Встроенные приборы

В электронной промышленности под встроенными приборами понимают интеграцию контрольно-измерительных приборов в полупроводниковые чипы (или устройства на интегральных схемах ). Встроенные приборы отличаются от встроенных систем , которые представляют собой электронные системы или подсистемы, обычно составляющие часть управления более крупной электронной системы. Инструменты, встроенные в микросхемы (встроенные приборы), используются в различных приложениях электронного тестирования, включая проверку и тестирование самих микросхем, проверку, тестирование и отладку печатных плат , на которых установлены эти микросхемы, а также системы устранения неполадок после их установки в полевых условиях. .

Рабочая группа IEEE (Института инженеров по электротехнике и электронике), которая разрабатывает стандарт доступа к встроенным приборам (стандарт IEEE 1687 Internal JTAG). ^[1]) определяет встроенное оборудование следующим образом:

Любая логическая структура внутри устройства, целью которой является проектирование для тестирования (DFT), проектирование для отладки (DFD), проектирование для получения результатов (DFY), тестирование... Существует широкое использование встроенных инструментов (таких как BIST). ( встроенная самопроверка ) Двигатели, комплексная характеристика и калибровка ввода-вывода, встроенные приборы синхронизации и т. д.). ^[2]

История

Еще в 1990-х годах электронная промышленность осознавала, что проверка, тестирование и отладка конструкции в ближайшем будущем будут серьезно затруднены. Первоначально толчком к этому признанию и последующей разработке решений стало появление новых корпусов полупроводниковых микросхем, таких как массив шариковых решеток (BGA), в которых выводы устройства размещались под кремниевым кристаллом, что делало их недоступными для физического контакта с прибором или металлические зонды испытательной системы. В то время большинство тестовых инструментов, таких как осциллографы и логические анализаторы при проектировании, а также внутрисхемные испытания (ICT) при серийном производстве, были внешними по отношению к микросхемам и печатным платам. Для получения тестовых данных они полагались на размещение зонда на чипе или печатной плате. Чтобы преодолеть исчезающую доступность тестовых датчиков, приборостроительную технику начали внедрять в полупроводники и печатные платы.

В последние годы эта ситуация усугубляется все более высокоскоростными последовательными межчиповыми соединениями (межсоединителями или шинами) на печатных платах, а также еще более сложными технологиями упаковки микросхем, такими как система на кристалле (SOC), система -в-пакете (SIP) и пакет-на-пакете (POP). Эти и другие разработки делают встроенные в микросхемы приборы необходимыми для процессов проверки конструкции, тестирования и отладки.

Стандарт периферийного сканирования (IEEE 1149.1 JTAG): технология, позволяющая использовать встраиваемые приборы

Хотя на момент разработки он не назывался встроенным прибором, периферийного сканирования IEEE 1149.1 стандарт ^[3] можно рассматривать как первую технологию, позволяющую использовать встраиваемые приборы. (Сканирование границ также называют JTAG , в честь Объединенной группы по тестированию, которая первоначально взялась за его разработку, прежде чем оно перешло под эгиду рабочей группы IEEE. «JTAG» часто используется для обозначения порта доступа на чипе, который соответствует стандарту периферийного сканирования.) Некоторые считают, что процесс тестирования периферийного сканирования является формой встроенного оборудования. Граничное сканирование предполагает встраивание инструментальной инфраструктуры в микросхемы и печатные платы. Эту инфраструктуру можно использовать во время отладки проекта и создания первого прототипа платы, серийного производства и обслуживания на местах для проверки и диагностики структурной целостности электрических соединений на печатных платах. Кроме того, инфраструктуру периферийного сканирования также можно применять для программирования таких устройств, как запоминающие устройства, сложные программируемые логические устройства (CPLD) и программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA), после их припайки к печатной плате.

Сопутствующие стандарты

За годы, прошедшие с момента разработки стандарта периферического сканирования как технологии структурных испытаний, встроенная в микросхемы и печатные платы инфраструктура периферического сканирования была использована для ряда связанных приложений, в том числе в качестве метода доступа к приборам, вставленным в чипсы. Более поздний стандарт семейства периферийного сканирования, стандарт периферийного сканирования IEEE 1149.6 для передовых цифровых сетей. ^[4] использует встроенную инструментальную инфраструктуру с периферийным сканированием 1149.1, но расширяет типы межчиповых соединений, которые можно тестировать. В то время как стандарт 1149.1 определяет методологию тестирования межсоединений, связанных по постоянному току, версия 1149.6 стандарта граничного сканирования расширяет методологию для тестирования высокоскоростных межсоединений, связанных по переменному току, и/или дифференциальных межсоединений.

