低功耗器件的“設(shè)計(jì)時(shí)測(cè)試”方法

在65nm制造工藝條件下，依靠電池供電的器件正在大量出現(xiàn)。這種先進(jìn)的工藝技術(shù)使得新器件較前代工藝的同類器件具有很多改進(jìn)。采用65nm工藝之后，設(shè)計(jì)人員可以在一塊單獨(dú)的裸片上集成遠(yuǎn)多于過去的晶體管，還可以在器件中集成多個(gè)IP內(nèi)核、大量的嵌入式存儲(chǔ)器、更多的復(fù)雜模擬電路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)比90nm工藝下類似器件更高的性能、更低的功耗和更低的成本。

然而在65nm下，由于器件中晶體管漏電流造成的功耗卻遠(yuǎn)高于(呈指數(shù)關(guān)系)舊工藝結(jié)點(diǎn)下的器件。因此，臺(tái)積電(TSMC)之類的大型晶圓代工廠已經(jīng)將減小漏電流當(dāng)作65nm參考流程中的一個(gè)首要任務(wù)。泄漏并不是什么新現(xiàn)象，但65nm工藝器件的工作電壓比老工藝器件的工作電壓低，因此開啟單個(gè)晶體管所需的閾值電壓也比老工藝的器件低。閾值電壓較低就可能經(jīng)常無意中觸發(fā)非活動(dòng)的狀態(tài)，從而導(dǎo)致源極到漏極流過很大的電流，或者說導(dǎo)致泄漏。用于解決這一問題的最新技術(shù)往往采用內(nèi)建高Vt標(biāo)頭(header)或標(biāo)尾(footer)的多閾值邏輯門，標(biāo)頭和標(biāo)尾用于在空閑狀態(tài)下關(guān)斷邏輯門。此外，也可以在設(shè)計(jì)邏輯中添加一些特定的電源關(guān)斷模式，而且設(shè)計(jì)師們也正在利用更多的門控時(shí)鐘來管理設(shè)計(jì)中每個(gè)時(shí)鐘區(qū)的功耗。以上各種方法綜合起來，正在幫助我們減小晶體管的泄漏。

要想充分利用這些新技術(shù)，設(shè)計(jì)人員必須在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中都非常關(guān)注功耗問題。硬件工程師和嵌入式軟件工程師都必須盡早參與，以保證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成功和按時(shí)發(fā)布。同時(shí)，低功耗設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，尤其是對(duì)所有電源管理特性的驗(yàn)證，也有很大影響。因?yàn)檫@需要在所有可能的工作條件下進(jìn)行大量驗(yàn)證工作，包括測(cè)試每種功率模式。對(duì)所有功率模式(上電和掉電)以及隨后的器件行為序列的測(cè)試必須在流片之前完成。此外，驗(yàn)證工程師還必須進(jìn)行測(cè)試以保證孤立的邏輯也能正常工作。這是利用帶隨機(jī)和定向案例的廣泛的測(cè)試套件實(shí)現(xiàn)的。

實(shí)現(xiàn)功耗相關(guān)特性的自動(dòng)化驗(yàn)證是一次意義重大的努力，它要求設(shè)計(jì)人員在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中都給予驗(yàn)證工作足夠的重視。例如，低功耗邏輯測(cè)試套件必須確保專用邏輯不但能降低動(dòng)態(tài)功耗，還能保證掉電的電路在任何工作狀態(tài)下都不會(huì)向工作的電路傳播隨機(jī)數(shù)據(jù)。為確保這些問題不會(huì)發(fā)生，設(shè)計(jì)過程中每出現(xiàn)一次代碼修改，驗(yàn)證工程師都必須進(jìn)行大量仿真，并采用大量其他的格式驗(yàn)證資源。

低功耗可測(cè)試性設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

一個(gè)常被忽視，或者說設(shè)計(jì)人員最多在設(shè)計(jì)后期才會(huì)考慮的問題，是器件在制造測(cè)試過程中的功耗。在可測(cè)試性設(shè)計(jì)(DFT)中，尤其是低功耗器件的DFT中，需要考慮的問題很多。其中，盡早并且嚴(yán)格注意制造測(cè)試中的功耗，對(duì)于大量交付可靠的低功耗器件而言，十分關(guān)鍵。因?yàn)樵谥圃鞙y(cè)試過程中，器件的功耗如果大大超出器件的功率指標(biāo)，可能會(huì)導(dǎo)致閘極氧化層擊穿，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞芯片。

低功耗DFT的最佳方案需要采用一種“設(shè)計(jì)時(shí)測(cè)試”(Design With Test, DWT)流程，以便最好地解決標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)流程中的測(cè)試問題，從而保證將這些問題帶來的影響降至最小，并最終得到高質(zhì)量的低功耗器件。DWT方法是指在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中都采用同樣的功耗感知測(cè)試策略，以便使每種工具都能注意到，盡量減小每一個(gè)低功耗測(cè)試步驟帶來的影響，從而解決65nm低功耗器件制造中較難解決的測(cè)試問題。DWT方法將對(duì)功耗的關(guān)注深植入設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和測(cè)試工具中，因而采用該方法后，可以將器件的功耗限制與時(shí)序、面積、良率和測(cè)試等其他約束條件聯(lián)合起來，進(jìn)行全面優(yōu)化。

