第八講集成電路可測(cè)性原理和有效設(shè)計(jì)

1、第八講集成電路可測(cè)性原理和有效設(shè)計(jì)2/8/2022浙大微電子浙大微電子2/26IC測(cè)試概念測(cè)試概念 在芯片設(shè)計(jì)正確的前提下，在制造過程中引在芯片設(shè)計(jì)正確的前提下，在制造過程中引入的缺陷（故障）造成的電路失效，需要用入的缺陷（故障）造成的電路失效，需要用測(cè)試的方法將其檢測(cè)出來。測(cè)試的方法將其檢測(cè)出來。 對(duì)對(duì)IC設(shè)計(jì)，用仿真手段驗(yàn)證設(shè)計(jì)正確性設(shè)計(jì)，用仿真手段驗(yàn)證設(shè)計(jì)正確性 對(duì)對(duì)IC制造，用測(cè)試手段報(bào)告生產(chǎn)制造，用測(cè)試手段報(bào)告生產(chǎn)“良率良率” 故障的存在故障的存在 影響電路功能的正確性影響電路功能的正確性 故障的定位故障的定位 若大量電路由于相同原因失效，要找出問題所在若大量電路由于相同原因失效，要

2、找出問題所在2/8/2022浙大微電子浙大微電子3/26電路測(cè)試與電路仿真的不同電路測(cè)試與電路仿真的不同 電路仿真電路仿真 時(shí)間充裕時(shí)間充裕 軟件可對(duì)電路內(nèi)部任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真軟件可對(duì)電路內(nèi)部任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真 電路測(cè)試電路測(cè)試 測(cè)試機(jī)時(shí)昂貴，每分鐘都計(jì)算成本測(cè)試機(jī)時(shí)昂貴，每分鐘都計(jì)算成本 不可能對(duì)電路內(nèi)部進(jìn)行探測(cè)，故障排查困難不可能對(duì)電路內(nèi)部進(jìn)行探測(cè)，故障排查困難2/8/2022浙大微電子浙大微電子4/26樣品測(cè)試與產(chǎn)品測(cè)試的不同樣品測(cè)試與產(chǎn)品測(cè)試的不同樣品測(cè)試樣品測(cè)試人工進(jìn)行人工進(jìn)行測(cè)試時(shí)間充裕測(cè)試時(shí)間充裕測(cè)試方法自由測(cè)試方法自由產(chǎn)品測(cè)試產(chǎn)品測(cè)試機(jī)器測(cè)試機(jī)器測(cè)試測(cè)試時(shí)間折進(jìn)產(chǎn)品成本（有時(shí)比制造

3、成本還高）測(cè)試時(shí)間折進(jìn)產(chǎn)品成本（有時(shí)比制造成本還高）測(cè)試代碼編寫測(cè)試代碼編寫2/8/2022浙大微電子浙大微電子5/261.樣品的測(cè)試樣品的測(cè)試 大規(guī)模大規(guī)模IC, 其輸入其輸入/輸出管腳眾多。輸出管腳眾多。 理論上理論上, 只有只有“窮盡窮盡”了輸入信號(hào)的所有組了輸入信號(hào)的所有組合合, 并驗(yàn)證了輸出信號(hào)相應(yīng)無誤后并驗(yàn)證了輸出信號(hào)相應(yīng)無誤后, 才能斷才能斷定此電路是合格產(chǎn)品。定此電路是合格產(chǎn)品。 二輸入端二輸入端“與非與非”門門, 只有測(cè)試了只有測(cè)試了00, 01, 10, 11四種輸入狀態(tài)下的輸出分別是四種輸入狀態(tài)下的輸出分別是1, 1, 1, 0, 才能斷定該才能斷定該“與非與非”門是合格

