有利于驗(yàn)證未測(cè)試功能的RTL緩沖器插入和故障分級(jí)技術(shù)

目前，集成電路的設(shè)計(jì)周期要求更短，但是規(guī)模卻更大，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，提高芯片的測(cè)試覆蓋率成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一，本文介紹的緩沖器插入工具可以通過基于RTL的SSAF分級(jí)技術(shù)有效地提高測(cè)試覆蓋率。?Eric?Hoang?Jamie?Fontenot?Kuang?Hsien?Chen?設(shè)計(jì)制造經(jīng)理?摩托羅拉高級(jí)設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)部?利用設(shè)計(jì)綜合進(jìn)一步縮短設(shè)計(jì)周期是電子行業(yè)賴以生存的基本手段，因此，所有的設(shè)計(jì)必須符合一定的自動(dòng)測(cè)試生成(ATG)設(shè)計(jì)約束條件，以便利用ATG工具取得更高的測(cè)試覆蓋率。然而，在設(shè)計(jì)綜合過程中，約束條件規(guī)定：利用ATG工具無法測(cè)試大量的數(shù)字邏輯電路，怎么辦？如何在規(guī)定的設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)提高測(cè)試覆蓋率？?本文描述一種商用工具，在RTL設(shè)計(jì)過程中，它能夠測(cè)量當(dāng)前的測(cè)試覆蓋率，確定模式增強(qiáng)的低測(cè)試覆蓋率模塊。該工具向RTL設(shè)計(jì)中插入零延時(shí)的緩沖器之后，RTL設(shè)計(jì)就可以進(jìn)行故障分級(jí)。具備門級(jí)單個(gè)附著故障(SSAF)分級(jí)信息的相關(guān)測(cè)試結(jié)果，可以反映RTL設(shè)計(jì)階段故障分析的優(yōu)點(diǎn)。?傳統(tǒng)的故障分級(jí)方法?當(dāng)前，設(shè)計(jì)周期越來越短，門級(jí)測(cè)試分級(jí)非常困難。電路密度持續(xù)增加，以摩托羅拉最新的嵌入式處理器MPC555為例，它包含：Power?PC核、448K字節(jié)閃存、32K字節(jié)SRAM和15個(gè)附加模塊。在這樣的設(shè)計(jì)中，測(cè)試結(jié)果必須與設(shè)計(jì)周期縮短的趨勢(shì)相適應(yīng)，測(cè)試分級(jí)必須在設(shè)計(jì)早期完成。?測(cè)試分級(jí)是對(duì)設(shè)計(jì)邏輯仿真環(huán)境提出的進(jìn)一步要求，在該仿真環(huán)境中，要采用功能驗(yàn)證模式對(duì)模型進(jìn)行邏輯仿真。另外，故障仿真需要有效的檢測(cè)器的輸出選通時(shí)序信息。最小的工具需求包括：兼容邏輯的有效性、故障仿真器以及具有恰當(dāng)內(nèi)存以便處理設(shè)計(jì)網(wǎng)表SSAF分級(jí)的工作站，如果不具備這樣的條件，測(cè)試將很難進(jìn)行下去。?對(duì)綜合過程生成的邏輯進(jìn)行故障分析很困難。由于邏輯簡化、電路優(yōu)化以及電路圖綜合工具對(duì)門級(jí)元件布局和布線方法的影響，要跟蹤門級(jí)邏輯的功能相當(dāng)復(fù)雜。?綜合設(shè)計(jì)和測(cè)試分級(jí)流程?測(cè)試分級(jí)流程由故障仿真和故障分析兩個(gè)階段組成(如圖1所示)。在故障仿真階段，通過故障仿真工具獲得的初始故障列表要與所有用于生產(chǎn)的模式一起進(jìn)行故障仿真。未檢測(cè)到的故障列表將在故障分析階段用于編寫附加測(cè)試模式，并用于識(shí)別和刪除冗余邏輯或不可測(cè)邏輯。?要用故障分析來識(shí)別待寫的附加向量，首先要進(jìn)行全局分析以確定低覆蓋率的分層模塊。