低功耗制造性測(cè)試的設(shè)計(jì)-第二部分

通過設(shè)計(jì)分割反映功率預(yù)算

假設(shè)設(shè)計(jì)的某個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)了大量觸發(fā)器，以至它們的峰值開關(guān)動(dòng)作超過設(shè)計(jì)的總體功率預(yù)算。我們不希望測(cè)試邏輯去改變?nèi)魏螘r(shí)鐘，相反我們將設(shè)計(jì)分割成N個(gè)模塊，各模塊具有自己的掃描啟動(dòng)引腳，并且包含自己的掃描壓縮邏輯和掃描鏈。(如圖2所示)模塊的數(shù)量和組成需要仔細(xì)選取，以便任何單個(gè)模塊(包括具有大部分觸發(fā)器的模塊)的觸發(fā)器開關(guān)速率不超過總功率預(yù)算。從這方面講，可以認(rèn)為分割將功率預(yù)算硬連(hardwire)進(jìn)了設(shè)計(jì)。

向量產(chǎn)生是受限的，因而只有一個(gè)掃描啟動(dòng)腳被激活(SE=1)，而ATPG一次只處理一個(gè)模塊。ATPG工具以捕獲啟動(dòng)(SE=0)模塊中的故障和模塊間的故障為目標(biāo)，將所有其它模塊中的故障都指定為“ATPG不可測(cè)試”。所有模塊依次重復(fù)這一過程，并在為模塊產(chǎn)生向量之前使用單個(gè)命令將模塊中的故障狀態(tài)從“ATPG不可測(cè)試”改變?yōu)?ldquo;檢測(cè)不到”。

將所有開關(guān)動(dòng)作限制于用來測(cè)試的模塊，可以有效地降低捕獲模式期間的峰值功耗。但要注意的是，在捕獲模式期間消除其它模塊開關(guān)動(dòng)作的唯一方法是確保上個(gè)周期的掃描移位模式和下個(gè)周期之間的邏輯狀態(tài)沒有變化(對(duì)應(yīng)于被測(cè)模塊中捕獲模式的發(fā)送階段)。這可以通過將全1或全0掃描進(jìn)被測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)。遺憾的是，該方法會(huì)導(dǎo)致故障覆蓋率的損失，同時(shí)需要更復(fù)雜的故障清單處理以及產(chǎn)生結(jié)束向量進(jìn)行補(bǔ)償。即使一次只測(cè)試一個(gè)模塊，我們也希望將向量同時(shí)裝載進(jìn)所有模塊以鎖定模塊間故障。

解決這個(gè)兩難問題的方案是利用新思公司的TetraMAX ATPG工具提供的“低功率填充”功能。TetraMAX通常需要用掃描向量中不到10%的位建立并傳播故障效應(yīng)，因此其不再隨機(jī)填充剩余位，而是將每個(gè)關(guān)注位的值復(fù)制到掃描鏈中的后續(xù)位，直到下一個(gè)具有相反值的關(guān)注位。(如圖3所示)

關(guān)注位值的復(fù)制可以將激勵(lì)向量中的邏輯狀態(tài)變化減少90%以上。而在不在測(cè)試的模塊中，減少程度接近99%(只需要少量關(guān)注位即可鎖定模塊間故障)，因此足以確保輸入向量的上次移位及后面的發(fā)送周期之間幾乎沒有邏輯狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

圖2：將設(shè)計(jì)分割成N個(gè)模塊以指定功率預(yù)算。

圖3：TetraMAX ATPG工具的“低功率填充”。

低功率填充向量可以檢測(cè)額外故障，但比標(biāo)準(zhǔn)ATPG向量要少，因?yàn)槊總€(gè)低功率填充激勵(lì)中的偽隨機(jī)位都被移除了。因此，低功率填充ATPG一般要比標(biāo)準(zhǔn)ATPG產(chǎn)生更多的向量才能獲得相同的故障覆蓋率。盡管如此，本節(jié)所描述的技術(shù)在壓縮方面非常靈活，如圖4所示：當(dāng)應(yīng)用更多的壓縮時(shí)，測(cè)試周期數(shù)只比基本案例(所有掃描啟動(dòng)沒有被激活，沒有低功率填充)稍多一些。該圖也顯示了在捕獲模式期間由完整向量集與壓縮率之間關(guān)系所得到的峰值開關(guān)動(dòng)作。而峰值開關(guān)動(dòng)作的減少幾乎與壓縮率無關(guān)。