4、產(chǎn)品。門是合格產(chǎn)品。 這種方法類似于設(shè)計(jì)階段所做的電路仿真。這種方法類似于設(shè)計(jì)階段所做的電路仿真。 2/8/2022浙大微電子浙大微電子6/26實(shí)例：乘法實(shí)例：乘法/累加累加ASIC測(cè)試測(cè)試 窮盡法要做多少次測(cè)試？窮盡法要做多少次測(cè)試？2827215次次 2/8/2022浙大微電子浙大微電子7/26是否有一種切實(shí)可行的測(cè)試方法是否有一種切實(shí)可行的測(cè)試方法 127 255C0 = ij i =1 j =1 = 265297920 轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)因?yàn)榧拇嫫鳛?5位，所以C值最終應(yīng)為0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 032 24 16 80 0 0 0 1 1 1 1 1 1

5、0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2/8/2022浙大微電子浙大微電子8/26乘法乘法/累加累加ASIC性能測(cè)試性能測(cè)試測(cè)試乘法測(cè)試乘法/累加電路的最高工作頻率累加電路的最高工作頻率 當(dāng)時(shí)鐘頻率較低時(shí)當(dāng)時(shí)鐘頻率較低時(shí), 芯片輸出芯片輸出C = C0, 工作正常。工作正常。 將時(shí)鐘頻率不斷提高將時(shí)鐘頻率不斷提高, 每提高一次每提高一次, 進(jìn)行一進(jìn)行一次測(cè)試次測(cè)試, 直至測(cè)試結(jié)果直至測(cè)試結(jié)果C C0, 說明電路工說明電路工作狀態(tài)已發(fā)生紊亂作狀態(tài)已發(fā)生紊亂, 工作頻率上限即可確定。工作頻率上限即可確定。2/8/2022浙大微電子浙大微電子9/26

6、準(zhǔn)窮盡法概念及不足準(zhǔn)窮盡法概念及不足上述測(cè)試可稱之為上述測(cè)試可稱之為“準(zhǔn)窮盡法準(zhǔn)窮盡法”測(cè)試，其不足為測(cè)試，其不足為 累加器輸入端Z的累加信號(hào)并不是嚴(yán)格按照窮盡法來提供測(cè)試碼的。 測(cè)試只保留了低15位數(shù)據(jù), 因此并不排除更高位有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)無法被發(fā)現(xiàn)的可能。雖然這種可能性比較小。2/8/2022浙大微電子浙大微電子10/262.產(chǎn)品測(cè)試產(chǎn)品測(cè)試 產(chǎn)品測(cè)試與樣品測(cè)試不同產(chǎn)品測(cè)試與樣品測(cè)試不同, 目的在于如何讓目的在于如何讓機(jī)器用統(tǒng)一固定的算法來解決大量電路的機(jī)器用統(tǒng)一固定的算法來解決大量電路的快速測(cè)試問題和為快速測(cè)試問題和為“故障定位故障定位”提供可能。提供可能。 這就是這就是DFT理論需要研究和解

7、決的問題理論需要研究和解決的問題 產(chǎn)品測(cè)試要求具備的條件產(chǎn)品測(cè)試要求具備的條件 電路要有可測(cè)性電路要有可測(cè)性( 可測(cè)性設(shè)計(jì)是可測(cè)性設(shè)計(jì)是ASIC設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)師在電路設(shè)計(jì)初期就應(yīng)考慮的問題電路設(shè)計(jì)初期就應(yīng)考慮的問題), 提取出的測(cè)試矢量集要有較高的故障覆蓋率提取出的測(cè)試矢量集要有較高的故障覆蓋率 有故障模型和盡可能完備的有故障模型和盡可能完備的“故障字典故障字典”2/8/2022浙大微電子浙大微電子11/26故障模型故障模型在各種故障模型中比較常用的兩種模型：在各種故障模型中比較常用的兩種模型： “對(duì)電源短路模型對(duì)電源短路模型”S-a-1 ( Stuck at 1) “對(duì)地短路模型對(duì)地短路模型”

