測試復雜的多總線SoC器件

使用多個復雜的總線已經(jīng)成為系統(tǒng)級芯片(SoC)器件的標準，這種總線結(jié)構(gòu)的使用使測試工程師面臨處理多個時鐘域問題的挑戰(zhàn)。早期器件的測試中，工程師可以依賴某些自動化測試設(shè)備(ATE)的雙時域能力測試相對簡單的總線結(jié)構(gòu)。
目前測試工程師面臨更復雜的SoC器件，這些器件反應了越來越多使用多個高速總線結(jié)構(gòu)的趨勢。使用有效的技術(shù)和下一代測試系統(tǒng)，如Credence(科利登)的Octet，測試工程師能夠成功地管理與復雜SoC器件(如北橋器件)中多總線結(jié)構(gòu)相關(guān)的獨立時鐘域。通過掌握ATE的能力，測試開發(fā)過程中，測試工程師能夠開發(fā)出更有效的解決方案，加速這些復雜器件的面市時間。多總線結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)地被認為是最大化系統(tǒng)生產(chǎn)力成本效益的方法，尤其在高度集成的制造工藝被廣泛使用之前的處理器設(shè)計中，因為那時無法生產(chǎn)成本效益較高的片上高速緩存。早期的微處理器使用簡單的總線結(jié)構(gòu)，只有兩組總線，每組總線有自己的時鐘域。在這些器件中，兩個時鐘域間有簡單的倍數(shù)關(guān)系：例如后向高速緩存總線的工作速率是前端總線的兩倍。盡管這些器件可以采用與傳統(tǒng)ATE原理相同的方法測試，工程師發(fā)現(xiàn)，實際上時序設(shè)置資源將被耗盡，很多向量無法運行在那些測試系統(tǒng)上。對于更復雜的時鐘域應用，測試工程師可以利用流行的技術(shù)，使用雙時域ATE系統(tǒng)測試這些器件。

多時鐘域器件
測試這些早期器件充滿了挑戰(zhàn)性。目前，測試工程師必須處理包含多個工作在獨立時鐘域下的高速總線。同時這些器件的應用需求要求總線結(jié)構(gòu)本身必須進行改變。隨著早期的并行總線變得越來越寬，越來越快，設(shè)計者面對不斷增加的困難，包括管理越來越多的數(shù)據(jù)和與并行總線設(shè)計中使用的常用系統(tǒng)時鐘相關(guān)的時鐘延遲。在這些情況下，不可能進行簡單的通過/失效(pass/fail)功能測試，因為時鐘延遲會引入足夠的變化，使本來固定的測試向量有非確定性。最近出現(xiàn)的源同步串行結(jié)構(gòu)為設(shè)計者提供了獲得高速數(shù)據(jù)傳輸率的替換方法，這種方法不會引入與高速并行總線有關(guān)的延遲問題。該方法中，接收器件將發(fā)送器件發(fā)出的時鐘和數(shù)據(jù)一同取出。
為了測試這些多時鐘域總線和較新的異步串行總線，工程師需要一種測試系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以盡可能地模擬器件，最終對其進行測試。這叫做原型模式測試(見圖1)。 在原型模式下進行測試，可以改進總的失效覆蓋率和器件診斷，因為可以獨立改變?nèi)我豢偩€和保持其它總線的運行速度。具備這個能力還可以改進測試時間，因為時間設(shè)置不需要改變，且測試向量/時序較容易開發(fā)。
為了滿足快速變化的消費者需求，先進的器件，如用于個人計算機系統(tǒng)的北橋和南橋器件，現(xiàn)在包括兩個以上的時鐘域，更復雜的是還包括數(shù)據(jù)速率超過400Mb/s的高速串行總線。北橋和南橋是傳統(tǒng)個人計算機結(jié)構(gòu)中的兩個關(guān)鍵器件。南橋處理系統(tǒng)I/O功能，北橋負責系統(tǒng)處理器、圖形子系統(tǒng)、存儲器和PCI 夾層總線間的高速通信。
