SoC測試的發(fā)展趨勢及挑戰
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隨著(zhù)半導體科技的進(jìn)步，我們已經(jīng)可以把越來(lái)越多的電路設計在同一個(gè)芯片中，這里面可能包含有中央處理器（CPU）、嵌入式內存（Embedded memory）、數字信號處理器（DSP）、數字功能模塊（Digital function）、模擬功能模塊（Analog function）、模擬數字轉換器（ADC, DAC）以及各種外圍配置（USB, MPEG,…）等等，這就是我們所說(shuō)的SoC（系統單芯片）技術(shù)。目前，很多具有中央處理器功能的消費性電子產(chǎn)品，如視頻轉換器（Set-top box）、移動(dòng)電話(huà)（mobile phones）和個(gè)人數字助理（PDA）等等，都可稱(chēng)之為SoC芯片。這類(lèi)產(chǎn)品不僅在市場(chǎng)上占有重要地位，且其銷(xiāo)售量還在不斷的增長(cháng)當中，已經(jīng)越來(lái)越成為消費性電子的主流產(chǎn)品。
這類(lèi)產(chǎn)品對成本與市場(chǎng)價(jià)格相當敏感，因此，業(yè)者的競爭力便來(lái)自于誰(shuí)能更好的控制成本。由于在一個(gè)芯片中集成了多種不同的功能模塊，SoC技術(shù)的發(fā)展為降低這類(lèi)消費性電子產(chǎn)品的成本提供了機會(huì )。與此同時(shí)，由于功能模塊的高度集成，SoC芯片的
降低測試成本一向是業(yè)者關(guān)注的焦點(diǎn)之一，而測試系統的選擇又是其中之重。安捷倫公司推出的93000 SoC測試系統，完全以業(yè)者的需求為考量，適時(shí)解決了業(yè)者的相關(guān)難題，為業(yè)者提供了最為經(jīng)濟有效的測試方案。
為使讀者進(jìn)一步了解安捷倫93000 SoC測試系統所涵蓋的功能及原理，本文針對SoC芯片的測試需求，從93000 SoC系統的共時(shí)測試模式和混合信號測試功能進(jìn)行了討論。
2 SoC芯片的測試需求
SoC芯片內部非常復雜，研發(fā)制造的技術(shù)一直處于持續改進(jìn)的狀態(tài)。同樣的，在測試上也遇到前所未有的難題。SoC芯片中：
（1）晶體管的數目越來(lái)越多。
（2）為了符合顧客的需求，芯片所提供的功能越來(lái)越多。
（3）各個(gè)不同功能模塊運作的頻率往往不同。
（4） 各功能模塊所使用的電壓也可能不同。
（5）各功能模塊的測試原理也不相同。
如何能有效進(jìn)行SoC芯片的測試工作，是學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界與各個(gè)研究單位都在努力解決的問(wèn)題。目前有一種方法，叫做內置自檢（BIST, Build-In Self Test）。運用這種測試方法時(shí)，在芯片的設計階段，就必須把自檢測試的原理考慮進(jìn)去，在制造芯片的電路中也必須要加入一些額外的自檢測試電路。測試時(shí)，只要給予芯片一些基本的信號，激活其自檢測試功能，通過(guò)芯片內部的自檢測試電路，即可得知芯片的好壞狀況。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是使得測試變得很簡(jiǎn)單，只需負責激活芯片內部的自檢測試功能，然后再把測試結果判讀出來(lái)就好了。但是，自檢測試也有其缺點(diǎn)。首先，制造時(shí)必須要加入額外的自檢測試電路，因此芯片的大小及成本會(huì )增加﹔其次，在目前的應用中，只有內存芯片的自檢測試功能比較成熟，測試的覆蓋率較高，其它方面的芯片自檢測試功能都還在研究階段，尚無(wú)法應用在實(shí)際測試之中﹔第三，在從事錯誤分析的過(guò)程中，自檢測試所提供的結果有限，只能提供較少的信息來(lái)做分析。
另一種方法是運用傳統的測試技術(shù)。由于SoC芯片的功能與應用有相當的復雜性和多變性，因此對測試系統所具有的能力也要求較高。測試設備本身必須要具備測試各種不同功能模塊的能力，包含對邏輯、模擬、內存，高速或高頻電路的測試能力等等。同時(shí)測試系統最好是每個(gè)測試通道都有自己的獨立作業(yè)能力，避免采用資源共享的方式，以便能夠靈活運用在各種不同的測試功能上。
芯片結構的復雜化，測試內容的多樣化，使得SoC芯片的測試成本有不降反升的趨勢，也使業(yè)者對測試系統的提出了更高的要求。安捷倫公司推出的93000 SoC測試系統，以其獨到的設計、靈活的配置和完善的功能，達到了這一要求。
3 共時(shí)測試(Concurrent Test)
以往測試SoC芯片，大多是采用分模塊測試的方式，例如先測試數字部分的電路功能是否正常，然后測試內存部分，接下來(lái)再測試模擬部分，依此類(lèi)推。這種方式較簡(jiǎn)單，直接從現有的各種測試經(jīng)驗轉移過(guò)來(lái)即可，不過(guò)卻會(huì )花上許多測試時(shí)間?，F在有一種新的測試技巧，就是同時(shí)針對不同的功能模塊同時(shí)來(lái)作測試，亦即所謂的共時(shí)測試，可大幅度的縮減測試SoC芯片所需的時(shí)間。此觀(guān)念其實(shí)不難，卻是SoC測試前所未有的突破，當然這也需要其它多方面的配合，比如，在設計方面必須事先考慮到可測性設計（DFT），要能夠允許測試系統同時(shí)存取到芯片內的不同模塊﹔此外，各個(gè)模塊之間的隔離要做好，使彼此的干擾問(wèn)題減少；最后，測試系統要有相應的功能，可以同時(shí)測試各種不同的功能模塊。
