SoC設(shè)計(jì)過程中需要考慮的關(guān)鍵測(cè)試要素

本文所用的SoC測(cè)試案例由硬盤控制器(HDC)、16位微控制器、微控制器使用的程序和數(shù)據(jù)SRAM以及用8M位DRAM實(shí)現(xiàn)的片上緩存組成，再加上時(shí)鐘綜合PLL、帶外部旁路晶體管的穩(wěn)壓器使用的片上控制電路組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。該器件采用的是0.18μm的銅工藝，與前幾代技術(shù)相比增加了性能、降低了功耗。另外，DRAM也采用了深亞微米技術(shù)，因此在一個(gè)器件中可以包含進(jìn)一個(gè)完整的系統(tǒng)緩存(1MB)以及自動(dòng)刷新邏輯，而且使用的硅片面積還比以前小。

本文還討論了DFT和DFM所采取的對(duì)策，包括為了實(shí)現(xiàn)更快的良品率學(xué)習(xí)曲線而采用面向分析工具的設(shè)計(jì)、為減少測(cè)試成本而采取的并行測(cè)試方法。DFT和分析存取是通過IEEE 1149.1的JTAG控制器實(shí)現(xiàn)的。除了專門的存儲(chǔ)器測(cè)試和ATPG掃描外，JTAG控制器還能為組成完整SoC的各個(gè)不同單元提供各種測(cè)試模式配置。所采用的設(shè)計(jì)對(duì)策決不是只有唯一一種可能性。由于存儲(chǔ)器在器件中占了45%的硅片面積和86%的晶體管數(shù)量，因此需要對(duì)存儲(chǔ)器加以重點(diǎn)關(guān)注。存儲(chǔ)器測(cè)試是重點(diǎn)考慮和努力開發(fā)的對(duì)象。

SRAM有兩種測(cè)試方法，具體取決于SRAM在系統(tǒng)中的用途：CPU存儲(chǔ)器(代碼和數(shù)據(jù))是通過微控制器進(jìn)行測(cè)試的，需要特殊硬件配置和測(cè)試模式的支持；與HDC相關(guān)的SRAM采用存儲(chǔ)器BIST電路進(jìn)行測(cè)試。DRAM則通過BIST控制器進(jìn)行測(cè)試，而DRAM BIST自身利用掃描和ATPG進(jìn)行測(cè)試。大多數(shù)數(shù)字邏輯是完全綜合過的，而所有數(shù)字邏輯都要經(jīng)過ATPG掃描測(cè)試。另外，象PLL和穩(wěn)壓器控制等模擬電路則采用特殊編制的程序在特殊測(cè)試模式下進(jìn)行測(cè)試。本文首先介紹系統(tǒng)級(jí)芯片本身，包括SRAM和嵌入式DRAM，然后簡(jiǎn)要討論用于指導(dǎo)DFT和DFM開發(fā)工作的分析與生產(chǎn)測(cè)試對(duì)象，最后闡述了SoC中采取的分析和生產(chǎn)測(cè)試對(duì)策。

系統(tǒng)級(jí)芯片概要

為了有助于了解生產(chǎn)測(cè)試與分析所采取的對(duì)策，首先讓我們看一下SoC的一些細(xì)節(jié)，當(dāng)然本文提到的所有性能都需要進(jìn)行測(cè)試。這款SoC的主要系統(tǒng)組件有：16 位微控制器、ASIC邏輯(硬盤控制器或HDC)、微控制器使用的SRAM、片上緩沖DRAM、時(shí)鐘綜合PLL、硅工藝-電壓-溫度(PVT)傳感器以及帶外部旁路晶體管的穩(wěn)壓器用的片上控制電路。

1.微控制器

這款SoC中的微控制器是C173系列處理器的衍生產(chǎn)品，是專門為控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的16位器件。除了16位的C163內(nèi)核外，它還有一個(gè)乘法累加單元(MAC)、外圍通用定時(shí)器(GPT)、異步和同步串行控制器(ASC，SSC)和脈寬調(diào)制器(PWM)。整個(gè)微控制器是由綜合過的邏輯實(shí)現(xiàn)的，可以很方便地在應(yīng)用之間移植。