圖4：測(cè)試周期數(shù)和峰值開關(guān)動(dòng)作與壓縮率之間的關(guān)系。

低功率填充ATPG還能降低掃描移位期間的平均功率，從而節(jié)省花在測(cè)試儀上的時(shí)間乃至成本。一般來說，復(fù)制關(guān)注位值可以減少激勵(lì)向量中90%以上的邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換，以及減少響應(yīng)向量中10-50%的邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換。由于激勵(lì)和響應(yīng)是同時(shí)被掃描的，因此觸發(fā)器開關(guān)動(dòng)作的凈平均減少量約為50%。本文介紹的技術(shù)可以減少更高的量，因?yàn)槟K中只有極少的關(guān)注位沒被測(cè)試到。

在理解低功率填充功能如何工作之后，就很容易了解為什么各模塊要擁有自己的壓縮電路。如果壓縮是“平坦的”(指單個(gè)解壓器/壓縮器被嵌在各模塊的頂層而不是里面)，那么解壓器輸出就可以分別輸入到所有模塊上的掃描鏈。被測(cè)模塊的關(guān)注位因而無需被掃描進(jìn)所有的其它模塊，并導(dǎo)致大量的邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換。相反，將壓縮電路嵌入到模塊中會(huì)使到各模塊掃描鏈的輸出受到限制，從而形成了在移位操作時(shí)無法通過的關(guān)注位“邊界”。將壓縮邏輯嵌入進(jìn)設(shè)計(jì)物理層里還有進(jìn)一步的好處，即可以減少布線擁塞，最終減少壓縮的面積開銷成本。

通過時(shí)鐘域反映功率預(yù)算

雖然物理模塊內(nèi)的嵌入式壓縮有助于減少布線擁塞，但本節(jié)介紹的技術(shù)無需通過分割設(shè)計(jì)以反映功率預(yù)算。相反，可以使用TetraMAX中獨(dú)特的功能將觸發(fā)器開關(guān)動(dòng)作預(yù)算規(guī)定為ATPG制約。

在該種情況下假設(shè)設(shè)計(jì)具備足夠多的時(shí)鐘，因而單個(gè)時(shí)鐘不能控制足夠的電路以超出功率預(yù)算。該工具試圖在捕獲模式下只啟動(dòng)某些時(shí)鐘來滿足功率制約。剩余時(shí)鐘在捕獲模式中不工作，在移位操作結(jié)束時(shí)保持其狀態(tài)。這意味著這些范圍(邏輯網(wǎng)絡(luò)或時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò))內(nèi)沒有開關(guān)動(dòng)作，低功率填充的好處僅限于降低掃描移位期間的平均功率。需要注意的是，ATPG必須完全控制所有的時(shí)鐘(外部時(shí)鐘或PLL產(chǎn)生的時(shí)鐘由一個(gè)或多個(gè)片上時(shí)鐘控制器所管理)。

圖5所示設(shè)計(jì)具有受ATPG控制的7個(gè)時(shí)鐘域。值得注意的是，用于壓縮的物理模塊的分割不需與時(shí)鐘域一致，以確保測(cè)試期間的低功率操作。設(shè)計(jì)中的所有觸發(fā)器共享相同的掃描啟動(dòng)，從而使得所有的故障包括域間故障能一次性地被ATPG發(fā)現(xiàn)。這種簡(jiǎn)單、高度自動(dòng)化的流程可以產(chǎn)生緊湊格式的低功率向量集。

圖5：具有7個(gè)時(shí)鐘域的設(shè)計(jì)。

本文小結(jié)

本文介紹了制造測(cè)試過程中引入的動(dòng)態(tài)功耗如何反過來影響被測(cè)器件的性能。測(cè)試中過高的峰值功耗會(huì)增加延遲并導(dǎo)致不可預(yù)料的測(cè)試結(jié)果，而測(cè)試期間中過高的平均功率所引起的熱問題則會(huì)損壞器件。上述兩個(gè)功率問題如果處理不正確將增加制造商的成本，而使用最先進(jìn)工藝制造的大規(guī)模SoC尤其容易受這些問題的影響。

不僅因?yàn)檫@些設(shè)計(jì)中使用了大量的觸發(fā)器，同時(shí)還因?yàn)樾枰酶邥r(shí)間分辨率的實(shí)速測(cè)試來檢測(cè)小延遲故障。為了解決這些問題，設(shè)計(jì)師們正在整合測(cè)試自動(dòng)化的先進(jìn)成果和DFT方法來創(chuàng)建低功率制造測(cè)試。本文重點(diǎn)介紹了兩種創(chuàng)新性技術(shù)，它們可將開關(guān)動(dòng)作降低到與器件任務(wù)模式工作時(shí)相當(dāng)?shù)乃?。這兩種方法的主要區(qū)別在于設(shè)計(jì)師將功率預(yù)算并入DFT過程中的方式。

作者：Chris Allsup

市場(chǎng)經(jīng)理

測(cè)試自動(dòng)化產(chǎn)品部

Synopsys公司