可處理高數(shù)據(jù)率的創(chuàng)新型串行總線測試方法

在高端運(yùn)算(先進(jìn)的微處理器)和消費(fèi)電子(圖形和游戲芯片組)設(shè)備中采用的半導(dǎo)體器件一般通過高速串行總線接口提供高達(dá)6.4Gbps的數(shù)據(jù)率，例如PCI Express 和 HyperTransport。根據(jù)2005年的國際半導(dǎo)體發(fā)展路線圖(ITRS)，到2010年，10Gbps以及更高速率的接口將被廣泛采用。而業(yè)界一些專家預(yù)測在10年內(nèi)，數(shù)據(jù)率將高達(dá)20Gbps，因此一些基本方法必須改變。遠(yuǎn)端環(huán)回是一種極具成本效益的創(chuàng)新技術(shù)。通過有效地幫助半導(dǎo)體廠商降低測試成本并縮短新一代半導(dǎo)體的開發(fā)周期，遠(yuǎn)端環(huán)回必將加速上述發(fā)展趨勢。

目前高性能集成電路方面正在發(fā)生的架構(gòu)改變將影響半導(dǎo)體產(chǎn)品的方方面面，包括從設(shè)計(jì)到終測和封裝。這一變化背后的驅(qū)動因素有兩個(gè)：(1)不斷增加的數(shù)據(jù)帶寬需求；(2)功率管理方面的需求。這兩方面的需求正在驅(qū)使設(shè)計(jì)師對出入IC的數(shù)據(jù)傳輸方式作出根本的改變。

設(shè)計(jì)工具和制造工藝已經(jīng)改進(jìn)到可用邏輯門數(shù)量已經(jīng)不再是片上系統(tǒng)(SoC)性能的限制因素了。相反，性能限制因素主要是向芯片“內(nèi)核”傳送數(shù)據(jù)的速度，以及功率管理和熱管理。過去，可以通過增加并行總線帶寬來傳送較大的數(shù)據(jù)量，但這種方法在功耗、引腳數(shù)量、封裝以及PCB成本等方面都有缺點(diǎn)。

實(shí)際上由于互聯(lián)層之間的電容和電感特性，在現(xiàn)有的并行總線上傳輸高速數(shù)據(jù)時(shí)還面臨一些其它限制。當(dāng)線上的數(shù)據(jù)率高達(dá)約1Gbps時(shí)，上升時(shí)間、抖動、通道間和分布式時(shí)鐘擺率特性等這些并行總線設(shè)計(jì)中固有的問題將開始成為關(guān)鍵的限制因素。

這些限制因素激勵(lì)著數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的數(shù)字設(shè)計(jì)工程師門在十年前就開始考慮串行技術(shù)。通過在為數(shù)不多的串行信道(圖1)上實(shí)現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)率，他們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)量和功率預(yù)算要求都能得到滿足。高速串行總線(HSSB)的很多物理性能與并行總線不同。主要的差別包括：
? 對于發(fā)送和接收等量的數(shù)據(jù)來說所需的連接點(diǎn)數(shù)量更少
? 串行總線為點(diǎn)對點(diǎn)連接，而傳統(tǒng)的并行總線則是多點(diǎn)對多點(diǎn)連接
? 串行總線為單向的數(shù)據(jù)通道，而傳統(tǒng)的并行總線則是雙向
? 串行總線的電壓擺幅小，可以支持更高速率的數(shù)據(jù)傳輸
? 串行總線采用差分信號，克服了影響低電壓擺幅的共模噪聲
?與傳統(tǒng)的并行方式相比，串行的定時(shí)和數(shù)據(jù)捕獲方式有根本不同

圖1：采用高速串行總線的PC架構(gòu)。

高速測試方面的挑戰(zhàn)