未測(cè)試功能和不可測(cè)試邏輯模塊可通過分析低覆蓋率部分來確定，然后分析相關(guān)的故障集(多例程、并行位等)。一旦生成了附加模式，邏輯上不可測(cè)故障(LUD)就可從這些區(qū)域刪除，接著要重新計(jì)算故障覆蓋率。如果故障覆蓋率仍然太低，單一故障只能采用其它測(cè)試模式單獨(dú)處理。如果要滿足特定的設(shè)計(jì)時(shí)間要求，則可能要增加成本。?RTL分級(jí)的一種方法?如前所述，只有在門級(jí)網(wǎng)表生成以后，才能進(jìn)行故障仿真和附加模式的生成。目前，網(wǎng)表生成后直接進(jìn)入設(shè)計(jì)階段，因而在掩模之前，就可能沒有足夠的時(shí)間按期實(shí)現(xiàn)完整的故障仿真和附加模式生成。?在RTL級(jí)對(duì)插入的緩沖器故障進(jìn)行故障分級(jí)，可以一邊產(chǎn)生功能模式一邊開始故障分級(jí)，不必等待門級(jí)網(wǎng)表的生成。功能驗(yàn)證的測(cè)試覆蓋率是掩膜的重要指標(biāo)，當(dāng)技術(shù)指標(biāo)解釋方法提供模式生成時(shí)，可由功能驗(yàn)證的測(cè)試覆蓋率了解整個(gè)測(cè)試覆蓋的質(zhì)量，從測(cè)試分級(jí)中獲得的測(cè)試覆蓋和故障分析信息，可進(jìn)一步改進(jìn)測(cè)試模式。在形成門級(jí)網(wǎng)表之前，若時(shí)間容許的話，上述信息還能改善特定區(qū)域的可測(cè)試性。?緩沖器插入是RTL分級(jí)過程中最關(guān)鍵的方法，這種方法的核心在于，通過在模型中恰當(dāng)?shù)奈恢迷黾恿阊訒r(shí)的緩沖器，可以修改原始的RTL模型。增加的緩沖器在RTL模型中處于可變及可執(zhí)行的狀態(tài)，附著故障注入到這些插入緩沖器的輸入端仿真RTL可變附著故障。緩沖器插入全部完成后，任何能夠處理混合門和RTL的商業(yè)故障分級(jí)工具都能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的單個(gè)附著故障分級(jí)，并生成故障覆蓋報(bào)告。?我們建議的RTL分級(jí)流程，能通過TurboFCE工具插入RTL緩沖器來實(shí)現(xiàn)。Verifault工具能實(shí)現(xiàn)故障分級(jí)，如圖2所示。所要求的輸入包括Verilog?RTL模型、功能或附加測(cè)試模式。輸出包括故障分級(jí)報(bào)告、未檢測(cè)的故障列表和有助于低故障覆蓋分析的混合RTL模型。建立在RTL分級(jí)流程中的主要測(cè)試區(qū)域包括增強(qiáng)的測(cè)試模式和增強(qiáng)的RTL模型可測(cè)試特性。?測(cè)試模式的增強(qiáng)過程通過低故障覆蓋模塊的故障分析觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)。模式增強(qiáng)可通過修改現(xiàn)有的測(cè)試模式或編寫新的附加模式來實(shí)現(xiàn)。要增強(qiáng)RTL模型，必須在設(shè)計(jì)初期，通過并行開發(fā)模型和測(cè)試向量來實(shí)現(xiàn)。?RTL故障分級(jí)的優(yōu)點(diǎn)?雖然測(cè)試分級(jí)的功能與門級(jí)分級(jí)相似，但是在RTL分級(jí)所花費(fèi)的時(shí)間更少，其抽象的級(jí)別高于門級(jí)抽象，總的故障數(shù)和未檢測(cè)到的故障成比例地減少，相應(yīng)地減少了所需的設(shè)計(jì)資源。同時(shí)，利用該方法完成故障分析的速度快于利用綜合門級(jí)網(wǎng)表進(jìn)行的門級(jí)故障分析。?我們測(cè)試的MPC555包括6個(gè)模塊：總線接口、計(jì)數(shù)器、閃存外圍電路、閃存控制電路和64輸入隊(duì)列A/D轉(zhuǎn)換器，這些部件常用于模塊化設(shè)計(jì)環(huán)境。對(duì)不同的模塊，現(xiàn)有的測(cè)試模式有4到27個(gè)。