П.П. Аврашков
Контроль и диагностика цифровых СБИС
______DSD18_______ Учебное пособие
Москва 2004 г.
Введение
Задача обеспечения высокого качества и надежности СБИС – одна из наиболее актуальных в совремённой микроэлектронике. Научной основой решения этой задачи являются методы технической диагностики, позволяющие оценивать соответствие технических параметров СБИС требованиям нормативно – технической документации на этапах проектирования , производства и применения.
При подходе к проблемам формирования и нарушения функциональных и надёжностных свойств СБИС с единых позиций методы технической диагностики нацелены на оптимизацию по критериям качества и надёжности этапов проектирования, изготовления и применения с учётом тесной взаимосвязи. Техническая диагностика в качестве научно – технической дисциплины занимается разработкой методов для решения следующих задач: самосогласованного обеспечения качества и надёжности СБИС на всех перечисленных этапах; оптимального планирования и проведения контрольно – измерительных операций над СБИС; построения диагностических моделей СБИС с целью выявления, прогнозирования и устранения "слабых" мест и причин их появления.
По сравнению с объектами технической диагностики предшествующих поколений, таких как ИС и цифровые устройства на дискретных компонентах, СБИС имеют специфическое сочетание свойств, которые присущи отдельно ИС и цифровым устройствам на дискретных компонентах, а именно групповой характер формирования свойств и чрезвычайно высокий уровень сложности. В связи с этим известные методы технической диагностики, разработанные для ИС и цифровых устройств на дискретных компонентах, оказались неадекватными, либо неэффективными для СБИС. В наибольшей степени это касается методов контроля выходных параметров СБИС, диагностики причин нарушения работоспособности СБИС, построения проверяющих тестов, обеспечения контролепригодности, самодиагностики и отказоустойчивости СБИС.
Все перечисленные задачи в силу их актуальности рассмотрены в учебном пособии.
Задачи контроля и диагностики сбис.
1.1. Основные понятия и определения контроля и технической диагностики СБИС.
Технической диагностикой называют дисциплину, изучающую проблемы эффективной организации процессов определения технического состояния изделий и соответствие их техническим требованиям [1] . Существует три типа задач, которые позволяют определить техническое состояние изделия во времени – это задачи генеза, диагноза и прогноза. Поскольку знание состояния объекта в текущий момент является обязательным как для прогноза, так и для генеза, то техническая диагностика является основой для технической прогностики и технической генетики.
В диагностике модель объекта диагноза представляют в виде функции следующего вида:
Y = Y(X, Z, t), (1.1)
где
YиX– векторы выходных и внутренних параметров объекта;
Z – вектор внешних условий и режимов эксплуатации;
t – наработка или время эксплуатации.
Такая модель определяет множество технических состояний объекта диагноза, а именно: исправное, неисправное, работоспособное, неработоспособное, правильного или неправильного функционирования. Причинами ухудшения технического состояния объекта являются дефекты, ошибки, деградационные процессы, нарушающие значения внутренних параметров – X; недопустимые внешние воздействия, выходящие за пределы допусков значения вектора -Z.
События, приводящие к переходу изделия в неисправное или неработоспособное состояние, принято называть соответственно повреждением или отказом.
Закономерности таких событий исследует теория надёжности, тесно связанная с технической прогностикой. Экспериментально установлено, что повреждения и отказы являются случайными событиями, поэтому для их описания широко используется теория вероятностей и математическая статистика. Под надёжностью понимается свойство объекта сохранять во времени и в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах.
В учебном пособии рассмотрены только наиболее актуальные задачи технической диагностики СБИС: верификация проектов и синтез проверяющих тестов; обеспечения контролепригодности, самодиагностики и отказоустойчивости.
Учитывая, что реальный объект диагностики всегда взаимодействует со средствами диагноза, обычно вводят понятие систем диагноза, которые, в свою очередь подразделяются на тестовые и функциональные. В тестовых системах при проверки на входные контакты СБИС подаются специальные тестовые воздействия, в функциональных – рабочие сигналы, предусмотренные алгоритмом функционирования. Поэтому системы тестового диагноза обычно решают задачи проверки исправности или работоспособности, а системы функционального диагноза – проверки правильности функционирования.