復雜IC(如北橋器件)的特點是能夠完全獨立操作的高速總線，所以測試必須支持獨立的周期長度和有獨立循環(huán)和匹配循環(huán)功能的時序設(shè)置。
例如，圖2中北橋器件有三個獨立的時域，三個時域間速率沒有整數(shù)關(guān)系。本例中3ns時域產(chǎn)生了問題。通過時序設(shè)置切換，這個時鐘域的時序可以被強行轉(zhuǎn)換為1.875ns時序周期。測試工程師也可以將器件的測試向量拆分為一個3ns時域和一個1.875ns時域，在兩個獨立的時間基礎(chǔ)下同時運行兩個向量。圖2描述了測試中需要支持的多種總線速度關(guān)系的一種。這些總線可以在測試過程中改變它們之間的速度關(guān)系：某些情況下，一組總線與其它總線速率是非整數(shù)關(guān)系，另外一些情況下，其它總線又成為問題，增加了多時域器件中的時域。
早期的ATE結(jié)構(gòu)通常只支持單一的高速時序發(fā)生，但是下一代測試系統(tǒng)，如Credence的Octet和Quartet，十多年前就可以支持四個或更多的域。使用先進的多時域系統(tǒng)，如Octet提供的工具和特性，測試工程師能夠進行成本效益較高的測試，可以滿足復雜多時域IC，如北橋器件的測試需求。

測試開發(fā)
處理這種復雜度的器件，測試開發(fā)必須對被測器件有廣泛的了解。通常，復雜器件被送到測試部門而沒有足夠的來自設(shè)計部門的器件數(shù)據(jù)，測試工程師要將器件返還給工程部門，取得所需的數(shù)據(jù)。過去，測試工程師只需要知道電源引腳和地引腳的位置，I/O引腳的分配則可以任意進行?？焖倏偩€器件出現(xiàn)后，工程師發(fā)現(xiàn)他們必須對測試系統(tǒng)資源做特殊分配，以管理這些高速總線。將來，PCI高速總線和其它源同步總線(SSB)要分配特殊的測試系統(tǒng)通道資源，達到既可以支持傳統(tǒng)數(shù)字測試功能，又能支持新的用于測試SSB的測試功能，如抖動發(fā)生/探測，偽隨機位數(shù)據(jù)流的發(fā)生和捕獲，以及時鐘恢復功能。隨著數(shù)據(jù)速率不斷增加，測試工程師需要更細致的關(guān)于被測器件的數(shù)據(jù)，以設(shè)計出合適的測試結(jié)構(gòu)和過程。隨著這些器件的數(shù)據(jù)速率超過幾百Mb/s，測試設(shè)置變得更加關(guān)鍵，需要對結(jié)構(gòu)設(shè)計更加小心。工程師必須保證差分路徑長度和阻抗的匹配，并盡可能地使用高質(zhì)量的器件。如果沒有認真地考慮這些問題，工程師會發(fā)現(xiàn)，導致測試失效的原因是不合適的負載板設(shè)計和信號路徑，而不是器件本身的失效。沒有關(guān)于被測器件全面的信息，工程師不能保證可以對來自設(shè)計部門的所有測試向量進行測試。一組總線的工作速度可能高于設(shè)計速度，這將導致芯片的重加工。而低速設(shè)計中，任何ATE的輸入/輸出引腳可以分配給任一DUT輸入/輸出引腳，所以不用考慮這些問題。以前關(guān)于被測器件的信息可以在開發(fā)測試結(jié)構(gòu)的同時進行了解，而今天理解被測器件則有必要在開發(fā)之前進行。如果工程師沒有足夠關(guān)于被測器件的信息，不僅會增加負載板重設(shè)計加工的風險(通常加工這些負載板需要15000-30000美元)，同時也無法滿足客戶緊迫的產(chǎn)品開發(fā)進度。所以，進行結(jié)構(gòu)布局之前，測試工程師應該盡可能多地收集有關(guān)器件總線功能的信息，包括總線標準和從CAD部門了解器件中使用總線的特性。
