设备受到模拟内容的威胁?

随着连接设备中模拟内容的数量激增，确保模拟部分正常工作已经达到了一个新的紧急水平。

模拟电路用于解释物理世界和将数据传输到系统的其他部分，而数字电路是处理数据的最快方式。例如，在高速行驶的汽车或医疗设备中，一个传感器给出错误的读数可能是危险的。问题是，模拟测试远不及数字测试的成熟，而且模拟设计是如此独特，以至于很难建立那种一致性。

在最近博客Stephen Pateras是微软Silicon Test Solutions集团的产品营销总监导师图形，谈到了SoC上的数字部件质量和芯片之间的巨大差距模拟混合信号的内容。“现在，汽车集成电路中的大多数现场故障都发生在芯片的混合信号部分。”

图1(下图)由安森半导体公司提供。虽然看起来很糟糕，但Mentor Graphics混合信号DFT工程总监Stephen Sunter补充道:“有些公司拥有更惊人的数据，但却没有公开。模拟和数字故障的差异是巨大的。”

图1:混合信号汽车集成电路中电子故障的来源

这个相当令人震惊的数字似乎表明需要对这个问题给予更多的关注。但这也可能表明，数字技术的进步如此之大，以至于不公平地放大了模拟的故障率。帕特拉斯说:“一位客户表示，数字产品的百万分缺陷率(DPM)降至个位数，而模拟产品的DPM约为500。”“在不涉及功能安全问题的情况下，这个数字还不错。从消费领域的商业角度来看，这可能是可以接受的。”

Sunter补充说，许多芯片错误将在电路板或系统测试级别被发现，可能不会传递给最终客户。“如果你选择诊断这些失败，那是一个商业决策。”

Digital和Signoff团队的产品管理总监Rob Knoth也承认了这个问题节奏．“在2016年的国际考试大会上，有一个专门讨论降低考试成本的小组。小组成员强调了一个事实，即模拟测试是迄今为止主要的测试时间，也是最大的创新机会。”Knoth指出可靠性和测试是同一枚硬币的两个部分。“某些东西变得可靠是因为你测试过它。通过测试，它变得健壮，并且您对它有信心。东西越容易测试，你就越有信心，也就越可靠。”

为了深入了解它，你必须考虑数字测试的进展，比较模拟和数字领域的验证和制造之间的差异。

模拟和数字比较
许多领域的模拟内容正在增加。自动化测试产品营销总监Luke Schreier表示:“在处理器上添加传感器和无线技术带来了有趣的设计和制造挑战国家仪器．“很多时候，这些问题必须通过软件补偿/校准来解决，以获得最佳功率和传输能力。”

鲍勃·莱弗茨，集团研发总监Synopsys对此，这是问题的特征。“很多模拟内容都与获取芯片上和芯片下的数据有关。这可能是在6GHz的速度下运行，速度快到足以让数据在介质中移动，因为介质吸收高频信号的速度比低频信号快得多。的知识产权校准变得更加复杂了。它通常有内置的调节器，因为如果你以芯片上数据的20倍速率发送数据(串行传输与并行传输)，你很容易受到抖动，这通常是由功率峰值引起的。你想要低噪音的电路，不会接收大量由数字产生的电源噪音。这包括大量模拟内容，包括调节器中的运算放大器。”

那么如何测试这些模拟内容呢?“长期以来，人们一直在要求模拟测试的革命，”Knoth说。“数字内容的数量呈爆炸式增长，这成了主要问题，必须加以控制。扫描和JTAG，以及LBIST和MBIST等技术，然后是压缩，都被用来解决这个问题。今天，人们不谈论数字领域的问题。现在的重点是模拟业务，因为它还没有经历那种复兴。”

对解决这个问题的正确方法有不同的看法。“为什么模拟测试很难，而数字测试很容易?Knoth问道，“这归结于设计的本质。”模拟与标准化无关。这是一种习俗，人们往往是艺术家。检验艺术是非常困难的。”

但是莱弗茨并不完全同意。“现在没有人在进行数字设计时不考虑测试。在复杂的IP中，您必须从一开始就构建测试。如果你这样做了，就没有那么糟糕了。如果你不这样做，并试图在外部测试器上测试一些东西，那就很难了。”

Sunter承认将设计和测试分开并不是一个好主意。“模拟故障往往是参数化的，他们没有办法衡量所开发的测试的覆盖质量。他们只是凭经验行事。在许多情况下，数据表被扔给了测试工程师，然后他们必须在可用的时间内编写尽可能多的测试，以覆盖规格，并将测试成本保持在销售价格的10%以下。”

故障类型
主要会出现两种类型的错误。制造过程中的随机故障和参数变化。模拟验证过程的一部分是显示电路在由过程/电压/温度(PVT)角定义的正常参数变化下继续工作。通过确保这些变化不应导致设计超出指定范围，超出该范围的变化应由放置在设备中的表征单元检测。因此，虽然模拟电路可能对这种变化很敏感，但它们不应该代表需要在模拟测试中捕获的错误类型。

是我所赞同的。“PVT分析是为了探索正态变化的范围，但这忽略了非正态的短段、开段和极端变化——那些非高斯分布。它们是落在某处的斑点或光学掩模中的异常。这些都没有被蒙特卡罗模拟覆盖，也无法预测。”

那么大多数随机故障可能发生在哪里呢?“芯片的模拟部分往往更大，所以从统计学上讲，缺陷更有可能落在它上面，”桑特说。“但另一方面，模拟设计人员倾向于留出更多的空间和裕度，所以如果缺陷确实出现在晶体管上，它也不太可能杀死晶体管。”