待設(shè)計(jì)模塊的規(guī)模從0.2MB(MPC590?CNTC模塊)到0.6MB(Flash控制器模塊)不等，每個(gè)RTL模組采用插入緩沖器模式實(shí)現(xiàn)，不同的緩沖器插入模式產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)試用Verilog?RTL模組。緩沖器插入設(shè)計(jì)模組必須經(jīng)過故障仿真，然后與門級(jí)故障仿真結(jié)果進(jìn)行比較。?未檢測(cè)故障的分析?對(duì)緩沖器插入RTL模型的未檢測(cè)故障列表的分析，要跟門級(jí)故障分析同時(shí)進(jìn)行。伴隨單個(gè)故障的群(cluster)故障也同樣存在于RTL模型之中。?與門級(jí)一樣，充滿未檢測(cè)故障的RTL控制信號(hào)路徑表現(xiàn)出未經(jīng)測(cè)試的功能特性。在利用所有的測(cè)試模式進(jìn)行故障仿真之后，分析存在未檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的原因，可以找到編寫附加測(cè)試模式的根據(jù)，該根據(jù)可能是：模式驗(yàn)證方法中缺少某些基本功能特性，或者未檢測(cè)的故障表現(xiàn)出的模糊邊界條件。與門級(jí)故障分析處理過程相似，無用或冗余的不可測(cè)試節(jié)點(diǎn)在完成識(shí)別之前，將仍然保持未檢測(cè)故障的特性。?相關(guān)結(jié)果的評(píng)估?測(cè)試數(shù)據(jù)表明，插入緩沖器的RTL模型與門級(jí)模型相比，故障覆蓋率差距在0.6%到13%之間，工具增強(qiáng)之后，差距減少了。良好的RTL模型拓?fù)涫顾牟迦刖彌_器分級(jí)與門級(jí)節(jié)點(diǎn)故障分級(jí)相似。優(yōu)質(zhì)RTL模型拓?fù)淠苁共迦刖彌_器的分級(jí)達(dá)到門級(jí)輸入故障的分級(jí)水平。正如我們期待的那樣，特定設(shè)計(jì)模組的優(yōu)質(zhì)和劣質(zhì)模型的故障總和通常小于門級(jí)故障的總和。?研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)質(zhì)模型的故障數(shù)量大約為門級(jí)故障的1/4到1/2，劣質(zhì)模型的故障數(shù)量大約為門級(jí)故障的1/3到2/3，這個(gè)結(jié)論有助于優(yōu)化緩沖器插入的過程，以提高RTL與門級(jí)故障列表之間的相關(guān)性。優(yōu)化的結(jié)果將提高對(duì)低覆蓋率模塊的驗(yàn)證準(zhǔn)確性，同時(shí)改善對(duì)全局覆蓋率的評(píng)估。?工具的局限性和折衷方案?如上文所述，在故障插入工具使用中存在故障分級(jí)的局限性。添加緩沖器可能會(huì)改變?cè)糝TL模型的功能特性，因?yàn)?a href="http://www.zgszdi.cn/tags/寄存器/" target="_blank">寄存器傳輸邏輯比門級(jí)邏輯的抽象層次高，基于RTL的故障分級(jí)方法會(huì)引起精度損失。如果需要100%門級(jí)SSAF覆蓋分級(jí)，測(cè)試工具需要更加易于識(shí)別的附加測(cè)試模式、冗余和不可測(cè)試邏輯，但是不能完全替代門級(jí)故障分析。要完成包括RTL附加模式在內(nèi)的所有模型的門級(jí)故障仿真，需要對(duì)剩余的未檢測(cè)故障列表進(jìn)行處理，這個(gè)過程通常與門級(jí)測(cè)試分級(jí)有關(guān)。?在生成門級(jí)網(wǎng)表之前，RTL分級(jí)有助于提高門級(jí)測(cè)試覆蓋率，而設(shè)計(jì)初期的RTL故障分級(jí)能夠支持附加測(cè)試向量的生成，進(jìn)而在掩膜之前獲得特定SSAF的覆蓋率。