通過比較設(shè)計部門提供的數(shù)據(jù)和公開發(fā)表的標準，測試工程師能夠?qū)Ρ粶y器件總體的信息和特定時鐘域的特殊性有更好的了解。有了這些信息，測試工程隊伍能夠掌握器件的關(guān)鍵特性，包括獨立時鐘域的數(shù)量；每個時鐘域的最高頻率；每個時鐘域的管腳數(shù)；最小電壓擺幅；差分信號；端接。

多時鐘域測試方法
如圖2 所示，北橋部分電路的特點是有多種總線，若對這部分進行測試，需要將獨立時鐘域限制在一定的數(shù)量。這些總線由內(nèi)部鎖相環(huán)定時，內(nèi)部鎖相環(huán)使用頻率較低的時鐘作為參考時鐘。前端總線(FSB)的時鐘頻率為133MHz，但數(shù)據(jù)可能以四倍于這個速率的頻率傳輸。這個例子中，AGP的時鐘是66MHz，但內(nèi)部鎖相環(huán)將該時鐘8倍頻后獲得533MHz的頻率。“Quad Pumped”是另一種表達方式，說明數(shù)據(jù)由一個內(nèi)部時鐘定時，這個時鐘頻率是主時鐘的三倍。
北橋電路中，盡管多個不同的時鐘可以歸為同一時鐘域，但是DCLKIN引腳(存儲器時鐘)無法與支持其它時鐘的測試周期保持整數(shù)倍的關(guān)系。為了處理這種不同步的波形，支持時序設(shè)置的測試系統(tǒng)能夠提供在連續(xù)的向量中進行不同時序沿放置的能力。例如，測試向量發(fā)生軟件能夠生成八個時序設(shè)置的重復向量，該向量可以在測試系統(tǒng)中進行復制。
在SoC測試系統(tǒng)中，如Octet, 測試工程師可以較容易地支持多個時序設(shè)置。而使用早期的ATE，測試工程師發(fā)現(xiàn)支持較高頻率方面會受到限制，或者ATE根本不支持任何時序設(shè)置。
通常，測試工程師可以從兩個常用的方案中任選一個來處理多時鐘域問題：使用單一測試系統(tǒng)周期或多個測試系統(tǒng)周期。
?單一的測試系統(tǒng)周期。這種方法中，測試向量利用時序設(shè)置減少時鐘域關(guān)系。這種方法的好處是測試結(jié)構(gòu)布局不依賴具體器件；缺點是所有被鎖定的時鐘頻率必須為某個基本時鐘的倍數(shù)，測試工程師不能對每個總線獨立進行頻率參數(shù)的shmoo調(diào)試。而且這種方法可能會耗盡所用ATE的時序設(shè)置/時序沿存儲器資源，一旦這種情況發(fā)生，測試向量必須重新仿真生成，才能保證所有的時鐘和數(shù)據(jù)速率是整數(shù)倍關(guān)系。
?多個測試系統(tǒng)周期。這種方法中，測試向量被拆分為多個向量，每個向量是以不同的測試周期仿真生成的。這種方法對時序設(shè)置資源的要求較低，允許不同時域的獨立編程。而另一方面，這種方法對測試板結(jié)構(gòu)有依賴性，且CAD到測試的過程更復雜，需要合適的ATE軟件支持。
最理想的是同時使用兩種方法，測試工程師可以靈活的進行時域調(diào)試，但同時也增加了測試向量的處理工作。
將測試向量轉(zhuǎn)換為符合測試系統(tǒng)周期標準的過程叫做“周期化”。典型的測試向量發(fā)生工具不作特殊定義，會生成有單一時域的向量，但很多較老ATE平臺的時序設(shè)置資源有限，這樣生成的向量無法在這種測試系統(tǒng)上運行或必須降低測試頻率。采用多測試系統(tǒng)周期生成向量會更困難，但測試工程師可以在不同測試速度下只對一部分I/O進行處理。測試過程中不同的向量組被加載并獨立地運行。如果對引腳的排列不作特殊設(shè)定，則很難分辯用于不同時鐘域的引腳。這種情況下可以使用腳本程序?qū)⑾蛄课募械囊_按不同的總線分組以便于檢驗。不同的ATE在支持時鐘域數(shù)量和每個時鐘域可包含引腳數(shù)方面有不同的限制。所以，工程師在設(shè)計測試結(jié)構(gòu)前理解器件時鐘域的要求非常重要。