1.2. Особенности СБИС как объекта технической диагностики.
Большинство современных СБИС представляет собой функционально законченные системы (например, 64 – разрядные микропроцессоры или схемы памяти емкостью до нескольких гигaбит) , для которых на самых ранних этапах должны решаться вопросы обеспечения системной надёжности и контролепригодности. В случае субмикронной технологии, применяемой в процессе изготовлении СБИС, становится невозможным использовать методы оптического контроля, которые существенно проще электронно – оптических и лазерных. При достижении быстродействия элементов СБИС порядка 100 МГц для контроля кристаллов необходимо наличие специальных средств связи кристалла с внешними устройствами контроля и диагностики, либо применения средств самодиагностирования. Поэтому контролепригодность СБИС требует специального рассмотрения .
При традиционных методах проектирования СБИС, затраты на тестирование растут экспоненциально с ростом сложности. Для верификации функциональных параметров сложных СБИС на этапе проектирования необходимы адекватные процедуры контроля. Для этапа производства СБИС нужны эффективные методы тестирования. Достичь этого можно, используя принципы контролепригодного проектирования. Надёжностные требования связаны с выполнением СБИС функциональных свойств во времени; что достигается, во – первых, за счёт внутренней надёжности элементной базы СБИС, во – вторых , за счёт системной отказоустойчивости . Последнее свойство основано на информационной или аппаратной избыточности в СБИС и достигается путём устранения последствий ошибок, неисправностей и отказов, что реализуется за счёт встроенных средств диагностики и исправления ошибок.
Таким образом, достижение как функциональных, так и надёжностных свойств СБИС обусловлено их контролепригодностью. Но повышение контролепригодности должно производиться взвешенно, чтобы не ухудшить функциональных и надёжностных характеристик. В частности, повышение контролепригодности требует дополнительных элементов, что приводит к увеличению площади кристалла.
Последнее обстоятельство , в свою очередь , может снизить процент выхода годных и надёжность СБИС .
1.3. Основные задачи технической диагностики , решаемые на этапе проектирования СБИС .
Современный этап развития САПР СБИС характеризуется применением автоматизированных методов проектирования. Недостаточная формализация решения задач синтеза, применение эвристических методов и интерактивных процедур приводит к значительной вероятности ошибок на различных этапах проектирования СБИС. Поэтому каждый этап автоматизированного проектирования СБИС должен проверяться с помощью соответствующих процедур верификации. Смысл любой процедуры верификации состоит в проверке соответствия полученного проектного решения требованиям технического задания (ТЗ), либо проверке соответствия ТЗ ранее проверенному проектному решению более высокого уровня . Это обстоятельство требует подачи некоторых тестовых воздействий Т и сравнения откликов эталонного R0 и верифицируемогоRобъектов. Поскольку ТЗ на такой сложный технический объект, как СБИС, не может быть полностью формализовано и описано на математическом языке, то не представляется возможным разработать формально тестовые воздействия Т для верификации, например, архитектурного и логического проектов. Также не представляется возможным полностью формализовать проверку выполнимости проектных норм и допусков на этапе проектирования.
В то же время отдельные этапы верификации удаётся формализовать. В частности, поддаётся формализации проверка комплекта фотошаблонов проекта СБИС путём обратного преобразования топологического описания СБИС в электрическую схему соединения элементов СБИС и сравнение последней с ранее разработанной электрической схемой. Поскольку при проектировании большинства цифровых СБИС, в частности полузаказных, конструкции логических ячеек стандартизованы, а проектирование соединений ячеек хорошо поддаётся автоматизации, то ключевым для полузаказных СБИС является этап логической верификации. Этап логической верификации включает в себя следующие процедуры:
- проверку алгоритма функционирования СБИС;
- проверку временных характеристик СБИС;
- проверку функционирования цепей установки в начальное состояние;
- анализ состязаний и рисков сбоев сигналов в логических цепях;
- построение и анализ контрольно – диагностических тестов.