Еще одним дополнением к семейству стандартов периферийного сканирования стал стандарт IEEE 1149.7, который определяет интерфейс с уменьшенным количеством контактов и обеспечивает расширенную отладку программного обеспечения. Кроме того, ожидается, что стандарт IEEE 1149.7 будет использоваться при тестировании сложных микросхем с несколькими кристаллами, собранными в один корпус.

Рабочая группа IEEE также приступила к разработке стандарта, специально предназначенного для встроенных приборов. Официальное название этого стандарта — Стандарт IEEE 1687 для доступа и управления приборами, встроенными в полупроводниковые устройства, но обычно его называют стандартом внутреннего JTAG (IJTAG). ^[5] Целью рабочей группы было определение технологии автоматизации, доступа и анализа результатов встроенных инструментов. Стандартизация интерфейса встроенных инструментов означает, что эти инструменты могут поступать из любого количества источников, но взаимодействие с пользователем будет упрощено, поскольку оно будет основано на общепринятом отраслевом стандарте. Реальные встроенные инструменты могут быть разработаны любой из нескольких групп различных типов, включая поставщиков микросхем, сторонних поставщиков, поставщиков инструментов для проектирования микросхем или собственные группы разработчиков. Доступность чипов, соответствующих стандарту IEEE 1687, будет стимулировать разработку основанных на стандартах инструментов для взаимодействия и использования встроенных в чипы инструментов. Стандарт IEEE 1687 теперь является ратифицированным стандартом.

Появление встраиваемых приборов

Встроенные контрольно-измерительные приборы могут выполнять определенные функции, с которыми возникают трудности при использовании внешних технологий тестирования и измерений, поскольку они являются внешними по отношению к тестируемому чипу или печатной плате. Более того, встроенные приборы зачастую более эффективны и адаптируемы, поскольку они основаны на программном обеспечении, в отличие от внешних аппаратных тестеров. Кроме того, встроенное оборудование просто лучше подходит для большинства компьютерных и коммуникационных технологий, которые появляются сегодня.

Некоторые из более традиционных технологий тестирования и измерения способны измерять производительность и поток данных только в точке ввода/вывода (I/O) на кристалле. Настоящая задача заключается в том, чтобы прибор смог получить представление о процессах, происходящих внутри самого кремниевого ядра. Для этого необходимы встроенные инструменты между точкой ввода-вывода по периметру чипа и процессорным ядром.

Ниже приведены некоторые трудности, с которыми сталкиваются традиционные контрольно-измерительные приборы, поскольку микросхемы, печатные платы и системы продолжают становиться быстрее, меньше и сложнее.

Передача сигналов на высокоскоростных последовательных шинах, таких как PCI Express, Fibre Channel 10-Gbit/s Ethernet, InfiniBand или Intel® QuickPath Interconnect (QPI), очень чувствительна к эффектам емкостной связи. В результате размещение тестовой площадки на одной из этих шин для обеспечения доступа к тестовым щупам, на которые полагаются внешние инструменты, такие как осциллографы и системы внутрисхемного тестирования, нарушит целостность сигналов на базовой шине. В результате сегодняшние передовые методы проектирования печатных плат требуют отказа от тестовых площадок, что ограничивает использование тестовых щупов. Альтернативой являются встроенные инструменты, которые позволяют проводить испытания изнутри наружу.
Поставщики полупроводников включают в свои устройства такие функции преобразования сигналов, как предварительное преобразование, предыскажение и коррекцию, чтобы помочь перемещать сигналы на более высоких частотах. К сожалению, эти методы затрудняют проведение точных измерений традиционными внешними приборами.
Процессы производства чипов размером менее 100 нанометров оказывают огромное влияние на параметрические характеристики производительности на уровне устройства до такой степени, что традиционные методы определения характеристик и тестирования часто неэффективны для выявления проблем. Внешние инструменты по углам чипа не могут увидеть изменения по всему чипу. Встроенные или встроенные инструменты могут эффективно отслеживать параметрические характеристики, такие как тепловые условия, проблемы синхронизации, задержки распространения тактовых импульсов, распределение мощности и другие.
Внешние приборы обычно измеряют запасы целостности сигнала только на одной или нескольких высокоскоростных последовательных линиях одновременно. Встроенные инструментальные технологии, такие как Intel IBIST. ^[6] (Встроенное самотестирование Interconnect) позволяет одновременно тестировать и измерять все полосы на всех шинах. Это делает тест более надежным и полным, а также сокращает время, необходимое для проверки системы.
Встроенные приборы могут выполнять процедуры проверки конструкции, тестирования и отладки, которые не могут выполнять внешние технологии проверки и тестирования. Примером этого может служить технология Intel IBIST, которая может нагружать и тем самым тестировать высокоскоростные шины ввода-вывода, выходя далеко за рамки возможностей традиционных методов тестирования, применяемых через операционную систему.

