中心議題：

• 動態功耗與測試之間的關係
• 功率管理的重要性
• 功率預算的表示

解決方案：

• 通過設計分割反映功率預算
• 通過時鍾域反映功率預算

完全的數字電路測試方法通常能將動態功耗提高到遠超出其規範定義的範圍。如果功耗足夠大
，將導致晶圓檢測或預老化(pre-burn-in)封裝測試失效，而這需要花大量的時間和精力去調試。當在角落條件(corner conditions)下測試超大規模SoC時(shi)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)尤(you)其(qi)突(tu)出(chu)，甚(shen)至(zhi)會(hui)使(shi)生(sheng)產(chan)線(xian)上(shang)出(chu)現(xian)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)良(liang)率(lv)損(sun)失(shi)
，並(bing)最(zui)終(zhong)減(jian)少(shao)製(zhi)造(zao)商(shang)的(de)毛(mao)利(li)。避(bi)免(mian)測(ce)試(shi)功(gong)耗(hao)問(wen)題(ti)的(de)最(zui)佳(jia)途(tu)徑(jing)是(shi)在(zai)可(ke)測(ce)試(shi)性(xing)設(she)計(ji)(DFT)過程中結合可感測功率的測試技術。本文將首先介紹動態功耗與測試之間的關係，以說明為何功率管理現在比以往任何時候都迫切；然後介紹兩種獨特的DFT技術，它們利用了ATPG技術的優點，以自動生成低功率製造性測試。

測試功率

掃描ATPG算法的優化可減少向量的數量，這意味著各向量都盡可能地提高了失效覆蓋率。掃描向量(scan pattern)中用於設置和傳播目標失效的位被稱為關注位(care bits)，剩(sheng)餘(yu)的(de)位(wei)則(ze)隨(sui)機(ji)填(tian)充(chong)

，以(yi)檢(jian)測(ce)關(guan)注(zhu)位(wei)無(wu)法(fa)明(ming)確(que)指(zhi)定(ding)的(de)其(qi)它(ta)失(shi)效(xiao)。各(ge)掃(sao)描(miao)向(xiang)量(liang)中(zhong)的(de)關(guan)注(zhu)位(wei)和(he)隨(sui)機(ji)填(tian)充(chong)位(wei)都(dou)會(hui)引(yin)起(qi)邏(luo)輯(ji)狀(zhuang)態(tai)的(de)轉(zhuan)變(bian)
，從(cong)而(er)對(dui)器(qi)件(jian)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)進(jin)行(xing)充(chong)放(fang)電(dian)。這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)將(jiang)導(dao)致(zhi)電(dian)路(lu)在(zai)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)下(xia)消(xiao)耗(hao)的(de)動(dong)態(tai)功(gong)率(lv)有(you)所(suo)增(zeng)加(jia)。

會影響器件測試的動態功耗有兩種：峰值功率和平均功率。峰值功率

，有時也稱為“瞬時功率”，是在很短時間內(例如係統時鍾上升沿/下降沿後緊跟著的時鍾周期的一小部分)消耗的功率總和。峰值功率反映了器件中節點開關的活動水平

，因此同時從一個邏輯狀態切換到另一個狀態的節點數量越多
，峰值功率就越大。

掃描測試能使器件的峰值功率增至任務模式下向量消耗水平的20倍。顯著的開關電流有可能導致軌信號塌陷(rail collapse)噪音的產生：沿著掃描鏈(scan chain)移位至電路的比特丟失，從而導致測試儀上的向量失配。開關電流通常不至於如此惡劣
，但仍會引起軌信號下跌，因為IR-drop沿(yan)電(dian)源(yuan)軌(gui)增(zeng)加(jia)的(de)同(tong)時(shi)也(ye)導(dao)入(ru)了(le)電(dian)路(lu)延(yan)遲(chi)。在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)

