DFT 综述

 

1 什么是DFT？为什么需要DFT？

1.1 IC制造的挑战

随着集成电路制程的发展，7nm、5nm甚至3nm的芯片开始出现。加工精度的提升放大了制造出错的可能性，给制造商和消费者带来了更大的挑战：

• 密度问题 Density Issue：制造精度的提升使得我们可以制造更小、更细的晶体管和导线，增加元件排布的密度。这种现象可能导致导线之间发生接触，甚至直接断掉，从而发生故障 (fault)；

• 软件问题 Software Issue：EDA的compiler工具可能会出错；

• 特殊应用领域要求 Application Issue： 某些领域（如：航空，医疗）可能会在极端的温度、压力等条件下工作，并要求万无一失。对与这些领域的芯片，要提出非常application-specific的测试内容来避免出错；

• 可维护性 Maintenance Issue：在芯片发生故障时，我们如何在精细且规模庞大的芯片上，定位到错误的发生点，从而修正错误；

• 商业损失 Business Issue：芯片出错可能会给使用芯片的公司带来生命财产损失；

因此，芯片测试是当今芯片制造中至关重要的部分。

1.2 应对挑战的方法 -- DFT

对于如今的芯片规模，想要通过穷举的方法进行测试在时间上和成本上都是不可接受的。一个广泛采用的测试方法是：在芯片中添加一些新的特性便于测试，这种方法叫做DFT，全称Design for Test (Testability)。

DFT会在芯片中额外添加一些电路，这些电路可以让我们单独对某个或某些模块进行操作和观察，从而便于我们定位问题，测试芯片的正确性。

1.3 DFT的作用

1.3.1 测试时序逻辑

总所周知，组合逻辑的输出仅取决于输入。而时序逻辑是一个由触发器决定的有限状态机，我们无法仅凭输入来确定输出。因此，想要测试时序逻辑，我们必须先设定这个有限状态机的初始状态（通过DFT），才可以仅通过输入值测试芯片。

1.3.2 提升芯片制造水平

• 提前发现有缺陷的模块

• 监视、改进生产流程

1.4 DFT可以彻底消灭故障吗

想啥呢。。不存在的。

即使是交付到用户手里的芯片都无法做到fault free。包括你现在用的CPU都有可能出错。不信的话可以给你的CPU极限超频试试。

为了尽可能地减少故障，提供更好质量的芯片，在芯片制造流程中还有一道工序：验证 Verification

2 验证和测试 Testing 的区别

Verification	Testing
Verifies correctness of the design.	Verifies correctness of the manufactured hardware.
Performed by simulation, hardware emulation, or formal methods.	Two-part process: Test generation: software process executed once during design. Performed only once. Test application: electrical tests applied to hardware. Performed multiple times.
Performed once prior to manufacturing.	Test application is performed on every manufactured device.
Responsible for the quality of design.	Responsible for the quality of devices.

3 术语

Terminologies	参考翻译	解释
Testing	测试	对系统(模块)进行试验，来分析和验证其行为的正确性
Diagnosis	诊断	定位电路错误的过程
Defect	缺陷	特指硬件/电器系统的缺陷
Fault (model)	故障（模型）	缺陷的抽象级表示，用与描述缺陷
Error	错误	由于缺陷导致电路/门输出了错误的值
Failure	失败	由于缺陷导致系统的无法恢复或逆转的故障
Fault Coverage	故障覆盖率	能测试出的fault占总fault的比例
Defect Level	缺陷等级	出现fault的芯片占比

4 测试的层次

1. 芯片级 Chip-level 当芯片被生产出来时的测试

2. 板卡级 Board-level 当芯片被集成在板卡上时的测试

3. 系统级 System-level 当多个办卡集合为完整系统时的测试

测试的级别提升，会导致诊断复杂度的增加和数十倍的检测成本提升。

5 IC制造中故障的来源及分类

故障可能源自于以下几个方面：

1. 生产流程 like missing contact windows, parasitic transistors, etc.

2. 材料 like cracks or imperfections in the substrate, surface impurities, etc.

3. 老化 caused by Dielectric breakdown, electron migration, etc.

4. 包装 like Contact degradation, disconnection, etc.

故障可大致被分为以下几类

6 DFT技术

DFT主要分为以下两类

1. Ad-hoc techniques

2. Structured techniques

7 小结

本文简单介绍了DFT (Design for Test) 的概念，对一些术语进行了明确。重点是，在IC设计中的很多环节多可能出错，而芯片出错的后果往往会很严重。为了减少这些错误的发生，我们引入了DFT来更好地完成芯片测试的工作。