Agilent 的93000 SoC測試系統以其強大、靈活的硬件配置，日臻完善的軟件系統，為用戶(hù)提供了理想的集成測試環(huán)境，它的以下特性確保其全面支持SoC芯片的共時(shí)測試：
● 獨立的測試通道結構 獨立的通道結構可以使測試通道的各項直流和交流參數完全獨立，測試通道的動(dòng)態(tài)分組具有最大的靈活性。因此，各個(gè)測試通道可以自由地組成測試端口。
● 運行模式的多樣性 系統的每一個(gè)測試通道都可以運行在多種模式下， 如功能測試、邊界掃描、BIST控制、APG、數據采樣等。
● 獨立的端口結構 獨立的端口結構可以使各個(gè)端口自由地運行在各自的電平、波形、周期、向量及其控制
● 端口的同步功能 端口的同步功能既保證了端口間的時(shí)間精度，確保了相關(guān)端口間的相位同步，又允許獨立端口間的異步操作。
● 完善的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境 93000 SoC的軟件系統SmarTest充分支持并行測試程序的開(kāi)發(fā)、調試，能夠方便地將對各個(gè)功能模塊的測試結果集成顯示在同一窗口中。
由此可見(jiàn)，Agilent的93000 SoC測試系統在軟、硬件上都可以充分支持SoC芯片的共時(shí)測試，為用戶(hù)縮短測試時(shí)間、提高測試效率提供了新的空間。同時(shí)，由于其獨立的端口結構，增強了系統配置的靈活性，為用戶(hù)提供了高效的配置方案。
4 混合信號測試(Mixed-signal Testing)
在計算機的世界之中，我們可以發(fā)現到處都是數字（digital）的影子。0與1的文字、二進(jìn)制的表示，幾乎讓人處在一個(gè)絕對分明的虛幻世界里。然而在現實(shí)生活當中，存在的卻多是模擬（analog）的信號，例如我們說(shuō)話(huà)的聲音、看到的影像以及感受到的溫度。為了處理人類(lèi)實(shí)際的需求，在芯片中除了數字功能之外，我們也往往可以看到模擬與數字信號同時(shí)并存，即所謂的混合信號。
為了要測試芯片中的模擬電路是否正常，在測試系統中除了原本所具備數字方面的測試功能之外，通常還需要一些額外的選件。一般說(shuō)來(lái)，波形發(fā)生器（Arbitrary Waveform Generator, AWG）、波形采樣器（Waveform Digitizer, WD）和時(shí)隙分析儀（Timing Interval Analyzer, TIA）是最常用到的。波形發(fā)生器可用來(lái)產(chǎn)生各種形式的模擬信號，如弦波、方波、復合頻率波形等，作為測試芯片時(shí)所需的輸入波形﹔波形采樣器則是用來(lái)擷取芯片所輸出的模擬信號，以便我們處理和分析輸出結果﹔而時(shí)隙分析儀則可以檢測輸出信號在時(shí)域（time domain）方面的特性，比如頻率、工作周期、波形上升時(shí)間和下降時(shí)間等等。
舉例而言，如果要測試一個(gè)放大器或模擬數字轉換器（ADC），我們必須要使用波形發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生模擬信號，輸入待測的芯片，以進(jìn)行所需的測試。而針對數字模擬轉換器（DAC）的測試工作，則需要波形采樣器，以擷取其所產(chǎn)生的模擬信號來(lái)做分析、判斷。對于鎖相環(huán)電路（PLL, Phase Locked Loop）的測試，可以用時(shí)隙分析儀來(lái)量測其輸出的頻率、周期等。
在混合信號的測試中，如何有效的區隔數字信號與模擬信號的互相干擾是非常重要的。由于共處在同一芯片中，這兩種不同特性的信號往往會(huì )互相干擾，因此必須要特別注意把模擬電路的供電電源與數字電路的供電電源分開(kāi)來(lái)﹔同樣的，模擬電路的接地層，也要和數字電路的接地層分開(kāi)，這樣測試出來(lái)的效果才會(huì )比較好。
Agilent的93000 SoC測試系統針對不同的應用，為用戶(hù)提供了多種不同的選件，以適應用戶(hù)對速度、精度的不同需求。以下列出了其主要選件：
High Resolution AWG (1 MSample/s 18-bit)
High Speed AWG (128 MSample/s 12-bit)
30M AWG（30 MSample/s 16-bit）
Broadband High Speed AWG (500M Sample/s 12-bit)
Ultra High Speed AWG (2.6 GSample/s 8-bit)
4.1G AWG（4.1 Gsample/s 8-bit）
High Resolution Digitizer (2M Sample/s 16-bit)
20MHz Digitizer（5 MSample/s 16-bit）
High Speed Digitizer (41M Sample/s 12-bit)
Dual High Speed Sampler (1GHz input freq. 12-bit)
Time Interval Analyzer (TIA)
93000 SoC系統的這些選件，可以完成對于大多數應用的測試，如音頻電路、視頻電路以及汽車(chē)電子等。用戶(hù)可根據自己的需求，靈活選擇模擬選件，使得整個(gè)系統的配置更為靈活。
5 小結
SoC技術(shù)的發(fā)展，大大提高了芯片結構的集成度，對測試技術(shù)和測試系統也提出了更高的要求。提高測試效率，降低測試成本，是每個(gè)業(yè)者面臨的挑戰。Agilent的SoC 93000 系統為S
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