測試系統(tǒng)問題
除了了解被測器件的特性，測試工程師要有效地使用多時鐘域測試方法理解所有測試系統(tǒng)的能力同樣重要。除知道測試系統(tǒng)支持的時域數(shù)量外，工程師還需要理解時序設(shè)置資源和高頻限制。高速測試中的關(guān)鍵問題是環(huán)路延遲(RTD)。
RTD是信號從測試系統(tǒng)的PE卡驅(qū)動電路將信號傳輸?shù)紻UT，再從DUT返回PE卡所用的時間。測試過程中，測試系統(tǒng)將信號傳輸?shù)紻UT的路徑長度延長了器件有效的引腳間延時。Octet測試系統(tǒng)的特點之一是信號傳輸路徑非常短，但是對多數(shù)ATE來說，信號從PE卡傳送到DUT的距離都大于器件實際應用中與系統(tǒng)其它組成器件間的通訊距離。即使從測試接口板到DUT間的距離很短，還要考慮到測試頭內(nèi)部彈簧針到PE卡驅(qū)動器的距離。
盡管ATE的PE卡中對RTD做了補償，但如果測試向量中編程的信號狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間小于信號從PE卡傳送到DUT所需的時間，就可能出現(xiàn)問題，因為這時測試系統(tǒng)試圖在器件狀態(tài)轉(zhuǎn)換的同時對器件輸出進行采樣。這種情況下ATE的采用對象是PE驅(qū)動器而不是DUT。當器件工作在120Mb/s(周期為8.3ns)速率以上時，對于沒有死態(tài)或等待狀態(tài)的引腳輸出到輸入狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，RTD會引起問題。120Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率考慮了可能的數(shù)據(jù)建立/保持和傳輸延遲因素，如果數(shù)據(jù)不為零，這些因素會將時鐘和數(shù)據(jù)關(guān)系復雜化。
測試工程師可以使用不同的方法處理RTD問題。一種方法是，仿真的時候為器件引腳從輸出到輸入狀態(tài)轉(zhuǎn)換設(shè)定足夠的時間。考慮到RTD因素，這一時間通常需延長2~6ns，具體的時間由不同的ATE特性決定。另一種方法包括當引腳從輸出狀態(tài)到輸入狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，不對輸出周期進行采樣，但這種方法會減小錯誤覆蓋率。一個更有效的方法是使用“fly-by”端接，這是一種消除RTD的方法。“fly-by”技術(shù)使用測試系統(tǒng)兩個引腳：一個用于驅(qū)動數(shù)據(jù)，另一個用于讀取數(shù)據(jù)。除了消除RTD，這種方法還可以使測試工程師能夠使用被測器件的測試板驗證測試系統(tǒng)的時序精度。
使用測試系統(tǒng)軟件提供的示波器工具，“fly-by”技術(shù)還可以提供干凈的波形。
實際上結(jié)合shmoo圖等工具，ATE示波器檢驗可以為測試工程師提供驗證測試設(shè)置功能的工具。通過仔細檢驗示波器數(shù)據(jù)，測試工程師可以更好的理解到達DUT的信號。實際上高速測試中，測試工程師有理由懷疑任何沒有經(jīng)過示波器檢驗的輸入DUT的波形。同時示波器的質(zhì)量決定測量波形的質(zhì)量。■