2.ASIC

硬盤控制器(HDC)是用大約25萬(wàn)個(gè)NAND等效邏輯門實(shí)現(xiàn)的。該HDC的主要特點(diǎn)之一是能夠提供功能強(qiáng)大的節(jié)電模式。微控制器、HDC部件、存儲(chǔ)器和 PLL等各自所實(shí)現(xiàn)的節(jié)電模式是不同的。微控制器可以被切換到空閑或睡眠模式。在空閑模式下控制器內(nèi)核停止工作，但通用定時(shí)器和PEC控制器等外圍設(shè)備仍在正常運(yùn)轉(zhuǎn)。只有進(jìn)入睡眠模式后外圍設(shè)備才被切斷電源，此時(shí)只有中斷控制器能喚醒微控制器，并使其返回到正常的工作模式，中間過程不會(huì)丟失任何數(shù)據(jù)。中斷控制器是由相應(yīng)的硬件信號(hào)驅(qū)動(dòng)的。

針對(duì)HDC的操作特殊性，HDC還提供另外一種電源關(guān)閉模式。每個(gè)模塊的電源都可以被獨(dú)立關(guān)斷，或者時(shí)鐘系統(tǒng)速度可以降低8倍。這些節(jié)電模式的靈活組合就形成了活動(dòng)、空閑模式1、空閑模式2、等待、睡眠等各種符合ATA規(guī)范的節(jié)電模式。通過這些措施可以使SoC的功耗從270mW降到54mW。

3. CPU SRAM

上述這款SoC集成了80KB的程序SRAM、8KB的數(shù)據(jù)SRAM以及直接與微控制器相連的2KB雙端口SRAM。

4. 緩存DRAM

一個(gè)完整系統(tǒng)的集成中心是嵌入式DRAM，在本例中即是1MB或8Mb的片上存儲(chǔ)器。DRAM可以在沒有離開芯片的總線條件下提供程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，所有這些的功耗在全負(fù)荷情況下也只有0.1瓦。內(nèi)部256位的數(shù)據(jù)總線寬度允許全速訪問DRAM，而片上緩存還可以優(yōu)化CPU對(duì)程序存儲(chǔ)器的訪問。DRAM本身在發(fā)生頁(yè)面改變這種最壞情況下(隨機(jī)存取)的存取時(shí)間是20ns，在頁(yè)面突發(fā)時(shí)的存取時(shí)間是7ns。

5. 系統(tǒng)單元：PLL、PVT、穩(wěn)壓器

PLL 所需頻率的時(shí)鐘產(chǎn)生都是靠片上的500MHz PLL實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)PLL是一個(gè)全定制的宏，由JTAG控制器控制其測(cè)試模式。工藝-電壓-溫度(PVT)單元用于向SoC報(bào)告環(huán)境狀況。SoC負(fù)責(zé)通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的ATA接口建立與主計(jì)算機(jī)之間的通信。為了充分滿足信號(hào)完整性要求，系統(tǒng)必須對(duì)各種操作狀態(tài)作出反應(yīng)，如電纜和主機(jī)接口特性等靜態(tài)環(huán)境條件、不穩(wěn)定的溫度和電壓等動(dòng)態(tài)變化等。另外，給定器件的工藝參數(shù)會(huì)在制造用的工藝窗口范圍內(nèi)變化。SoC包含PVT單元就是為了及時(shí)對(duì)這些因素作出響應(yīng)。PVT 單元能夠監(jiān)視動(dòng)態(tài)/變化中的環(huán)境，HDC中的相關(guān)邏輯可以自動(dòng)調(diào)整ATA襯墊處的性能參數(shù)。PVT單元是一個(gè)全定制宏，這個(gè)單元的測(cè)試模式受JTAG控制器的控制。

6. 穩(wěn)壓器：

作為完整系統(tǒng)功能的一部分，這款SoC配備了用于穩(wěn)壓器的控制電路。該穩(wěn)壓器可以將 3.3V的I/O供電電壓轉(zhuǎn)換成1.8V的內(nèi)核電壓。外部旁路晶體管用于控制供給所有內(nèi)核邏輯所需的電流。SoC包含單個(gè)驅(qū)動(dòng)外部旁路晶體管所需的穩(wěn)壓控制電路。穩(wěn)壓器也是一個(gè)全定制的宏，其測(cè)試模式也受JTAG控制器的控制。