，掃(sao)描(miao)數(shu)據(ju)可(ke)能(neng)無(wu)法(fa)到(dao)達(da)掃(sao)描(miao)鏈(lian)中(zhong)的(de)下(xia)一(yi)級(ji)電(dian)路(lu)，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)測(ce)試(shi)程(cheng)序(xu)失(shi)效(xiao)。移(yi)位(wei)模(mo)式(shi)下(xia)的(de)軌(gui)信(xin)號(hao)下(xia)跌(die)一(yi)般(ban)可(ke)通(tong)過(guo)充(chong)分(fen)地(di)降(jiang)低(di)掃(sao)描(miao)移(yi)位(wei)頻(pin)率(lv)來(lai)解(jie)決(jue)，因(yin)為(wei)這(zhe)樣(yang)能(neng)讓(rang)掃(sao)描(miao)信(xin)號(hao)在(zai)角(jiao)落(luo)條(tiao)件(jian)下(xia)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)時(shi)間(jian)滿(man)足(zu)移(yi)位(wei)循(xun)環(huan)定(ding)時(shi)。然(ran)而(er)，降(jiang)低(di)掃(sao)描(miao)移(yi)位(wei)頻(pin)率(lv)會(hui)延(yan)長(chang)測(ce)試(shi)儀(yi)的(de)測(ce)試(shi)時(shi)間(jian)
，因(yin)此(ci)增(zeng)加(jia)了(le)批(pi)量(liang)生(sheng)產(chan)時(shi)的(de)測(ce)試(shi)成(cheng)本(ben)。

即使向量被成功掃描，但在發送/捕獲時序(以下稱為“捕獲模式”)中的峰值功率也會引起足夠大的IR-drop延遲，並導致邏輯值在捕獲窗口未能正確轉換以及器件在該向量下的失效。雖然這個問題與stuck-at和轉換延遲測試都有關係，但在與延遲有關的實速測試向量中更加常見。在捕獲模式下的IR-dropwentiyijizaiyiweimoshixiadedianyuanguichuiluowentikeyitongguodianyuanguixitongderongyushejijiejue，zhezhongshejifangfakeyishiyingsaomiaoceshizhongzengjiadekaiguanhuodongliang。buguozengjiadianyuanhediguidekuanduhuizengjiadianlumianji
，ruguoyougenghaodefangfakongzhifengzhiceshigonglvjiuzuihaobuyaoyongzhezhongfangfa。

平(ping)均(jun)功(gong)率(lv)是(shi)在(zai)多(duo)個(ge)時(shi)鍾(zhong)周(zhou)期(qi)內(nei)平(ping)均(jun)的(de)功(gong)耗(hao)，例(li)如(ru)在(zai)掃(sao)描(miao)輸(shu)出(chu)上(shang)一(yi)向(xiang)量(liang)響(xiang)應(ying)的(de)同(tong)時(shi)而(er)將(jiang)單(dan)個(ge)激(ji)勵(li)向(xiang)量(liang)掃(sao)描(miao)進(jin)設(she)計(ji)所(suo)需(xu)的(de)成(cheng)千(qian)上(shang)萬(wan)個(ge)周(zhou)期(qi)。掃(sao)描(miao)測(ce)試(shi)可(ke)將(jiang)器(qi)件(jian)中(zhong)的(de)平(ping)均(jun)功(gong)率(lv)提(ti)高(gao)到(dao)任(ren)務(wu)模(mo)式(shi)向(xiang)量(liang)時(shi)的(de)2-5倍。過高的平均測試功率將在裸片上產生諸如“熱區”等(deng)熱(re)問(wen)題(ti)，進(jin)而(er)損(sun)壞(huai)器(qi)件(jian)。因(yin)為(wei)平(ping)均(jun)功(gong)率(lv)直(zhi)接(jie)正(zheng)比(bi)於(yu)頻(pin)率(lv)，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)在(zai)掃(sao)描(miao)移(yi)位(wei)期(qi)間(jian)選(xuan)擇(ze)足(zu)夠(gou)低(di)的(de)移(yi)位(wei)頻(pin)率(lv)對(dui)平(ping)均(jun)功(gong)率(lv)進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi)以(yi)避(bi)免(mian)該(gai)問(wen)題(ti)。如(ru)上(shang)所(suo)述(shu)，降(jiang)低(di)掃(sao)描(miao)移(yi)位(wei)頻(pin)率(lv)也(ye)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)更(geng)高(gao)的(de)測(ce)試(shi)成(cheng)本(ben)。