面积和密度都起作用。莱弗茨反驳说:“最可能出错的地方是数字设备。”“这是因为它们每平方微米比模拟电路有更多的节点。如果你在调节器上有一个大驱动器，那么它就是一个粗大的门设备，通道长度很长，它是用粗线布线的，因为有很多电流，所以每平方微米的网数比数字小得多。在许多情况下，我们甚至在路由时不使用最小间距。这是手工完成的，更容易留出更多的裕度，这样在进行后期布局模拟时就可以进行调整。”

莱弗茨指出，在处理数字部分反复出现的问题方面，也有更好的流程。“通过使用标准化方法中存在的诊断功能，你可以追踪故障在哪里，找到故障点是非常复杂的，这样你就可以回到工厂，寻找解决问题的方法。”

也可以识别极端的工艺变化。Lefferts补充道:“我们在IP中安装了过程监控器，这样我们就可以确保我们没有调试晶片厂的问题。”“如果我们得到一个无法工作的模具，但该模具的处理超出了模拟的范围，该怎么办?我们的设计中有环形振荡器，可以通过诊断端口访问，并测量它们的速度，以发现它们是否超出预期范围。”

ISO 26262迫使变革
安全关键应用领域正在推动变革。NI的Schreier说:“考虑到对医疗设备和运输的重视，你也会看到更多的体检要求，以确保质量和安全。”“监管标准，比如ISO 26262，正被推到集成电路中。为这些趋势做好准备的最好方法是提供灵活且软件定义的测试功能。”

桑特解释说:“这让事情朝着两个方向发展。“一是DPM为零，这意味着更高的覆盖率。模拟故障仿真提供了一种实际测量故障覆盖范围的方法，引起了广泛的关注。第二件事是它要求你解决可靠性问题。这意味着要安装电压监测器等自我监控设备。一些客户在芯片周围放了很多。这些都是安全机制的一部分，所以如果你没有足够的设计余量来容忍可能发生的许多缺陷，那么至少安全机制会触发并说我有故障，并允许芯片或系统进入安全状态。”

Knoth认为这是一个更高层次的问题。“从功能安全的角度来看，他们从更高的抽象层次来看待问题。他们希望注入错误，并确保产品处于安全状态。我们必须看看这对模拟意味着什么-可控性意味着什么?能见度是什么意思?我们可能会通过故障模拟来发现这一点，但对于一个更复杂的问题来说，这可能是一个过于暴力的解决方案。”

正在取得进展。桑特说:“汽车中的每一个有缺陷的设备都必须退还给制造商(这是26262和百万零缺陷部件的要求)，公司必须追踪缺陷是如何发生的，它是如何逃脱的，以及它如何永远不会再次发生。”“这是非常劳动密集型的工作。据报道，汽车的缺陷质量虽然有所改善，但正在逐渐接近1或2 DPM。”

新标准有望出台
目前正在开发各种标准来帮助缓解这个问题。Sunter说:“我们已经看到IEEE 1687 (iJTAG)被用于混合信号集成电路，它允许一种系统的方法在块级开发测试，然后当块嵌入到芯片中时能够重新定向这些测试，然后能够在下一个芯片上重用它。”“这意味着你可以花更多的精力来确保测试真的很好，然后自动化会把它移植到芯片的其他部分或其他芯片上。”

但这还没有带来许多新的工具。Knoth说:“IEEE 1687定义了一种访问嵌入半导体设备中的仪器的方法，它正在扩展到模拟故障建模。”“我们必须以一种结构化的方式来处理它，关键是专注于两者的定义和模型。当我们都同意一个有用的集合时，我们就可以开始讨论如何处理故障模拟以及如何解决功能安全的影响。然后我们就可以加快速度，扩大规模。所以这需要三个步骤。”

Sunter认为故障模拟器是任何改进策略的核心。“数字化是如何取得所有进步的?原因是他们有故障模拟器，这使他们能够看到他们手动生成的测试有多差。这推动了数字扫描的发展，推动了自动化将扫描纳入设计，推动了BIST和扫描压缩等所有这些进步。”

正如一句古老的格言所说，如果没有测试，那么它可能就不起作用。Schreier说:“智能设备需要更智能的测试系统。“这意味着测试系统需要比设备路线图更快地升级或升级软件。它需要一个易于升级的模块化硬件基础设施。也许最重要的是，它需要为用户留下很大的灵活性，以适应快速变化的需求和标准。”

莱弗茨认为，未来的道路是更多的自我检验。“有一些开销，比如ADC，还有一些振荡器的额外开销。必要的路由有额外的开销，这样信号就可以路由到各处进行测量。所以有开销，但这和数字技术类似。对于可测试性特性，这个比例可能小于10%。但如果它们不是预先安装的，你就没有地方放它们了。如果你把所有的测试都留给针和外界，你会发现这是非常昂贵的，因为测试人员必须是聪明的。”

统治艺术
模拟设计师通常被视为老顽固，但这些设计师非常了解他们的工作环境，这是他们所做工作质量的关键。但是更多的初级模拟设计师没有他们丰富的经验，这使得出现问题的可能性更大。

克诺斯说:“如果你能随心所欲，你就能制造出更好、更快、更酷的放大器。”“但如果你不能测试并证明它是安全的，它就永远不会被应用到汽车芯片中。作为一个行业，你必须开始成熟起来，并遵循一些规则。”

Lefferts总结道:“如果所有这些问题都是由模拟造成的，那可能是因为他们还没有找到进行内置自测的最佳方法。”

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