7. DFT和DFM目標(biāo)

上面簡(jiǎn)要介紹了這款SoC的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，下面將討論包括成本模型在內(nèi)的測(cè)試目標(biāo)，以及通過可測(cè)性設(shè)計(jì)和可制造性設(shè)計(jì)達(dá)到這一目標(biāo)的主要途徑。

SoC 器件在測(cè)試成本方面將面臨艱巨的挑戰(zhàn)，因?yàn)槠骷鄬?duì)較小，人們希望不需要花很長(zhǎng)的ATE(自動(dòng)測(cè)試設(shè)備)時(shí)間就能完成所有的測(cè)試步驟。但嵌入式DRAM測(cè)試具有很大的挑戰(zhàn)性，因?yàn)榕cDRAM測(cè)試相關(guān)的典型測(cè)試時(shí)間就很長(zhǎng)。然而，象晶振和PLL這樣的模擬單元也應(yīng)該在理想的時(shí)間內(nèi)完成測(cè)試。除了成本外，還必須包含適當(dāng)?shù)姆治龉ぞ撸@些分析工具不受時(shí)間約束。

DFT和DFM的測(cè)試實(shí)現(xiàn)

本文討論的器件有許多測(cè)試性能，將在不同的測(cè)試配置中被激活。下面將詳細(xì)討論主要的一些配置。

通過JTAG[IEEE1149.1]訪問的控制器是DFT和DFM的核心，可用來(lái)設(shè)置和控制所有的測(cè)試模式。在用戶應(yīng)用中，控制器通過OCDS(片上調(diào)試系統(tǒng))提供連接到微控制器內(nèi)核的串行調(diào)試接口。在測(cè)試中，許多功能模式也可以通過這個(gè)接口進(jìn)行控制。為了推進(jìn)測(cè)試程序開發(fā)，可以使用特殊器件 IEEE1149.1指令激活多種生產(chǎn)模式。其它的控制產(chǎn)生自器件的串行JTAG測(cè)試寄存器。

1. 掃描ATPG測(cè)試

掃描配置如圖1所示。需要注意的是，掃描鏈的輸入邊沿正好是相對(duì)的，因此在測(cè)試儀上可以對(duì)多個(gè)器件進(jìn)行并行掃描測(cè)試。本文用到的器件比較特殊，因?yàn)樗狭藢用舾袙呙韬蛷?fù)合掃描。DRAM的BIST控制器是一家技術(shù)合伙公司的某個(gè)硬宏中的一部分，具有LSSD掃描功能。設(shè)計(jì)的剩余部分盡可能地采用了標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合掃描觸發(fā)器。在LSSD掃描電路與內(nèi)核(復(fù)合掃描)邏輯之間沒有插入任何隔離邏輯。LSSD和復(fù)合掃描的整合存在一定的問題，因?yàn)橛捎跁r(shí)序問題可能會(huì)導(dǎo)致某些觸發(fā)器捕捉值的不確定性，從而失去故障覆蓋。LSSD和復(fù)合掃描之間的不同時(shí)序概念使得很難做到時(shí)序匹配，不過借鑒其它設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)可以解決這些問題。

考慮到掃描期間某些不想要的模式可能會(huì)被激活，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)的某些部分不會(huì)被掃描到，而邏輯部分只占整個(gè)硅片面積的很小部分，因此邏輯故障覆蓋率的降低是可以容忍的，它不會(huì)降低器件的總體故障覆蓋率。邏輯部分的單次掃描故障覆蓋率大約是95%，而總的單次掃描故障覆蓋率將超過98%。