平ping均jun測ce試shi功gong率lv在zai測ce試shi儀yi上shang相xiang對dui容rong易yi管guan理li，因yin此ci目mu前qian大da多duo數shu與yu功gong率lv相xiang關guan的de測ce試shi問wen題ti來lai源yuan於yu過guo高gao的de峰feng值zhi功gong率lv。在zai測ce試shi過guo程cheng中zhong
，能neng同tong時shi減jian少shao峰feng值zhi功gong率lv和he平ping均jun功gong率lv的de方fang法fa正zheng成cheng為wei當dang前qian半ban導dao體ti和he設she計ji自zi動dong化hua產chan業ye研yan究jiu的de焦jiao點dian。

圖1：觸發器活動

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功率管理的重要性

測ce試shi過guo程cheng中zhong的de功gong耗hao管guan理li正zheng變bian得de越yue來lai越yue重zhong要yao，因yin為wei最zui新xin的de製zhi造zao工gong藝yi可ke能neng使shi設she計ji製zhi造zao包bao含han數shu十shi萬wan甚shen至zhi數shu百bai萬wan個ge掃sao描miao觸chu發fa器qi。大da部bu分fen觸chu發fa器qi會hui在zai掃sao描miao測ce試shi期qi間jian同tong時shi開kai關guan，而er這zhe將jiang增zeng加jia峰feng值zhi功gong率lv，並bing使shi前qian述shu中zhong的deIR-drop延遲劇增。

另外，由於65nm及以下工藝的缺陷密度(defect density)有you所suo提ti高gao，產chan量liang因yin而er也ye有you所suo下xia降jiang。為wei了le補bu償chang產chan量liang不bu足zu並bing保bao持chi可ke接jie受shou的de質zhi量liang水shui平ping，製zhi造zao商shang開kai始shi轉zhuan向xiang使shi用yong超chao高gao分fen辨bian率lv實shi速su測ce試shi來lai檢jian測ce器qi件jian中zhong微wei小xiao的de延yan遲chi缺que陷xian。過guo去qu
，使shi用yong標biao準zhun轉zhuan換huan延yan遲chi測ce試shi無wu法fa檢jian測ce到dao納na米mi級ji缺que陷xian；而使用小延遲缺陷ATPG的de增zeng強qiang型xing定ding時shi分fen辨bian率lv測ce試shi已yi被bei證zheng明ming能neng有you效xiao地di檢jian測ce出chu納na米mi級ji缺que陷xian。然ran而er，相xiang對dui標biao準zhun等deng速su測ce試shi方fang法fa而er言yan
，該gai技ji術shu需xu要yao對dui測ce試shi期qi間jian產chan生sheng的de峰feng值zhi電dian流liu所suo引yin起qi的de附fu帶dai延yan遲chi有you更geng嚴yan格ge的de控kong製zhi。

總之，當更多納米缺陷出現時，大規模SoC需要依賴先進的實速ATPG技術維持高測試質量
，而這一趨勢正驅使人們在DFT流程中使用可感測功率的測試技術。

功率預算的表示

觸(chu)發(fa)器(qi)開(kai)關(guan)活(huo)動(dong)與(yu)節(jie)點(dian)開(kai)關(guan)活(huo)動(dong)高(gao)度(du)相(xiang)關(guan)，其(qi)動(dong)態(tai)功(gong)耗(hao)反(fan)映(ying)了(le)節(jie)點(dian)開(kai)關(guan)活(huo)動(dong)。因(yin)此(ci)可(ke)認(ren)為(wei)避(bi)免(mian)測(ce)試(shi)引(yin)起(qi)的(de)功(gong)率(lv)相(xiang)關(guan)故(gu)障(zhang)的(de)一(yi)種(zhong)有(you)效(xiao)方(fang)法(fa)是(shi)在(zai)掃(sao)描(miao)測(ce)試(shi)期(qi)間(jian)充(chong)分(fen)地(di)減(jian)少(shao)觸(chu)發(fa)器(qi)開(kai)關(guan)活(huo)動(dong)，對(dui)製(zhi)造(zao)器(qi)件(jian)的(de)IR-dropxingweijinxingxiangxianliyanjiuyouliyuzhezhongguance。yincigonglvjiangdijishudemubiaoshichongfenjianshaochufaqidekaiguanhuodong，yibianlianghaodeqijiannengzaijiaoluotiaojianxiatongguosuoyousaomiaoATPG測試。注意，我們無需最小化開關活動，隻需將它減至與應用任務模式向量時觀察到的開關速率相當的水平。

