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別讓X成為阻礙 Logic BIST 的問題
英文原文：
2021年 10月12日於《Semiconductor Engineering》刊登
當積體電路 (IC) 或晶片應用於汽車、医疗和航太等安全攸關的地方時，一旦發生故障，就可能會導致災難性的後果。這些故障可能肇因於生產測試中未檢查出的晶片缺陷，或者是在系統運行期間，因作業環境等因素而發生的暫態故障。為了避免此類故障，IC 需要嚴格的生產測試來實現低於百萬分之一的缺陷率 (DPPM)，也需要進行系統內測試(in-system test)，以確保晶片能符合 ISO 26262 標準所定義的系統運作過程中的功能安全需求。IC 设计人員通常會根據先進的故障模型，例如單元認知、路徑延遲、轉換測試等，來產生掃描測試向量圖型(scan test patterns)，以達到優良的測試品質目標，並加入 Logic BIST 等可測試性设计 (design-for-test, DFT)進行系統內測試。
Logic BIST 是系統內測試的關鍵 DFT 元件，用於測試设计中记忆体以外的其他邏輯部分。有別於利用自動測試設備(ATE)，藉由掃描測試引腳(scan test pin)加載測試向量圖型的掃描測試，Logic BIST 利用偽隨機向量圖型產生器 (pseudo-random-pattern-generator, PRPG) 在晶片上產生測試模型，測試向量的結果透過多輸入移位暫存器 (multiple-input-shift-register, MISR)累加，成為一個特定簽章符號 (signature)。MISR 簽章會與晶片上或晶片外的預存的簽章符號進行比較，以確定測試狀態是「通過」還是「失敗」。除了高測試覆蓋率的要求之外，由於攸關安全性的應用IC 系統內測試必須要在晶片功能性作業期間執行，因此其測試時間必須很短。影響 Logic BIST 測試時間和覆蓋率的主要因素之一，是设计中產生未知 (即 X) 模拟值的路徑，因為 X 會破壞多個測試模型或測試間隔中累積的 MISR 簽章符號。這個問題會導致測試覆蓋率降低，或者需要增加更多測試向量圖型，以滿足測試覆蓋率需求，因而導致測試時間增加。標準的 Logic BIST 解决方案需要完全沒有 X的设计(X-clean design)，才能避免這個問題。
造成X 出現在设计開發週期不同階段的原因有很多，包括電路设计還未被模拟验证、沒有设计初始化，以及在靜態時序分析(STA)中未考量到的時序路徑。在常規 Logic BIST设计中，设计人員可以藉由變更设计來消除 X，或者在測試模型產生期間對掃描鏈(scan chain)採用遮罩法 (masking) 來處理 X，但後者可能會影響设计進度或對測試品質造成影響。為了在進入佈局佈線流程之前消除 X，设计人員通常會選擇更改设计而非掃描鏈遮罩法，因為在這個階段更改设计的周轉時間比較短 (如圖 1 所示)。然而，在佈局佈線完成之後，隨著時序資訊增加，新的 X 通常也會出現。如圖 2 所示，在這種狀況下，设计人員被迫要作出取捨，是要更改设计或重新设计而導致進度嚴重延誤，還是採用掃描鏈遮罩法而導致測試品質下降。在矽後 (post-silicon) 階段，未知的邏輯值還會帶來更嚴峻的挑戰。在現今激進的设计和技術節點之下，因複雜的故障模型、時序邊緣性和作業參數變化等因素，要預測在矽後階段出現的未知數值幾乎是不可能的任務。如圖 3 所示，由於在晶片中無法進行设计變更，因此唯一的選擇就是採取掃描鏈遮罩法，犧牲測試覆蓋率和測試時間。基於這些因素，设计人員若使用標準 Logic BIST，就必須犧牲设计進度或測試品質。
圖 1：在進入佈局佈線流程之前消除 X 的设计流程
圖 2：在進入佈局佈線流程之後消除 X 的设计流程
圖 3：在矽後階段處理设计中未知數值的工作流程
X 容差 (X-tolerant) 的 Logic BIST，例如 TestMAX XLBIST，可以將X 在掃描鏈遮罩法中對於測試品質的影響降到最低，同時消除變更设计的需要，讓设计人員不必再做取捨。TestMAX XLBIST 可以針對包含 X 的掃描單元(scan cell)進行動態遮罩，而不需對整個掃描鍊進行遮罩，因而導致嚴重的測試覆蓋率損失。掃描單元遮罩法可以觀察掃描鍊，在大多數狀況下，可以達到與無 X设计相近的測試時間和覆蓋率，而無需負擔相關的間接費用。TestMAX XLBIST 可以聰明地利用其 PRPG 重複加載種子數據的 (re-seeding) 能力、動態 X 容錯解碼器和 X 遮罩 (X-masking) 解碼邏輯來實現測試目標 (如圖 4 所示)。圖 5 顯示針對指定數量的模型種子的測試覆蓋率與模型數目的比較。
圖 4 (左)：TestMAX XLBIST 架構
圖 5 (右)：TestMAX XLBIST 以多種子實現高覆蓋率
除了測試時間和覆蓋率的要求之外，攸關安全應用的 IC 也需要透過其功能性作業中不同階段的測試，從而確保能及早發現並減輕任何潛在的缺陷及其影響。TestMAX XLBIST 可支援三個主要階段的系統內測試：開機系統測試 (POST)、功能性作業期間測試和關機系統測試。TestMAX XLBIST 架構也支援製程測試中的決定性測試向量圖型 (deterministic test pattern) 生成，讓晶片在同時需要製程測試和系統內測試時，可以不需要另外的掃描鏈壓縮/解壓縮邏輯(codec logic)。除了 X 容錯的功能之外，TestMAX XLBIST 還可以產生功率感知 (power-aware)優化的系統內測試向量圖型。它還支援以進階故障模型為基礎的的系統內測試模型，包括單元感知、路徑延遲和轉換測試的測試模型。
在現今充滿複雜设计的競爭環境中，设计人員不可能在 IC 设计進度和測試品質之間做出取捨，在攸關安全應用方面尤其如此。透過重複更改设计來實現無 X 设计，或者根據標準 LBIST 規定採用更多測試模型來達成測試目標，已經無法讓人滿意。TestMAX XLBIST 在實現無 X 设计方面表現最佳，同時不必更改设计或對全掃描鏈採用遮罩法就可以處理含有 X 值的设计，因此可以同時滿足设计進度和測試品質的目標。