8、S-a-0 ( Stuck at 0) 可診斷由對(duì)電源短路或?qū)Φ囟搪芬鸬碾娐肥Э稍\斷由對(duì)電源短路或?qū)Φ囟搪芬鸬碾娐肥?shí)例：實(shí)例：2/8/2022浙大微電子浙大微電子12/26 故障字典故障字典 實(shí)例中有實(shí)例中有5個(gè)測(cè)試點(diǎn)個(gè)測(cè)試點(diǎn): A，B，C，P，D 10種故障可能種故障可能: A1,A0,B1,B0,C1,C0,P1,P0,D1,D0 A1表示表示A點(diǎn)的點(diǎn)的S-a-1故障，故障，A0表示表示A點(diǎn)的點(diǎn)的S-a-0故障故障 當(dāng)電路無故障時(shí)當(dāng)電路無故障時(shí), 輸入與輸出之間應(yīng)有正確真值表輸入與輸出之間應(yīng)有正確真值表 當(dāng)有各種當(dāng)有各種S-a-X故障時(shí)故障時(shí), 輸出端輸出端D的測(cè)試值將有的測(cè)試值

9、將有10種種可能的錯(cuò)誤結(jié)果可能的錯(cuò)誤結(jié)果 將上兩項(xiàng)結(jié)果合并即可形成一張故障字典將上兩項(xiàng)結(jié)果合并即可形成一張故障字典 根據(jù)故障字典以及測(cè)量到的根據(jù)故障字典以及測(cè)量到的D值值,即有可能分析電路即有可能分析電路中中S-a-1故障和故障和S-a-0故障所處的位置。故障所處的位置。2/8/2022浙大微電子浙大微電子13/26故障字典表故障字典表 正確值正確值2/8/2022浙大微電子浙大微電子14/26故障字典表故障字典表 當(dāng)輸入端當(dāng)輸入端A B C取值取值(0 0 0 )時(shí)時(shí), 即可測(cè)得即可測(cè)得P0故障或者故障或者D1故障故障 當(dāng)取當(dāng)取(0 1 0)時(shí)時(shí), 可測(cè)得可測(cè)得A1故障或者是故障或者是P0故

10、障或者是故障或者是D1故障故障 輸入端的取值輸入端的取值 ( 0 0 0),(0 0 1),(0 1 1),(1 0 1)稱為測(cè)試向量稱為測(cè)試向量 有些故障是不可區(qū)分的有些故障是不可區(qū)分的, 例如例如A0，B0，C1，P1，D0故障故障, 無論用哪一組測(cè)試向量都無法將它們區(qū)分開來無論用哪一組測(cè)試向量都無法將它們區(qū)分開來, 這種故障稱為這種故障稱為“等價(jià)故障等價(jià)故障”, 因?yàn)樗鼈冊(cè)陔娐分惺沁壿嫷葍r(jià)的因?yàn)樗鼈冊(cè)陔娐分惺沁壿嫷葍r(jià)的。正確值正確值2/8/2022浙大微電子浙大微電子15/26測(cè)試向量集及其提取測(cè)試向量集及其提取 進(jìn)一步分析還可發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步分析還可發(fā)現(xiàn), 要診斷上述電路中所有的要診斷上述電

11、路中所有的S-a-1故障和故障和S-a-0故障故障, 并不需要對(duì)全部的并不需要對(duì)全部的8個(gè)個(gè)輸入向量進(jìn)行測(cè)試輸入向量進(jìn)行測(cè)試, 而只需其中的而只需其中的6個(gè)就夠了：個(gè)就夠了： (0 0 0), 可測(cè)可測(cè)P0，D1; (0 0 1), 可測(cè)可測(cè)D1; (0 1 0 ), 可測(cè)可測(cè)A1，P0，D1; (1 0 0 ), 可測(cè)可測(cè)B1，P0，D1; (1 1 1 ), 可測(cè)可測(cè)C0，D1; (1 1 0 ), 可測(cè)可測(cè)A0，B0，C1，P1，D0而而( 0 1 1 )和和( 1 0 1) 對(duì)測(cè)試故障沒有特別貢獻(xiàn)對(duì)測(cè)試故障沒有特別貢獻(xiàn)因此只要將因此只要將T(000, 001, 010, 100, 11