為了便於描述
，假設將大量任務模式向量應用於一個設計
，並發現峰值觸發器開關活動量為觸發器總數的26%。如果我們產生掃描ATPG向量，並跟蹤對應於特定開關速率的向量數字，我們可能會觀察到與圖1中灰色分布相似的情況。由於峰值和平均開關速率超過26%
，因此相對正常器件工作而言掃描測試會增加IR-drop延遲。

然而
，如果我們采用相關技術降低測試期間的功耗，我們就能有效地將這種分布向左移。在圖1中重疊的藍色低功率分布區
，掃描ATPG向量的峰值開關活動沒有超過功率預算，因此降低了製造測試中功率問題產生的風險。

後文將介紹兩種可以獲得低功率向量分布的方法，它們在功率預算規定的方式上有根本的區別。

通過設計分割反映功率預算

jiasheshejidemougeshizhongqudongledaliangchufaqi，yizhitamendefengzhikaiguandongzuochaoguoshejidezongtigonglvyusuan。womenbuxiwangceshiluojiqugaibianrenheshizhong，xiangfanwomenjiangshejifengechengN個模塊，各模塊具有自己的掃描啟動引腳

，並且包含自己的掃描壓縮邏輯和掃描鏈。(如圖2所示)模塊的數量和組成需要仔細選取，以便任何單個模塊(包括具有大部分觸發器的模塊)的觸發器開關速率不超過總功率預算。從這方麵講
，可以認為分割將功率預算硬連(hardwire)進了設計。

圖2：將設計分割成N個模塊以指定功率預算。

向量產生是受限的，因而隻有一個掃描啟動腳被激活(SE=1)
，而ATPG一次隻處理一個模塊。ATPG工具以捕獲啟動(SE=0)模塊中的故障和模塊間的故障為目標，將所有其它模塊中的故障都指定為“ATPG不可測試”。所有模塊依次重複這一過程，並在為模塊產生向量之前使用單個命令將模塊中的故障狀態從“ATPG不可測試”改變為“檢測不到”。

將jiang所suo有you開kai關guan動dong作zuo限xian製zhi於yu用yong來lai測ce試shi的de模mo塊kuai，可ke以yi有you效xiao地di降jiang低di捕bu獲huo模mo式shi期qi間jian的de峰feng值zhi功gong耗hao。但dan要yao注zhu意yi的de是shi
，在zai捕bu獲huo模mo式shi期qi間jian消xiao除chu其qi它ta模mo塊kuai開kai關guan動dong作zuo的de唯wei一yi方fang法fa是shi確que保bao上shang個ge周zhou期qi的de掃sao描miao移yi位wei模mo式shi和he下xia個ge周zhou期qi之zhi間jian的de邏luo輯ji狀zhuang態tai沒mei有you變bian化hua(對應於被測模塊中捕獲模式的發送階段)。這可以通過將全1或全0掃sao描miao進jin被bei測ce模mo塊kuai實shi現xian。遺yi憾han的de是shi
，該gai方fang法fa會hui導dao致zhi故gu障zhang覆fu蓋gai率lv的de損sun失shi，同tong時shi需xu要yao更geng複fu雜za的de故gu障zhang清qing單dan處chu理li以yi及ji產chan生sheng結jie束shu向xiang量liang進jin行xing補bu償chang。即ji使shi一yi次ci隻zhi測ce試shi一yi個ge模mo塊kuai
，我wo們men也ye希xi望wang將jiang向xiang量liang同tong時shi裝zhuang載zai進jin所suo有you模mo塊kuai以yi鎖suo定ding模mo塊kuai間jian故gu障zhang。