在以不是太高的成本通過HSSB提供這些呈指數(shù)式增長的傳輸速率方面測試公司將扮演關(guān)鍵的角色。像PCI Express I和II、HyperTransport 2.0和3.0、XAUI、XDR、RapidIO以及 InfiniBand這些高速接口將被越來越多地用來提供更高的數(shù)據(jù)率(圖2)。但是，高速數(shù)據(jù)總線帶來了一些很大的測試挑戰(zhàn)，在這里，傳統(tǒng)的功能測試和簡單的可測性設(shè)計(jì)(DFT)方法學(xué)不再適用。在高端自動測試設(shè)備(ATE)平臺上的傳統(tǒng)“功能”測試流程能夠提供很全面的測試覆蓋，但這些經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證的方法存在較大的缺點(diǎn)，比如成本較高，測試編程復(fù)雜。此外，每個(gè)引腳的成本隨著高速數(shù)據(jù)應(yīng)用中總線速率的升高而升高，這也使得傳統(tǒng)的功能測試方法漸不可行。

圖2：到2010年數(shù)據(jù)率將超過10 Gbps，因此測試行業(yè)需要?jiǎng)?chuàng)新的測試方法來克服高速總線方面的挑戰(zhàn)。

于是制造商們又轉(zhuǎn)向能夠?qū)崿F(xiàn)更全面和成本優(yōu)化的高速總線測試的環(huán)回技術(shù)(即：利用設(shè)備本身提供測試數(shù)據(jù)然后接收返回到設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn))。圖3 給出了一個(gè)簡化的PCI Express通道以及可能不同的環(huán)回位置，從有助于晶圓探測的純內(nèi)部環(huán)回點(diǎn)，到被測器件(DUT)外面的環(huán)回位置。環(huán)回測試非常有效，不過實(shí)現(xiàn)的方式也非常重要，因?yàn)橐紤]高速信號的典型損耗預(yù)算。損耗預(yù)算決定了可接受的信號劣化的程度，它通常需要考慮三個(gè)因素，即發(fā)射器，接收器和內(nèi)部互聯(lián)，所有這幾項(xiàng)都將劣化信號的“眼圖”，從而影響測試覆蓋率。

圖3：在簡化的PCI Express單通道中可能的環(huán)回位置。

迄今為止，像“近端環(huán)回”這類替代性DFT技術(shù)已經(jīng)為高端消費(fèi)電子和運(yùn)算應(yīng)用方面的測試設(shè)備帶來了良好的成本效益(通過ATE中的簡化編程和降低投資)。目前的近端環(huán)回技術(shù)簡單并具成本效益，不過在解決像抖動、信號變化以及導(dǎo)致測試不完整甚至漏測的協(xié)議性能等問題方面卻無能為力。近端環(huán)回技術(shù)可以通過在I/O引腳之間創(chuàng)建通路而被設(shè)置到被測器件中。但是，在覆蓋率方面，其固有的低成本和簡單性將大打折扣。它沒有參數(shù)測量，缺乏信號控制，具有較低的與信號完整性或誤碼相關(guān)的故障發(fā)現(xiàn)概率等。例如，一個(gè)簡單的內(nèi)部環(huán)回，或負(fù)載板環(huán)回，將使一個(gè)邊際接收器“隱藏”在強(qiáng)健發(fā)射器的陰影中，并通過環(huán)回測試。在較低的速率上都存在這些不確定性的時(shí)候，如果許諾3Gbps以上的覆蓋率將是冒險(xiǎn)的方式。于是，半導(dǎo)體制造商需要尋找新的DFT技術(shù)來對影響器件和系統(tǒng)性能的關(guān)鍵變量實(shí)現(xiàn)靈活全面的測試。

遠(yuǎn)端環(huán)回的優(yōu)點(diǎn)

