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随着集成电路功耗密度与总功耗的增长，芯片温度呈上升趋势。高温度不仅影响性能，还影响集成电路的功耗与可靠性。温度已经成为集成电路设计中的重要考虑因素。研究者积极寻求电路层面的设计技术，减小片上温度传感器的测量误差，降低芯片温度和减小温度带来的负面影响。本文立足于集成电路设计领域的研究现状，并结合商业自动化设计流程，对面向温度效应的集成电路设计技术展开了研究。提出的片上温度传感器进行了版图后仿真或流片实测，提出的算法使用基准电路和工业大规模电路进行验证。本文的具体研究工作包括：
1.提出了一种抗工艺偏差的双环数字电路温度传感器设计方案。
首先介绍了交叉耦合结构的特殊温度特性，并进行了理论推导。根据SPICE模拟，所提出的交叉耦合结构在从0.25μm到65nm多种特征尺寸的TSMC工艺中均具有可控温度特性。该结构仅需修改两个标准单元反相器的晶体管沟道宽度。进一步基于该结构提出了基于双环形振荡器的温度传感器。通过普通环形振荡器与交叉耦合结构环形振荡器的相互补偿，降低工艺参数变化带来的误差。TSMC0.13μm典型工艺角下的版图后仿真结果显示，在-40℃到120℃的全SPICE模型有效范围内，传感器误差为±1.1℃。蒙特卡罗分析结果显示，在无校准的前提下，与传统的基于单环形振荡器的数字温度传感器相比，栅氧化层厚度变化引起的3σ误差从9.14℃减小到3.44℃，沟道长度变化引起的30误差从60.4℃减小到10.53℃。
2.采用双阈值自校正和双电压校准的方式，设计并实现了两种抗供电电压偏差的数字电路温度传感器。
双阈值自校正温度传感器基于交叉耦合结构与双阈值电压单元设计，利用两个延迟电压系数相近的环形振荡器的相互补偿，降低电压变化引起的温度测量误差。双电压校准温度传感器利用双阈值电压晶体管的不同温度特性，并以本文提出的双电压点校准方法代替传统的双温度点校准。流片后的实测结果显示，在0℃到80℃的环境温度范围内，传统单环传感器在标准电压、±10％三种供电下的平均绝对误差达到78.3℃，在电压变化时无法正常使用；而本文提出的双阈值自校正温度传感器将平均绝对误差降低到32.9℃，双电压校准温度传感器将其进一步降到4.6℃。
3.提出了基于快速有用时钟扭斜规划的双阈值分配算法降低功耗和峰值温度。
首先提出了漏电权重的概念，将有用时钟扭斜和亚阈值漏电优化相联系。进而提出基于快速时钟扭斜规划的双阈值分配算法，减小漏电功耗。对基准电路ISCAS89所做的实验结果表明，与零时钟扭斜的传统双阈值分配方法相比，本文算法和线性规划方法分别将静态功耗进一步平均减小9.87％和10.19％，优化结果相近。但线性规划在较大基准电路上的运行时间为18分钟，在10万门规模的大电路上运行时间超过一天，速度过慢不具有实用性，而本文算法在基准电路上的运行时间在3.89秒以内，工业大电路上的运行时间在34分钟以内。在PKUnity-3系统芯片主要电路上的实验结果显示，本文算法可进一步降低芯片峰值温度1.98℃。
4.提出了抗温度偏差的时钟树实现技术，减小温度梯度引起的时钟扭斜。
首先，精简了交叉耦合结构，设计为对温度不敏感的时钟缓冲器，并建立了静态时序模型，以便于结合到自动化设计流程中。其次，利用温度不敏感时钟缓冲器设计了抗温度偏差时钟树。针对UniCore-2 CPU的实验结果表明，在最低工作温度和常温下，相比传统的时钟树，本文方法可将80℃温度梯度引起的时钟扭斜从26.1ps降低到7.16ps，减小了73％，面积额外开销仅为普通时钟树面积的4.1％，占整个电路面积的千分之一以下。