解決這個兩難問題的方案是利用新思公司的TetraMAX ATPG工具提供的“低功率填充”功能。TetraMAX通常需要用掃描向量中不到10%deweijianlibingchuanboguzhangxiaoying，yinciqibuzaisuijitianchongshengyuwei
，ershijiangmeigeguanzhuweidezhifuzhidaosaomiaolianzhongdehouxuwei，zhidaoxiayigejuyouxiangfanzhideguanzhuwei。(如圖3所示)

關注位值的複製可以將激勵向量中的邏輯狀態變化減少90%以上。而在不在測試的模塊中
，減少程度接近99%(隻需要少量關注位即可鎖定模塊間故障)
，因此足以確保輸入向量的上次移位及後麵的發送周期之間幾乎沒有邏輯狀態的轉換。

圖3：TetraMAX ATPG工具的“低功率填充”。

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低功率填充向量可以檢測額外故障，但比標準ATPG向量要少，因為每個低功率填充激勵中的偽隨機位都被移除了。因此，低功率填充ATPG一般要比標準ATPG產生更多的向量才能獲得相同的故障覆蓋率。盡管如此，本節所描述的技術在壓縮方麵非常靈活，如圖4所示：當應用更多的壓縮時
，測試周期數隻比基本案例(所有掃描啟動沒有被激活，沒有低功率填充)稍shao多duo一yi些xie。該gai圖tu也ye顯xian示shi了le在zai捕bu獲huo模mo式shi期qi間jian由you完wan整zheng向xiang量liang集ji與yu壓ya縮suo率lv之zhi間jian關guan係xi所suo得de到dao的de峰feng值zhi開kai關guan動dong作zuo。而er峰feng值zhi開kai關guan動dong作zuo的de減jian少shao幾ji乎hu與yu壓ya縮suo率lv無wu關guan。

圖4：測試周期數和峰值開關動作與壓縮率之間的關係。

低功率填充ATPG還能降低掃描移位期間的平均功率，從而節省花在測試儀上的時間乃至成本。一般來說，複製關注位值可以減少激勵向量中90%以上的邏輯狀態轉換，以及減少響應向量中10-50%的邏輯狀態轉換。由於激勵和響應是同時被掃描的，因此觸發器開關動作的淨平均減少量約為50%。本文介紹的技術可以減少更高的量，因為模塊中隻有極少的關注位沒被測試到。

在理解低功率填充功能如何工作之後，就很容易了解為什麼各模塊要擁有自己的壓縮電路。如果壓縮是“平坦的”(指單個解壓器/壓縮器被嵌在各模塊的頂層而不是裏麵)
，那(na)麼(me)解(jie)壓(ya)器(qi)輸(shu)出(chu)就(jiu)可(ke)以(yi)分(fen)別(bie)輸(shu)入(ru)到(dao)所(suo)有(you)模(mo)塊(kuai)上(shang)的(de)掃(sao)描(miao)鏈(lian)。被(bei)測(ce)模(mo)塊(kuai)的(de)關(guan)注(zhu)位(wei)因(yin)而(er)無(wu)需(xu)被(bei)掃(sao)描(miao)進(jin)所(suo)有(you)的(de)其(qi)它(ta)模(mo)塊(kuai)，並(bing)導(dao)致(zhi)大(da)量(liang)的(de)邏(luo)輯(ji)狀(zhuang)態(tai)轉(zhuan)換(huan)。相(xiang)反(fan)，將(jiang)壓(ya)縮(suo)電(dian)路(lu)嵌(qian)入(ru)到(dao)模(mo)塊(kuai)中(zhong)會(hui)使(shi)到(dao)各(ge)模(mo)塊(kuai)掃(sao)描(miao)鏈(lian)的(de)輸(shu)出(chu)受(shou)到(dao)限(xian)製(zhi)，從(cong)而(er)形(xing)成(cheng)了(le)在(zai)移(yi)位(wei)操(cao)作(zuo)時(shi)無(wu)法(fa)通(tong)過(guo)的(de)關(guan)注(zhu)位(wei)“邊界”。將壓縮邏輯嵌入進設計物理層裏還有進一步的好處，即可以減少布線擁塞