在后續(xù)的開發(fā)過程中，還要持續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證、可測(cè)性設(shè)計(jì)和制造測(cè)試的開發(fā)，新的工具和技巧已經(jīng)在開發(fā)之中。?目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)了幾種RTL代碼覆蓋工具。通常，這些工具可以檢查測(cè)試過程中沒有經(jīng)過處理的可執(zhí)行的描述、分支條件、表達(dá)式和順序模塊中可能的路徑。代碼的轉(zhuǎn)換信息可通過特定的工具取得，雖然測(cè)試工具本身并不提供直接的可測(cè)試性分析信息，也不能確保完整的功能測(cè)試，但某些工具已經(jīng)用于測(cè)量和增強(qiáng)RTL代碼的覆蓋率。?顯然，有必要采用有效的RTL可測(cè)試性分析工具，這樣的工具將有助于識(shí)別行為結(jié)構(gòu)的可控制性或可觀察性，也可以在設(shè)計(jì)初期改善設(shè)計(jì)的可測(cè)試性，減小測(cè)試的復(fù)雜性，從而通過結(jié)構(gòu)和/或功能測(cè)試達(dá)到更好的故障覆蓋率。?RTL?SSAF分級(jí)?在繼續(xù)復(fù)用功能測(cè)試組件滿足制造過程測(cè)試需求的同時(shí)，我們還要達(dá)到現(xiàn)實(shí)功能驗(yàn)證的目標(biāo)。在掩膜之前，門級(jí)單個(gè)附著故障測(cè)試分級(jí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了最小85%的測(cè)試覆蓋率，顯示了良好的功能覆蓋。由于研究過程取得了滿意的相關(guān)結(jié)果，緩沖器插入RTL分級(jí)可以作為門級(jí)分級(jí)的替代方法，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)掩膜輸入要求的測(cè)試覆蓋率目標(biāo)。為了將環(huán)境和仿真工具對(duì)相關(guān)性的影響減低到最小程度，門級(jí)仿真過程中普遍使用的故障仿真器和選通時(shí)序?qū)⒗^續(xù)沿用。?RTL覆蓋率的增長很可能改善門級(jí)故障覆蓋率。在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行RTL分級(jí)，有助于識(shí)別冗余邏輯的驗(yàn)證，并方便進(jìn)行設(shè)計(jì)修正以便增強(qiáng)可測(cè)試性和附加測(cè)試模式的生成，從而改善門級(jí)測(cè)試覆蓋率。?結(jié)論?目前，設(shè)計(jì)周期更短、規(guī)模更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)項(xiàng)目為門級(jí)設(shè)計(jì)分級(jí)技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。緩沖器插入工具使基于RTL的SSAF分級(jí)技術(shù)有可能替代門級(jí)分級(jí)技術(shù)。TurboFCE工具可以滿足這方面的需求。我們的研究中采用了六個(gè)設(shè)計(jì)模塊，結(jié)果表明：在RTL分級(jí)與門級(jí)分級(jí)間有0.6%到13%的相關(guān)性。需要進(jìn)一步解決的問題在于，緩沖器插入到模塊描述區(qū)域的工具仍然缺乏足夠的處理能力。?需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容包括：全面理解RTL分級(jí)技術(shù)與門級(jí)分級(jí)技術(shù)之間的相關(guān)性，正確評(píng)估該工具在故障分析中的應(yīng)用和附加向量(AOV)生成的結(jié)果。最近，已經(jīng)有工具能夠?qū)崿F(xiàn)基于RTL的快速設(shè)計(jì)、DFT和ATPG，因此，通過高效地應(yīng)用基于RTL的多用途工具將進(jìn)一步縮短開發(fā)周期。?