12、0, 111) 提提取為測(cè)試向量集就可以了取為測(cè)試向量集就可以了2/8/2022浙大微電子浙大微電子16/26故障覆蓋率故障覆蓋率 故障覆蓋率定義為故障覆蓋率定義為: 用測(cè)試向量集可以測(cè)出的故障與電路中所有可能存用測(cè)試向量集可以測(cè)出的故障與電路中所有可能存在的故障之比。在的故障之比。在上述實(shí)例中在上述實(shí)例中, 共有共有10個(gè)可能故障個(gè)可能故障, 因此因此 T(000, 001, 010, 100, 110, 111)能夠檢測(cè)出這所能夠檢測(cè)出這所有的有的10個(gè)故障個(gè)故障, 因此其故障覆蓋率為因此其故障覆蓋率為100%。 T1(011, 101)僅能測(cè)出僅能測(cè)出D1這一個(gè)故障這一個(gè)故障, 故其故障

13、覆故其故障覆蓋率為蓋率為10%。 T2(110 )的故障覆蓋率為的故障覆蓋率為50%, 雖然它不能給等價(jià)雖然它不能給等價(jià)故障故障A0，B0，C1，P1，D0精確定位。精確定位。2/8/2022浙大微電子浙大微電子17/26電路的可測(cè)性分析電路的可測(cè)性分析 電路測(cè)試的難易程度可由電路測(cè)試的難易程度可由“測(cè)試因子測(cè)試因子”定量描述。定量描述。共共6個(gè)個(gè)(3個(gè)組合電路、三個(gè)時(shí)序電路個(gè)組合電路、三個(gè)時(shí)序電路)：CC0(X) - 表示組合電路中表示組合電路中X 結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)S-a-0故障的可控制性。故障的可控制性。CC1(X) - 表示組合電路中表示組合電路中X 結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)S-a-1故障的可控制性。故障的可控

14、制性。CO(X) - 表示組合電路中表示組合電路中X 結(jié)點(diǎn)故障的可觀察性。結(jié)點(diǎn)故障的可觀察性。SC0(X) - 表示時(shí)序電路中表示時(shí)序電路中X 結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)S-a-0故障的可控制性。故障的可控制性。SC1(X) - 表示時(shí)序電路中表示時(shí)序電路中X 結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)S-a-1故障的可控制性。故障的可控制性。SO(X) - 表示時(shí)序電路中表示時(shí)序電路中X 結(jié)點(diǎn)故障的可觀察性。結(jié)點(diǎn)故障的可觀察性。2/8/2022浙大微電子浙大微電子18/26某結(jié)點(diǎn)某故障的可控制性某結(jié)點(diǎn)某故障的可控制性 可控制性：可控制性：人為地將某結(jié)點(diǎn)設(shè)置為某故障的難易程度人為地將某結(jié)點(diǎn)設(shè)置為某故障的難易程度 對(duì)于原始輸入端對(duì)于原始輸入端I和

15、原始輸出端和原始輸出端O, 一般有如下一般有如下約定：約定： CC0( I ) = CC1( I ) = 1（組合電路的可控制性）（組合電路的可控制性） SC0( I ) = SC1( I ) = 0（時(shí)序電路的可控制性）（時(shí)序電路的可控制性） CO(O) = SO(O) = 0（組合與時(shí)序電路的可觀察性）（組合與時(shí)序電路的可觀察性）值越小表示越易觀察或控制值越小表示越易觀察或控制2/8/2022浙大微電子浙大微電子19/26“與非與非”門測(cè)試因子的計(jì)算門測(cè)試因子的計(jì)算Y = CC1(Y) = min CC0(X1), CC0(X2) + 1CC0(Y) = CC1(X1) + CC1(X2)