Встроенные инструментальные приложения

Область применения встроенных приборов обширна. На уровне печатных плат двумя наиболее важными приложениями являются проверка конструкции и неинтрузивное тестирование плат.

Проверка конструкции микросхем и печатных плат

Приборы встраиваются в чипы и используются для проверки конструкции печатных плат. В этом виде проверки проекта могут использоваться различные встроенные инструменты, такие как механизмы тестирования частоты ошибок по битам (BERT), BIST) для логических устройств, механизмы ограничения, память BIST, тест памяти, генераторы случайных последовательностей и полный логический анализатор . Эти встроенные инструменты, развернутые в приложениях для проверки проекта, могут работать внутри чипа или через межплатные соединения между кристаллами для проверки производительности и функциональности конструкции печатной платы, прежде чем она перейдет в серийное производство.

Неинтрузивный тест платы

Неинтрузивное тестирование плат (NBT) использует встроенное оборудование для проведения структурных и электрических испытаний печатных плат. Помимо граничного сканирования, другие типы методов NBT включают тест, управляемый процессором (PCT) и тест, управляемый FPGA (FCT). Подробнее об этих методологиях смотрите ниже.

Методологии встроенного инструментирования

Как упоминалось выше, стандарт периферийного сканирования IEEE 1149.1 можно рассматривать как первый инструмент, способствующий внедрению встроенных приборов, и, как таковой, первую методологию встроенных приборов. В дополнение к обеспечению инфраструктуры для доступа к встроенным приборам и их эксплуатации, тесты, использующие инфраструктуру периферийного сканирования, могут применяться к печатным платам для выявления структурных дефектов, таких как короткое замыкание и обрыв. В некоторых других методологиях также применяются тесты, инициируемые встроенными инструментами.

Высокоскоростной ввод-вывод (HSIO). В частности, корпорация Intel разработала технологию встроенных приборов, которую она использует во всех своих передовых процессорах. Это можно использовать для проверки целостности сигнала на высокоскоростных шинах архитектуры Intel® (IA).
Тест, управляемый процессором (PCT): PCT использует порт отладки на большинстве микросхем процессора и запускает процедуры тестирования и диагностики на других элементах печатной платы, таких как устройства и межкристальные шины.
Тестирование под управлением FPGA (FCT). Приборы временно встраиваются в программируемую вентильную матрицу (FPGA) на печатной плате для выполнения тестов FCT. Типы выполняемых тестов будут зависеть от тестовых функций инструментов, встроенных в FPGA. После завершения испытаний встроенные приборы FCT можно удалить и загрузить в FPGA рабочую прошивку.

Ссылки

^ «Ассоциация стандартов IEEE» . IEEE.
^ «Стандартное техническое задание IEEE 1687 IJTAG» . ИИЭЭ . Проверено 1 ноября 2018 г.
^ «Стандарт IEEE 1149.1 пограничного сканирования» . IEEE. Архивировано из оригинала 9 сентября 1999 года . Проверено 12 декабря 2012 г.
^ «Стандарт IEEE 1149.6 пограничного сканирования для современных цифровых сетей» . ИИЭЭ . Проверено 12 декабря 2012 г.
^ «Стандарт IEEE 1687 IJTAG для встраиваемых приборов» (PDF) . Проверено 12 декабря 2012 г.
^ «Взаимодействие Intel IBIST и QuickPath» (PDF) . Проверено 12 декабря 2012 г.

Внешние ссылки

[1] «Ассоциация стандартов IEEE» . IEEE.

[IJTAG_Standard_web_site-2] «Стандартное техническое задание IEEE 1687 IJTAG» . ИИЭЭ . Проверено 1 ноября 2018 г.

[Boundary_Scan_Standard_doc-3] «Стандарт IEEE 1149.1 пограничного сканирования» . IEEE. Архивировано из оригинала 9 сентября 1999 года . Проверено 12 декабря 2012 г.

[4] «Стандарт IEEE 1149.6 пограничного сканирования для современных цифровых сетей» . ИИЭЭ . Проверено 12 декабря 2012 г.

[IJTAG_standard-5] «Стандарт IEEE 1687 IJTAG для встраиваемых приборов» (PDF) . Проверено 12 декабря 2012 г.

[Intel_IBIST-6] «Взаимодействие Intel IBIST и QuickPath» (PDF) . Проверено 12 декабря 2012 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]