比较测量方法，该方法能避免片上电压噪声、测量电路自身老化、温度等现场因素的影响。该方法采用不同测试向量进行漏电流测量，通过解方程组的方法实现了关键路径的漏电流敏化，进而把由电路老化导致的时序变化反映到亚阈值漏电流变化上，然后通过漏电流变化与时延变化的关联模型，将漏电流变化转换得到门电路延迟变化;最后通过关键路径延迟变化来预测电路老化。实验证明该预测方法的精度损失仅为3％，与现有漏电流预测方法相比有进一步提高。此外，该方法的传感器电路位于片外，并不带来芯片上的额外面积开销，而且预测精度不受工艺偏差影响。