處于兩種極端之間，像遠(yuǎn)端環(huán)回這樣的創(chuàng)新技術(shù)將DFT的靈活性與較深入的功能測試診斷結(jié)合在一起。這種遠(yuǎn)端環(huán)回在Credence Systems公司的Sapphire D-6432DFT儀器中得到了有效實(shí)現(xiàn)。Sapphire D-6432DFT儀器是業(yè)界首套高速串行總線方面的集成測試解決方案。該方案結(jié)合了全速環(huán)回測試、抖動測量、注入測量，還有掃描/功能測試以及直流參數(shù)測量，所有功能都位于一個(gè)單獨(dú)的插件中。更好的是，它提供了帶有可編程信號劣化功能的遠(yuǎn)端環(huán)回，這為測試工程師賦予了很大的靈活性，使得他們可以將DUT DFT/圖形產(chǎn)生器插入到盡可能遠(yuǎn)的上游端。其結(jié)果是實(shí)現(xiàn)了更高的測試覆蓋率(與其他環(huán)回方法相比)。圖4中顯示的是利用DUT主圖案(master pattern)產(chǎn)生器在一個(gè)單獨(dú)的PCI Express通道上的一個(gè)簡單實(shí)現(xiàn)，其中D-6432DFT提供遠(yuǎn)端環(huán)回。

圖4：利用內(nèi)部DUT DFT實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包產(chǎn)生、帶可編程信號劣化功能的遠(yuǎn)端環(huán)回可以完成高速通道的端到端測試。

D-6432DFT提供了比同類產(chǎn)品高四倍的密度，為制造商提供了一項(xiàng)突破性的DFT方法，從而大大減少了半導(dǎo)體器件的總成本和上市時(shí)間。與需要數(shù)倍投資卻僅能測試有限幾個(gè)通道的其他方案不同，D-6432DFT整合了大量的功能，可以在一臺儀器上測試多達(dá)16個(gè)環(huán)回對。這套儀器是與微處理器制造商Advanced Micro Devices (AMD)公司合作制造的，該公司的工程師們將獲獎(jiǎng)的Sapphire平臺與D-6432DFT整合在一起，加快了該公司最新型產(chǎn)品的測試時(shí)間和上市時(shí)間。各地生產(chǎn)線上在用的D-6432DFT儀器已有200多套，這些儀器基于驗(yàn)證過的Sapphire平臺，其全球用戶數(shù)量已達(dá)上百個(gè)。

利用D-6432DFT可以使DUT與智能的測試設(shè)備通信，從而首次實(shí)現(xiàn)了高速總線的生產(chǎn)級測試。測試工程師在編程信號劣化性能以便器件的發(fā)射和接收通道留出更多余量方面具有很大的靈活性，還能夠在一個(gè)具有成本效益的生產(chǎn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)抖動容差和抖動傳輸方面的測試。

這類環(huán)回提供了以下一些重要優(yōu)點(diǎn)：
?提供了能夠側(cè)重電壓和時(shí)間域眼圖的信號控制
?增加了對信號完整性和誤碼靈敏度的測試覆蓋
?儀器中整合了抖動注入和抖動測量
?覆蓋了損耗預(yù)算所有的三個(gè)部分
?接收和發(fā)射通道可以被用來向內(nèi)核邏輯和協(xié)議棧提供測試向量
?可以訪問器件引腳實(shí)現(xiàn)全面的直流參數(shù)測試

很明顯，呈指數(shù)式增長的總線速度給電路板的設(shè)計(jì)到生產(chǎn)帶來了根本轉(zhuǎn)變。重要的是要記住絕大多數(shù)器件都還有其他一些信號，甚至符合傳統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)的其它總線。一些器件同時(shí)使用幾種由不同協(xié)議和信令規(guī)范支持的高速總線已經(jīng)是常見的事情了。實(shí)際上，正是技術(shù)和時(shí)間域的結(jié)合才使得這些器件功能如此強(qiáng)大，也使設(shè)計(jì)、調(diào)試和測試變得更加困難。在快節(jié)奏環(huán)境中，通過提供創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案來幫助用戶以更低的成本和更低的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步優(yōu)化和加速他們的最新測試技術(shù)，測試公司將扮演重要的領(lǐng)導(dǎo)角色。