В настоящее время при верификации логических проектов СБИС используется различные типы логических моделей. По степени учёта длительности сигналов во временной области (степени учёта состязаний сигналов) модели можно разделить на синхронные и асинхронные. По степени учёта мощности передаваемых логических сигналов (степени учёта "борьбы" сигналов) модели подразделяются на чисто логические и логико – электрические.
Путём комбинирования различных типов моделей можно выделить четыре основных подхода к логическому моделированию СБИС :
синхронный – "чисто" логический;
- логико – электрический;
асинхронный – "чисто" логический;
- логико – электрический.
Наиболее простой, но обладающий минимальной точностью из перечисленных методов является синхронный – "чисто" логический, а асинхронный – логико – электрический – наиболее сложный в реализации, но обеспечивающий высокую точность моделирования, сравнимую с методами схемотехнического анализа.
Достоинством метода синхронного логического моделирования является то, что в отличие от метода асинхронного логико – электрического моделирования он требует на 1 – 3 порядка меньше затрат машинного времени и такого же уменьшения объёма требуемой памяти ЭВМ. Это обстоятельство позволяет применять метод синхронного логического моделирования для верификации проектов СБИС.
1.4. Троичное моделирование.
К настоящему времени, наибольшее распространение получили системы, созданные для моделирования на уровне логических вентилей которые применяются для анализа логических СБИС, а также в качестве вспомогательного средства при разработке тестов обнаруживающих возможные неисправности в логической схеме. Модели логических элементов СБИС, применяемые в этих системах, используют трёхзначную логику. Применение трёхзначной логики позволяет обнаруживать ложные срабатывания в комбинационных и последовательностных схемах. Для выявления возможных состязвний сигналов в цепях дискретных устройств моделирование входного вектора Vnвыполняется в два этапа:
На первом этапе формируется промежуточный вектор Vn’, в котором всем входным переменным изменяющим значениеVnпо сравнению сVn-1, присваивается значение «Х». Значение сигнала Х это или 0 , или 1 или
переход «0 – 1» , или переход «1 – 0 » . Определённый таким образом входной вектор моделируется в троичном алфавите {0, 1, Х}:
-
AND
0
X
1
OR
0
X
1
0
0
0
0
0
0
X
1
X
0
X
X
X
X
X
1
1
0
X
1
1
1
1
1
Первый этап соответствует "гипотетическому" переходному процессу, вовремя которого всем цепям присваивается значение неопределённости – "X"
На втором этапе производится моделирование собственно вектора Vn. При этом моделирование начинается с состояний цепей схемы полученных на предыдущем шаге. Если после окончания вычислений состояний цепей схемы на некоторых из них осталось состояние "Х" – это свидетельствует о наличии возможных состязаний сигналов в соответствующих цепях.
Например:
Рис 1.
-
V1’
V1
V2’
V2
V3’
V3
V4’
V4
1
X
1
X
0
X
1
1
1
2
X
1
1
1
1
1
1
1
3
X
0
0
0
0
0
X
1
4
X
0
X
1
1
1
1
1
5
X
1
1
1
1
1
X
0
6
X
0
X
1
X
0
X
1
7
X
1
X
0
0
0
X
1
8
X
1
X
0
X
1
X
X
9
X
0
X
1
1
1
X
X
Таблица 1
В этой таблице строки соответствуют цепям схемы, изображённой на рисунке 1; причём цепи: 1, 2, 3 и 4 являются входами схемы;
цепи: 5 , 6 и 7 – внутренние цепи;
а цепи 8 и 9 –выходы схемы.
Столбцы соответствуют векторам состояний цепей схемы.
Анализируя таблицу 1 можно сделать вывод :
- вектор V1 – установочный;
- на векторе V4 могут возникнуть "опасные " состязания сигналов.