16、 + 1CO(X1) = CC1(X2) + CO(Y) + 1CO(X2) = CC1(X1) + CO(Y) + 1SC1(Y) = min SC0(X1), SC0(X2) SC0(Y) = SC1(X1) + SC1(X2)SO(X1) = SC1(X2) + SO(Y)SO(X2) = SC1(X1) + SO(Y) 2X1X2/8/2022浙大微電子浙大微電子20/26Y = CC1(Y) = CC0(X1) + CC0(X2) + 1CC0(Y) = min CC1(X1), CC1(X2) + 1CO(X1) = CC0(X2) + CO(Y) + 1CO(X2) = CC0(

17、X1) + CO(Y) + 1SC0(Y) = min SC1(X1), SC1(X2) SC1(Y) = SC0(X1) + SC0(X2)SO(X1) = SC0(X2) + SO(Y)SO(X2) = SC0(X1) + SO(Y) 2X1X “或非或非”門測(cè)試因子的計(jì)算門測(cè)試因子的計(jì)算2/8/2022浙大微電子浙大微電子21/26一個(gè)簡(jiǎn)單組合邏輯的測(cè)試因子一個(gè)簡(jiǎn)單組合邏輯的測(cè)試因子2X1X 2X1X對(duì)于原始輸入對(duì)于原始輸入I和原始輸出和原始輸出OCC0( I ) = CC1( I ) = 1CO(O) = 0Y = CC1(Y) = CC0(X1) + CC0(X2) + 1CC0(Y

18、) = min CC1(X1), CC1(X2) + 1CO(X1) = CC0(X2) + CO(Y) + 1CO(X2) = CC0(X1) + CO(Y) + 1Y = CC1(Y) = min CC0(X1), CC0(X2) + 1CC0(Y) = CC1(X1) + CC1(X2) + 1CO(X1) = CC1(X2) + CO(Y) + 1CO(X2) = CC1(X1) + CO(Y) + 12X1X 2/8/2022浙大微電子浙大微電子22/26測(cè)試因子值測(cè)試因子值因?yàn)槭墙M合電路, 故其與時(shí)序有關(guān)的測(cè)試因子值均為02/8/2022浙大微電子浙大微電子23/26 增加增加I/

19、O端口降低測(cè)試因子的方法端口降低測(cè)試因子的方法 當(dāng)某結(jié)點(diǎn)當(dāng)某結(jié)點(diǎn)X的可觀察因子的可觀察因子CO(X) 過大時(shí)過大時(shí), 可通過增加一個(gè)輸出端口的辦法可通過增加一個(gè)輸出端口的辦法, 將該點(diǎn)直接引出將該點(diǎn)直接引出; 當(dāng)某點(diǎn)當(dāng)某點(diǎn)X的可控制因子過大時(shí)的可控制因子過大時(shí), 當(dāng)當(dāng)CC0(X)過大時(shí)過大時(shí),可插入一個(gè)可插入一個(gè)“與門與門”使之下降使之下降:CC0(X) = min CC0(X), CC0( I ) + 1 = 1 + 1 = 2 當(dāng)當(dāng)CC1(X)過大時(shí)過大時(shí),可插入一個(gè)可插入一個(gè)“或門或門”使之下降使之下降:CC1(X) = min CC1(X), CC1( I ) + 1 = 1 + 1 = 2 在某些特殊情況下還可直接將該在某些特殊情況下還可直接將該X點(diǎn)與增加的輸入端點(diǎn)與增加的輸入端I相連。相連。2/8/2022浙大微電子浙大微電子24/26簡(jiǎn)單電路的可測(cè)性設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單電路的可測(cè)性設(shè)計(jì) 直接從直接從A,B模塊增加輸模塊增加輸出管腳進(jìn)行測(cè)試出管腳進(jìn)行測(cè)試 增加了輸出管腳數(shù)和增加了輸出管腳數(shù)和芯片面積，封裝成本芯片