Техническая диагностика цифровых устройств

Весьма характерным индикатором, указывающим на совершенное отсутствие электроники как дисциплины вообще и цифровой электроники — частности, является определение понятия «техническая диагностика» в Википедии, которая утверждает, что «в зависимости от технических средств и диагностических параметров, которые используют при проведении диагностирования, можно составить следующий неполный список методов диагностирования: органолептические методы, вибрационные, акустические, тепловыеѕ». При всем моем уважении к приведенным методам технической диагностики единственными ободряющими словами в определении Википедии мне показались слова «неполный список». В списке разделов указанной выставки мы также не находим ничего, что хоть как-то было бы связано с технической диагностикой и неразрушающим контролем дефектов в электронике, что, в самом деле, теснейшим образом связано с разработкой, производством, тестированием и отладкой микросхем, плат, узлов и систем всюду в мире.

В советской электронике, между тем, техническая диагностика была энергично развивавшимся направлением, в рамках которого работало множество предприятий, университетов и отдельных исследователей, среди которых встречались весьма незаурядные личности. Многим из тех, кто имел отношение к этому направлению исследований и эффективных практических разработок, памятен, например, учебник [1], который длительное время был для специалистов буквально настольной книгой. Именно название этой замечательной книги, по которой все мы учились, я процитировал в заглавии нынешней колонки, ни в малейшей степени не претендуя на то, чтобы даже приблизиться к уровню этой книги, но лишь для того, чтобы вкратце обратить внимание на современные технологии технической диагностики цифровых устройств, которые не только давно и успешно существуют, но в последнее время находятся в фазе немыслимого прежде стремительного развития.

Лучшим современным средством для выполнения диагностического анализа структурных (не функциональных) дефектов цифровых и частично аналоговых устройств последние 20 лет были и остаются технологии JTAG, известные также под названием «граничное сканирование» [2]. Начальная версия этих технологий в стандарте IEEE 1149.1 ставила перед собой весьма скромные цели — предложить решение для тестирования ПП с ограниченным доступом в сочетании с методами контактного доступа типа ICT. Однако очень быстро диапазон применений технологий JTAG расширился настолько, что отцы-основатели этого стандарта вряд ли могли себе это представить.

Успешно продолжающаяся разработка новых стандартов и технологий JTAG, которые мы постоянно обсуждаем в этой колонке, вызвана неуклонно усложняющимися проблемами тестирования многослойных ПП и многоуровневых СБИС. Наряду с цифровым JTAG-стандартом IEEE 1149.1 и его весьма популярным расширением на дифференциальные LVDS-цепи (IEEE 1149.6 [3]) существует его аналоговое расширение (IEEE 1149.4), не получившее пока заметного применения, а также совсем недавно вышедший JTAG-стандарт IEEE 1149.7 [4]. Проблемы тестирования ЗУ в технологии JTAG стимулировали разработку нового стандарта IEEE P1581, а усложнение систем и необходимость их тестового JTAGобслуживания вызвали начало разработки системных расширений технологии JTAG для тестирования совокупностей ПП, объединяемых системными или кросс-платами.

Далеко не все проблемы технической диагностики цифровых устройств к настоящему времени решены, и не для каждой из них можно даже очертить контуры возможных решений, которые вследствие взрывообразного развития самих цифровых устройств постоянно сдвигаются и размываются.

Задачи технической диагностики цифровых устройств, с успехом решаемые в настоящее время при помощи JTAG-технологий, можно систематизировать следующим образом.

1. Техническая диагностика отдельных ИС при их производстве и эксплуатации:
   • Верификация правильности разработки и функционирования СБИС при наличии JTAG-доступа к отдельным внутренним IP и инструментам ИС; обеспечение унифицированных средств такого доступа является, в сущности, задачей разрабатываемого в настоящее время стандарта Р1687 [5].
   • Структурное тестирование связей между встроенными модулями ИС при помощи JTAG-оболочек совместно с другими DFT-структурами, такими как внутренние цепочки сканирования и механизмы встроенного тестирования; аппаратные и алгоритмические возможности такого тестирования определяются уже существующим стандартом IEEE 1500.
   • Эмуляция микропроцессоров для их функционального тестирования, управляемая по JTAG-каналам; такое тестирование определяется существующим стандартом IEEE 5001, известным также как Nexus 5001.
2. Техническая диагностика отдельных ПП при их производстве и эксплуатации:
   • Диагностика неисправностей монтажа ПП, включающая обнаружение дефектов монтажа ИС-JTAG и связей между ними.
   • Диагностика неисправностей монтажа ПП, включающая обнаружение дефектов монтажа других ИС, не поддерживающих JTAG (элементы памяти, кластерные структуры), и дефектов связей между ними [6].
   • Внутрисхемное программирование конфигурируемых элементов, таких как ПЛМ, FPGA, ЭСППЗУ, I²C, а также прожиг ИС флэш-памяти [7].
3. Техническая диагностика cовокупностей ПП и узлов при их сборке и эксплуатации, в предположении, что отдельные или все ПП снабжены JTAG-цепочками и к каждой из них имеется либо непосредственный доступ, либо доступ с объединяющей платы посредством той или иной схемы коммутации:
   • Диагностика наличия или отсутствия ПП в разъеме кросс-платы с помощью адресных идентификаторов разъемов.
   • Диагностика неисправностей соединения ПП с разъемом кросс-платы.
   • Диагностика неисправностей в связях между отдельными ПП через кроссплату.
   • Управление схемами самотестирования на отдельных ПП, собранных в узел, то есть запуск программ самотестирования и диагностика неисправностей по результатам прогона теста.

