挑战现有测试技术的SoC器件

华东计算技术研究所 胡志勇

　　随着先进的集成电路(integrated circuit 简称IC)设计思路和高密度工艺技术的实现，半导体制造厂商能够创建出系统级芯片(system-on-chip 简称SOC)器件，在该器件内不同种类的数字和模拟电路核心被集成在非常微小的尺寸上面，发挥着各自的功能。然而，不管从先进的设计和功能实现上所获取的收益如何，制造厂商在将这些复杂的器件转化为大批量快速生产和实现良好性能价格比的时候，所面临的挑战也是非常大的。当采用传统的测试技术思路对现如今的SOC器件进行测试时，面临着能否降低大量的测试时间和降低测试成本的难题。为此，有关制造厂商开始了广泛的研究工作，这些研究工作包括如何实现非常有效的测试程序开发、加速对最重要硅进行核实，以及在快速变更测试要求的前提下，能够实现具有良好性能价格比的生产。通过有效的杠杆效率设计(leveraging design)和测试源的设计，通过这些新的研究工作可以提供一种非常有效的针对SOC器件，从设计到生产的测试解决方案，该方案能够降低大规模测试所需要的时间和测试时的成本费用，以此来满足市场对复杂的SOC器件不断增长的需求。

　　严峻的挑战

　　对于SOC制造厂商来说，客户会不断地提出需要增加器件的功能和提高器件的性能的要求，与此同时还希望不断地降低价格，所有这些都是企业为了应对在这个充满高度竞争的市场中所源源不断增加的压力。通过在一个单一芯片设计中集成入采用具有复杂模拟功能的尖端数字核心技术，SOC制造厂商能够满足客户不断增强的对扩展功能和高性能的要求，从而实现在音响、影视、多媒体、无线电、电信和数据通讯的应用方面处于市场领先的地位。然而在制造生产这些复杂器件的时候，SOC制造厂商发现面临着迅速增加的设计和测试方面的复杂情况。

　　与此同时，测试工程师们也面对着一个相当令人头痛的挑战，不仅有为了能够满足数百万只晶体管测试，所产生的高数量级纯粹的测试工作量，而且也有来自于为了满足包含有由许多知识产权(intellectual property简称IP)核心的器件的复杂的测试要求。然而，测试工程师又必须确保测试所用的程序达到最优化，能够降低需要的测试时间，以及能够尽可能少的使用测试资源，使得测试工作可以在生产工厂使用最便宜的测试仪器来进行操作。另外，工程师们需要更多的可以进行混合信号测试的测试源，它们能够对付许多新的高性能界面，诸如火线(Firewire)、千兆位以太网(Gigabit Ethernet)和高端图解，以及其它一些新技术。因为有关测试仪器方面的研制开发显得相对落后，结果制造厂商会常常面对测试时间不断增加、测试费用全面提升以及大规模生产所需的时间更长的境遇。

　　在SOC测试领域，现在许多的危机来自于使用为早期IC器件所创立的研究开发办法，它们对测试的要求显得非常简单。许多最近的设计开发，诸如：可测试设计(design-for-test 简称DFT)通过嵌入扫描或者建立自我测试(built-in self-test简称 BIST)的结构，提供了改善可测性的潜能，但是这些方法仍然不能解决有关电流方面所涉及到的普遍问题。在传统的开发流程中，设计工程师在着手开展工作的时候，涉及到进行测试、可能的设计和测试方面的权衡，或者说有关现有测试源的限制问题的信息只有很少一部分。因此有关的问题可能一直存在而未曾被发现，直到当测试工程师最终开始对非常重要的硅进行测试时才被发现。

　　然而，由于现今的SOC器件的复杂程度不断的增加，导致制造厂商采用非常高效的SOC设计到生产的测试流程。通过在设计的早期阶段引入测试的内容，使得在重要的硅器件安置以前就处于一个良好的状况，这项新的研究工作有助于工程师们获得关键的一手资料，在转换入大批量生产制造以前，确保器件的性能状态良好。通过在工程测试方面的开发研究工作和在生产测试方面的开发研究工作的共同向前发展，每一个相关的团队可以全神贯注于它的关键目标：设计工程师可以很好地着眼于如何加速实现优化的设计，与此同时测试工程师可以着眼于如何实现最有效的测试程序。当设计工作致力于大批量生产的时候，制造厂商可能致力于灵活的大规模配置SOC测试平台，以求在一个相同的平台上面对不同的产品组合进行操作，以及使用性能价格比良好的生产现场产品质量提升方式，以着手开发新的产品类型。随着这种设计到生产的测试流程的建立，SOC制造厂商能够在加速大批量复杂元器件交付的同时，无论测试要求如何不断的增加，都能有效的降低整体的测试费用。