2. SRAM測(cè)試

SoC中包含有不同尺寸和類型的多個(gè)SRAM模塊和DRAM。先來(lái)看看SRAM，它們被組合成與微處理器(數(shù)據(jù)、代碼存儲(chǔ)器)緊密相連的CPU SRAM以及主要由硬盤控制器邏輯使用的HDC SRAM。有些組是微控制器可以訪問的，有些組則不能被微控制器訪問。下文將討論專門用于存儲(chǔ)器測(cè)試的測(cè)試配置，包括通過BIST完成的CPU SRAM測(cè)試和HDC SRAM測(cè)試以及DRAM測(cè)試。

a) 基于CPU的SRAM測(cè)試策略

較大的SRAM宏被實(shí)現(xiàn)為密集SRAM，其版圖經(jīng)手工優(yōu)化后將技術(shù)用至極限以節(jié)省空間和功耗。為了達(dá)到更高的良品率，在密集SRAM中還需增加一些冗余單元。為了減少測(cè)試成本，測(cè)試插入應(yīng)盡可能少。大多數(shù)測(cè)試流程是由運(yùn)行于存儲(chǔ)器測(cè)試系統(tǒng)中的eDRAM存儲(chǔ)器測(cè)試驅(qū)動(dòng)的，因此要求也能在存儲(chǔ)器測(cè)試儀上進(jìn)行 SRAM測(cè)試。由于這樣的原因，用于微控制器可存取存儲(chǔ)器模塊的SRAM測(cè)試算法需要被存儲(chǔ)在ROM中，因此也被稱為MSIST(存儲(chǔ)器軟件實(shí)現(xiàn)的自測(cè)試)。很容易在存儲(chǔ)器測(cè)試儀上對(duì)該程序加以控制，也可以經(jīng)過簡(jiǎn)單的掩模重設(shè)計(jì)對(duì)它進(jìn)行修改。測(cè)試配置如圖2所示。微控制器內(nèi)核無(wú)法測(cè)試HDC內(nèi)部的小模塊，這些模塊必須通過如圖3所示的MBIST(存儲(chǔ)器內(nèi)置自檢)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。因此在一個(gè)專用的存儲(chǔ)器測(cè)試儀上用單個(gè)測(cè)試插入就可以執(zhí)行所有的存儲(chǔ)器測(cè)試，第二步完成冗余單元的融接。

b) 用于雙端口SRAM的軟件BIST

通過下載軟件和使用處理器實(shí)現(xiàn)BIST算法完成對(duì)設(shè)計(jì)中雙端口SRAM的測(cè)試。并不是SoC器件中的所有SRAM都可以直接被處理器讀寫，因此可能還需要額外的邏輯，如 FIFO。雖然一般情況下BIST算法不是太復(fù)雜，但仍需要為這種方法在準(zhǔn)備軟件測(cè)試式樣方面作出一些努力。然而還需十分小心以確保創(chuàng)建片上MBIST邏輯時(shí)考慮了RAM的硬件版圖(圖3)。軟件方法的優(yōu)點(diǎn)在于，至少對(duì)于大多數(shù)SRAM來(lái)說(shuō)，MBIST執(zhí)行訪問的方式和速度與功能訪問完全相同。

c) DFM

所有SRAM測(cè)試都能創(chuàng)建位故障圖(BFM)，一般通過CPU的數(shù)據(jù)總線輸出BFM。這些BFM就是基本的DFM，可以為工藝工程師學(xué)習(xí)和改善良品率提供必要的信息。

DRAM測(cè)試

在過去幾年中，嵌入式DRAM測(cè)試一直是重點(diǎn)開發(fā)對(duì)象，在這個(gè)SoC器件中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了相關(guān)文獻(xiàn)中提及的一些想法。DRAM BIST能夠進(jìn)行內(nèi)置冗余計(jì)算(也被稱為BISR(內(nèi)置自修))，但該功能一般不用。BIST邏輯本身是利用ATPG模式和LSSD掃描寄存器進(jìn)行測(cè)試的。DRAM配置用于高度并行的測(cè)試。DRAM測(cè)試時(shí)間一般要比邏輯測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)得多，因此我們需要重點(diǎn)關(guān)注高度并行的測(cè)試以減少每個(gè)器件的有效測(cè)試時(shí)間。