DWT助推低功耗DFT

采用DWT方法時(shí)，工具的集成深度以及不同工具之間是否具備流暢的互通性，決定了RTL驗(yàn)證、綜合、測(cè)試、等效檢驗(yàn)、區(qū)域規(guī)劃以及布局和布線工具之間的功耗約束情況。全面優(yōu)化的結(jié)果是使制造出的芯片可測(cè)性很高，并且器件不但在工作過程中，而且在制造流程的測(cè)試過程中都能夠滿足功耗預(yù)算。這種方法要求不論設(shè)計(jì)進(jìn)行到流程的哪個(gè)階段，都采用同一個(gè)文件定義功耗因素，從而保證整個(gè)流程中的所有工具對(duì)器件的功耗要求都有相同的理解。

要設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的低功耗器件，必須在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中都給予DFT足夠的重視。也就是說，DFT的范圍必須擴(kuò)展，其邏輯必須能在制造測(cè)試過程(包括晶元篩選、封裝測(cè)試和環(huán)境審查)中以不超出器件功耗指標(biāo)的方式控制和測(cè)試與功耗相關(guān)的電路。需要特別說明的是，在采用了DWT方法的低功耗設(shè)計(jì)中，可以輕易插入感知功耗的DFT結(jié)構(gòu)，從而允許在整個(gè)芯片的功耗預(yù)算內(nèi)對(duì)各個(gè)功耗區(qū)域進(jìn)行測(cè)試。

一個(gè)器件中的裸片上往往分布有不同的孤立電壓區(qū)。在制造測(cè)試中，這些電壓區(qū)必須由掃入電源控制信號(hào)的數(shù)據(jù)來控制其開/關(guān)，而在芯片定型后要測(cè)試這多個(gè)電壓區(qū)往往會(huì)導(dǎo)致功耗過大。低功耗測(cè)試中存在的挑戰(zhàn)絕不僅僅是控制測(cè)試中的功耗。要在低功耗環(huán)境下達(dá)到高質(zhì)量，那么各個(gè)分離單元、電平轉(zhuǎn)換器和狀態(tài)保持寄存器，只要需要測(cè)試，就必須能夠通過一個(gè)掃描鏈控制。這樣才可能測(cè)試如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以保證在低功耗方面隨機(jī)的、系統(tǒng)的甚至是微小的具體瑕疵都能被找到。

低功耗ATPG

在DWT流程的物理實(shí)現(xiàn)過程中，進(jìn)行測(cè)試插入時(shí)是考慮了功耗的。測(cè)試插入包括將掃描鏈真正連接到邊界掃描I/O、嵌入式存儲(chǔ)器內(nèi)建自測(cè)(BIST)控制器、片上壓縮邏輯、片上時(shí)鐘產(chǎn)生和IEEE1500封裝。例如，在連接了片上測(cè)試壓縮邏輯之后，會(huì)顯著地增大功耗負(fù)荷。因此，插入片上壓縮邏輯時(shí)必須進(jìn)行功耗折衷。必須在全面理解功耗要求的情況下對(duì)掃描鏈的長度進(jìn)行優(yōu)化，以保證在與片上壓縮邏輯有關(guān)的大量短掃描鏈間變化時(shí)產(chǎn)生的功耗不會(huì)對(duì)總功耗有負(fù)面影響。隨著測(cè)試模式下的功耗情況越來越引人關(guān)注，在創(chuàng)建功耗優(yōu)化的測(cè)試模式方面ATPG本身開始變得越來越重要。即通過限制開關(guān)行為，同時(shí)利用由設(shè)計(jì)師添加的功耗管理邏輯來達(dá)到限制功耗的目的。例如，感知功耗的ATPG就可以通過智能化填充掃描鏈中的“無需注意”位，將觸發(fā)器的轉(zhuǎn)換次數(shù)減至最少，從而達(dá)到極大減小功耗的目的。

最后一點(diǎn)，由于DWT的第一次測(cè)試肯定是在測(cè)試儀上運(yùn)行，因而還能降低制造成本。這是因?yàn)镈WT在測(cè)試和功耗驗(yàn)證間進(jìn)行了相當(dāng)緊密的集成。同時(shí)，在芯片流片之前進(jìn)行制造測(cè)試的自動(dòng)化驗(yàn)證(利用仿真、等效檢驗(yàn)、約束產(chǎn)生和高級(jí)格式分析等技術(shù))也使ATE程序能夠一次成功。

本文小結(jié)

作為消費(fèi)者，我們每天使用的產(chǎn)品中都有低功耗器件。此類器件能夠持續(xù)興旺發(fā)展的關(guān)鍵就是品質(zhì)和可靠性，而不論品質(zhì)還是可靠性都高度依賴于器件的制造測(cè)試工藝，以及能否通過制造測(cè)試剔除壞的器件，同時(shí)不因掃描測(cè)試時(shí)過大的功耗而降低器件的可靠性。保證低功耗環(huán)境下成功實(shí)現(xiàn)制造測(cè)試的最佳方法就是在設(shè)計(jì)早期就將利用能感知功耗的DFT和ATPG工具進(jìn)行測(cè)試時(shí)的功耗考慮在內(nèi)。而要使這些工具最大程度地發(fā)揮功效，測(cè)試就必須成為設(shè)計(jì)過程的一部分。于是，為保證低功耗產(chǎn)品的發(fā)展能夠更進(jìn)一步，“設(shè)計(jì)時(shí)測(cè)試”(DWT)這種對(duì)工具進(jìn)行了深度集成并充分考慮測(cè)試過程中功耗的新方法就必將起到十分重要的作用。