　　早期的测试技术开发

　　新的流程着眼于采用能够建立在设计工程结果之上的测试开发工具。几年来，工程师们依靠专用的室内工具，通过测试仪器来转换模拟矢量形成可以使用的形式。SOC器件使这种变换过程显得非常复杂化，因为要满足对目标测试平台的优化。现如今，愈来愈先进的测试工具能够与来自于先进EDA产品供应商所提供的流程相匹配，获悉设计的结果和获得模拟数据，以及转换为满足专用测试设备的形态和时间的选择。使用先进的环化作用演算法则(cyclization algorithms)能够与涉及不同复杂核心的数据相兼容，产生出一种简单的测试形态和计时文件(timing file)。

　　就新型的SOC器件设计到生产的测试流程来说，最为有效的重要特性之一是在开发研究周期的早期阶段，能够实现各种各样的测试程序功能。在过去，测试工程师需要等待最重要的硅，以及测试设备能够实施的调试程序--这一过程可能要延误数周时间才能实施大批量产品的生产。然而，随着如今的先进测试开发环境的建立，测试工程师们可以采用数字化虚拟测试仪(digital virtual tester 简称DVT)，它可以在不采用测试设备和在没有得到硅器件以前实施测试调试。利用DVT，工程师们使用数字化验证环境来运行实际的测试程序，来与测试器件(device-under-test 简称DUT)、测试仪和载荷电路板的仿真模块相对比。因为这项研究使用了现行的设计数据和普通的设计验证工具，DVT方法有助于测试工程师确认是否完全去除了测试程序中所存在的错误，为最后的磁带输出作好了准备。借助于现如今的EDA性能，虚拟的测试方法能够非常成熟地满足数字化电路的需要，新兴的EDA和测试公司之间的联盟承诺，可以进一步扩展采用先进技术的设计，测试工程也能够采用模拟设计。

　　有关工程方面的相互确认

　　对于人手不足的公司和综合器件制造厂商(integrated device manufacturers简称IDMs)来说，设计的复杂性和先进的工艺技术相结合导致需要改善对硅的确认能力，采用ATE进行成批产品的测试是有区别的。随着技术移向更进一步的亚微米工艺(deep submicron process 简称DSM)方向发展，现在可以实现0.13 m以及更细小，先进的器件展现出了很强的连接能力，它们会影响到如何预先对硅器件进行确认。事实上，错综复杂的变化常常只会在加速操作时出现，这样就会在对硅进行有关DSM测试时，限制了绝大多数生产所用的ATE仪器的有效性。对于许多制造厂商来说，复杂的SOC器件使得常规的用于硅确认的研究方法愈来愈难以起到作用，对于生产来说会产生一系列的瓶颈。

　　为了能够对工程实施的需求进行特别的优化，工程中用于确认的测试设备已经有了进一步的发展，可以针对生产过程中的测试仪器提供不同的特殊能力，经过优化它们能够满足大批量生产的要求。对于需要生产测试仪器尽可能快速的提供放行和不能放行的指令的场合，为了能够提供有关引发原因的分析，工程设备必须能够提供广泛的细节方面的信息。事实上，现如今处于领先地位的工程确认设备具有能够进行全面深入捕获的存储能力，可以保留下所有引脚的全部数据，可以让工程师们非常容易地对器件的功能进行分析--这种功能远远地超出了传统生产所用的ATE仪器的功能范围。

　　生产上所用的ATE设备适合于分批操作，主要依赖于非常完善的测试程序，实现使用最小的资源来确保测试所用的时间处于最少的状态。相比较之下，工程上所用的确认设备需要适应于相互作用之间的分析，提供图解的用户界面，以实现测试设置和具体的测量。这种能够对环境进行快速反应的形式，让工程师们能够非常有效的实现对"如果怎样会发生什么"的相互作用的分析，这些分析对于能够消除硅的错误和优化设计是非常重要的。在实施生产期间，相同的工作能力将有助于快速执行失效分析。今天复杂的SOC器件需要非常高精尖的诊断设备，例如：微微秒电路成像分析仪(picosecond imagingcircuit analysis 简称PICA)、激光电压探测仪(laser voltage probe简称 LVP)和电子束(e-beam)设备等。先进的工程用设备能够提供直接与这些类型的设备相连接的接口，所以工程师们能够通过工程系统仪器进一步提升这些仪器的功能，利用外接的探测设备对有关的结果进行监测。