，最終減少壓縮的麵積開銷成本。

通過時鍾域反映功率預算

雖然物理模塊內的嵌入式壓縮有助於減少布線擁塞，但本節介紹的技術無需通過分割設計以反映功率預算。相反，可以使用TetraMAX中獨特的功能將觸發器開關動作預算規定為ATPG製約。

在zai該gai種zhong情qing況kuang下xia假jia設she設she計ji具ju備bei足zu夠gou多duo的de時shi鍾zhong，因yin而er單dan個ge時shi鍾zhong不bu能neng控kong製zhi足zu夠gou的de電dian路lu以yi超chao出chu功gong率lv預yu算suan。該gai工gong具ju試shi圖tu在zai捕bu獲huo模mo式shi下xia隻zhi啟qi動dong某mou些xie時shi鍾zhong來lai滿man足zu功gong率lv製zhi約yue。剩sheng餘yu時shi鍾zhong在zai捕bu獲huo模mo式shi中zhong不bu工gong作zuo
，在zai移yi位wei操cao作zuo結jie束shu時shi保bao持chi其qi狀zhuang態tai。這zhe意yi味wei著zhe這zhe些xie範fan圍wei(邏輯網絡或時鍾網絡)內沒有開關動作，低功率填充的好處僅限於降低掃描移位期間的平均功率。需要注意的是，ATPG必須完全控製所有的時鍾(外部時鍾或PLL產生的時鍾由一個或多個片上時鍾控製器所管理)。

圖5所示設計具有受ATPG控製的7geshizhongyu。zhidezhuyideshi
，yongyuyasuodewulimokuaidefengebuxuyushizhongyuyizhi，yiquebaoceshiqijiandedigonglvcaozuo。shejizhongdesuoyouchufaqigongxiangxiangtongdesaomiaoqidong，congershidesuoyoudeguzhangbaokuoyujianguzhangnengyicixingdibeiATPG發現。這種簡單、高度自動化的流程可以產生緊湊格式的低功率向量集。

圖5：具有7個時鍾域的設計。

本文小結

本ben文wen介jie紹shao了le製zhi造zao測ce試shi過guo程cheng中zhong引yin入ru的de動dong態tai功gong耗hao如ru何he反fan過guo來lai影ying響xiang被bei測ce器qi件jian的de性xing能neng。測ce試shi中zhong過guo高gao的de峰feng值zhi功gong耗hao會hui增zeng加jia延yan遲chi並bing導dao致zhi不bu可ke預yu料liao的de測ce試shi結jie果guo
，而er測ce試shi期qi間jian中zhong過guo高gao的de平ping均jun功gong率lv所suo引yin起qi的de熱re問wen題ti則ze會hui損sun壞huai器qi件jian。上shang述shu兩liang個ge功gong率lv問wen題ti如ru果guo處chu理li不bu正zheng確que將jiang增zeng加jia製zhi造zao商shang的de成cheng本ben，而er使shi用yong最zui先xian進jin工gong藝yi製zhi造zao的de大da規gui模moSoC尤其容易受這些問題的影響。

不bu僅jin因yin為wei這zhe些xie設she計ji中zhong使shi用yong了le大da量liang的de觸chu發fa器qi，同tong時shi還hai因yin為wei需xu要yao用yong更geng高gao時shi間jian分fen辨bian率lv的de實shi速su測ce試shi來lai檢jian測ce小xiao延yan遲chi故gu障zhang。為wei了le解jie決jue這zhe些xie問wen題ti，設she計ji師shi們men正zheng在zai整zheng合he測ce試shi自zi動dong化hua的de先xian進jin成cheng果guo和heDFTfangfalaichuangjiandigonglvzhizaoceshi。benwenzhongdianjieshaoleliangzhongchuangxinxingjishu，tamenkejiangkaiguandongzuojiangdidaoyuqijianrenwumoshigongzuoshixiangdangdeshuiping。zheliangzhongfangfadezhuyaoqubiezaiyushejishijianggonglvyusuanbingruDFT過程中的方式。