嵌入式DRAM預(yù)融接測(cè)試是在專門的存儲(chǔ)器測(cè)試儀上使用直通模式下的BIST完成的(圖4)。采用這種方法的原因是可以通過減少冗余修補(bǔ)計(jì)算時(shí)間和高度并行測(cè)試縮短測(cè)試時(shí)間。專用存儲(chǔ)器測(cè)試儀具有一些典型的優(yōu)勢(shì)：為存儲(chǔ)器測(cè)試算法提供硬件支持，為整個(gè)數(shù)兆存儲(chǔ)器提供存儲(chǔ)和分析故障位信息的容量，可以為高度并行測(cè)試提供大量充足的電源。

為了方便與存儲(chǔ)器ATE一起使用，對(duì)本文提及的SoC器件做了適當(dāng)?shù)男薷摹榱伺渲贸纱鎯?chǔ)器，該器件需要最小的測(cè)試模式輸入(預(yù)備序列)。一旦配置好后，就能提供典型的包括可訪問冗余數(shù)據(jù)輸入和輸出的存儲(chǔ)器接口。通過限制地址和數(shù)據(jù)輸入的數(shù)量以及在裸模的二個(gè)相向邊沿物理定位所有必須的襯墊實(shí)現(xiàn)高度并行的測(cè)試(圖4)。

利用BIST完成DRAM測(cè)試

如前所述，DRAM模塊內(nèi)含一個(gè)BIST控制器，可以利用一條IEEE1149.1指令對(duì)芯片作出適當(dāng)配置后激活該控制器(圖4)。當(dāng)融接完成后，可以不用專門考慮存儲(chǔ)器修復(fù)即可在標(biāo)準(zhǔn)邏輯ATE上進(jìn)行DRAM測(cè)試。所需的連接數(shù)量也有大幅下降，因?yàn)锽IST可以產(chǎn)生地址和片上控制信號(hào)，并產(chǎn)生單次通過/失敗結(jié)果。

DFM原理可以用來(lái)指導(dǎo)DRAM結(jié)構(gòu)的開發(fā)。重點(diǎn)不是限制襯墊的數(shù)量和位置，而是使嵌入式存儲(chǔ)器具有最大的可控制性和可觀察性，并可以通過JTAG控制器選擇最小測(cè)試模式入口序列。然而，實(shí)際使用的是更寬的控制和數(shù)據(jù)總線訪問，包括裸片各邊沿上的襯墊。這種模式適用于故障分析，在生產(chǎn)測(cè)試過程中并不使用，因?yàn)镾RAM測(cè)試同樣會(huì)創(chuàng)建位故障圖，并將它傳送給ATE用于進(jìn)一步分析。

上述SoC 器件中包含有二個(gè)環(huán)形振蕩器，主要用于生產(chǎn)期間的速度測(cè)試。這二個(gè)環(huán)形振蕩器的固有周期約為2ns，并各自連接32分頻邏輯電路。因此典型的外部周期是 64ns，由此產(chǎn)生的速度就可以用標(biāo)準(zhǔn)的ATE進(jìn)行測(cè)量。為了方便比較走線和門延時(shí)效應(yīng)，通常使用一個(gè)具有密集版圖的環(huán)形振蕩器和一個(gè)具有人工分布版圖的環(huán)形振蕩器。環(huán)形振蕩器的測(cè)試結(jié)果表明了硅片速度，從而允許用戶跟蹤工藝變化，并排除速度太慢或太快的器件。

本文小結(jié)

本文主要討論了一個(gè)具有可測(cè)性設(shè)計(jì)和可制造性設(shè)計(jì)的新型單片系統(tǒng)，同時(shí)提出了這樣一個(gè)集成了嵌入式DRAM和模擬模塊以及較常見的數(shù)字邏輯和靜態(tài)RAM的系統(tǒng)在生產(chǎn)測(cè)試中所面臨的挑戰(zhàn)。為了滿足測(cè)試要求，需要采取各種不同的策略，同時(shí)利用單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE1149.1接口將被測(cè)器件配置成各種相應(yīng)的模式。

將來(lái)設(shè)計(jì)師必須了解更多的測(cè)試信息。隨著技術(shù)和密度的提高，制造商可以在單個(gè)芯片中集成更多的單元，設(shè)計(jì)師只具備掃描和BIST技術(shù)的基本知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了針對(duì)任何特殊器件選出最適合的測(cè)試策略，設(shè)計(jì)師必須通曉各種可能的器件生產(chǎn)測(cè)試方法。