　　生产测试

　　成功的SOC生产取决于制造生产厂商能否以最低的测试成本费用，来实现对复杂部件大批量交付的能力。然而，随着制造厂商们在所生产的SOC器件中，溶入复杂的快速数字化电路和非常复杂的模拟功能，结合不断增加的功能、快速的数据速率和较高带宽的限定，对功能强大的ATE仪器的需求也不断的增加。先前在芯片上所实现的功能像火线、千兆位以太网，以及图形加速站(accelerated graphics port 简称AGP)需要能够处理数字数据达到速率800 Mbps 的测试仪器，新兴的器件不久将达到这些速率的两倍。在过去，制造厂商能够采用在新的设备上增加投资的方法来实现对新一代测试的要求。然而，现如今测试要求的目标快速转移，制造厂商正在努力寻找能够很容易接受和扩展满足新要求的平台。

　　为了能够满足混合的单个SOC器件的需要，配置ATE设备可以实现不断增加的，提供大规模生产测试所需的性能和灵活性的要求。在这些设备的核心部位，模块化的结构可以给制造厂商带来高性能，一般的测试平台能够适合测试要求的变化。一般来说，与IC器件一样，对SOC器件来说其引脚数量不断地增加，于是需要在ATE仪器中含有大型的具有1024个引脚针测试头。今天高速运行和大量的引脚数量的相互结合会形成对电源有非常高的要求，同时也陪伴着热载荷的增加，所以要求采用液体冷却技术的子系统来维持所规定的操作状态。然而，通过先进的热设计、采用高速度、低功耗的CMOS电子器件，就可以利用空气冷却的方法，这样可以大幅度地降低ATE的复杂程度、重量和维护需求--从而导致获得较低的成本费用和投资。

　　随着在设备设计和手段方面的不断进步，可以大幅度地减少ATE的成本费用，有效的测试开发环境，在提升大批量生产能力的过程中扮演着一个非常重要的角色。测试程序的开发环境一般能够提供各种各样的开发，它可以采用C, C++和其它的一些语言来建立特定的测试程序，使用应用程序设计的接口(application programming interfaces简称APIS)与测试仪器设备连接。处于技术前沿的ATE开发环境通过使用图像用户界面和采用基于程序设计模板的方法学，可以进一步地提高生产制造过程中的效率，让工程师们共享和重复利用常规的测试过程。在这里，工程师们在现有的测试程序的模板基础上，使用拖--放界面，来调整己有的常规测试方式，以满足特定的应用要求。在开发过程中，除了借助于像起环化作用的软件(cyclization software)和前面所描述的模拟测试所具有的能力以外，这种基于模板的设计方法将可以缩短数周的测试开发时间--这对于一个机会的出现和消失只在数月内的SOC产品市场来说，显得特别的重要。

　　对于新的机会能够予以快速响应的能力，对于一个处于上升期的行业来说将是一件需要给予特别关注的事情。然而，在此过程中，最大限度地利用现有资产，对于制造厂商来说依然是一件非常关键的事情。除了高生产率的开发环境将有助于实现最大限度的生产能力以外，设备的兼容性能对于在生产车间的生产测试来说，将成为愈来愈强烈的设备富有生命力的特征。测试设备、测试程序和与所有测试仪器中相关的夹具的可移动能力，让制造厂商通过将测试仪器移动到性能价格比最好的平台的方法，及时地响应生产变化的要求，而可以不管它是一台代表现在先进水平的设备，还是一台过时的测试设备。

　　结束语

　　面对着商务需求的变化和对技术不断提出的要求，处于行业领先水平的SOC制造厂商将愈来愈依赖于能够采用非常灵活的SOC设计到生产的测试策略，这些测试策略将聚焦于不断增加的测试问题--从早期复杂的硅器件是否良好一直到生产车间现场。为了能够满足自身的生产需要，制造厂商将配置SOC测试平台，以提供满足现在新的要求和回应新需求的灵活性和适应性能力。通过先进的测试设备和为满足技术测试和生产测试，需要新的软件开发流程的相互结合，制造厂商预计能够进一步降低测试的成本费用和大规模测试所需要的时间，甚至于进一步加强对先进的SOC器件的测试要求。

摘自 世界电子元器件