Проблемы диагностирования неисправностей, в решении которых JTAG-технологии малоэффективны или вовсе неприменимы, а также типы неисправностей, которые невозможно обнаружить этими методами, сводятся в основном к функциональным неисправностям любого уровня — в ИС, ПП или узлах. В той же форме сравнения, что и выше, такие проблемы можно систематизировать следующим образом.

1. Техническая диагностика отдельных ИС при их производстве и эксплуатации:
   Диагностика функциональных неисправностей, как цифровых, так и аналоговых, при помощи JTAG-технологий невыполнима, хотя JTAG-каналы широко используются для доступа к внутренним высокоскоростным цепям ИС и манипулирования ими. Примером такого подхода может служить весьма успешная методика IBIST фирмы Intel [8].
2. Техническая диагностика отдельных ПП при их производстве и эксплуатации, а также совокупностей ПП и узлов при их сборке и эксплуатации:
   • Невозможно обнаружение никаких дефектов монтажа, связанных с элементами, не имеющими JTAG-поддержки, цифровыми или аналоговыми, а также диагностика дефектов связей между ними.
   • Невозможно выполнение никаких функциональных тестов или тестов, направленных на обнаружение неисправностей, являющихся той или иной функцией времени.
   • Невозможно выполнение никаких тестов, направленных на обнаружение таких дефектов шин данных, например шины PCI, как дрожание фазы (jitter), паразитные связи (crosstalk), интерференция и т. д.

Задачи технической диагностики, решаемые в рамках JTAG-технологий, относятся, в первую очередь, к обнаружению структурных, а не функциональных неисправностей. При этом мы обычно исходим из предположения, что в результате тестопригодного проектирования имеется доступ к возможным местам возникновения этих неисправностей посредством того или иного JTAG-регистра, если речь идет о тестировании на уровне отдельных плат или систем, или посредством так называемой JTAG-оболочки, если речь идет о тестировании на уровне ядер ИС. Несомненно, что новые JTAG-технологии [5] и определяемые ими схемные структуры откроют новые области покрытия неисправностей, недостижимые сегодня. Маловероятно, тем не менее, что неисправности, проявляющиеся в высокоскоростных схемах тестирования передачи данных, можно будет обнаружить в рамках того или иного JTAG-тестирования.

Выбор стратегии тестирования и диагностики дефектов является непростой задачей для контрактных производителей современных плат высокой сложности. Эффективность стратегии тестирования может оказаться ключевым фактором при выборе технической политики компании при ее естественном стремлении к понижению стоимости выпускаемых ПП. Производство сложных современных ПП обуславливает следующие проблемы диагностики дефектов монтажа:

• значительное ограничение возможностей визуального контроля качества монтажа, в частности, в связи с широким применением BGA-корпусов;
• почти полное отсутствие возможностей физического доступа к узлам и контактам ПП из-за недостатка места с обеих сторон ПП, ограничивающее применение внутрисхемного тестирования ICT;
• недостаточная тестопригодность ПП, сужающая уровень тестового покрытия в технологиях JTAG даже при наличии соответствующих программно-аппаратных средств;
• высокая стоимость ручных работ квалифицированных инженеров при неавтоматизированном поиске дефектов монтажа и отладке ПП, а также значительные временные затраты;
• высокая стоимость производства игольчатых адаптеров для ICT;
• усложненная диагностика неисправностей при внутрисхемном (ICT) и функциональном тестировании (ФТ).

Существенным фактором успеха компаний в условиях жесткой конкуренции является максимально полное использование имеющихся в их распоряжении (или доступных им тем или иным способом) средств тестирования и сбалансированное пополнение парка этих средств. Спектр средств и методов тестирования и диагностики включает в себя, как известно, осциллографы и логические анализаторы, эмуляторы и анализаторы протоколов, тестеры ICT и JTAG-тестеры, рентгеновские установки (AXI), автоматический визуальный контроль (AOI) и тестеры с «летающими» щупами (FPT).

Кроме того, для почти всех ПП традиционно и широко используется ФТ. Совсем непросто сформулировать критерии выбора тех или иных средств и стратегий технической диагностики. Статистика утверждает, что от 80 до 90% дефектов в сложных современных ПП — это дефекты монтажа, для их диагностики необходимо проводить структурное тестирование.

Тестеры AOI и AXI вполне эффективны для обнаружения некоторых, но не всех, дефектов монтажа до запитывания тестируемой ПП и не требуют специальных адаптеров для их применения. Тестеры ICT исключительно эффективны практически во всех случаях и почти для любых ПП, но при ограниченном бюджете тестирования может быть целесообразной их замена на совместное применение тестеров AOI, JTAG и ФТ.

Факторы, которые обычно принимаются во внимание при выборе того или иного типа тестера, это:

• размеры капитальных вложений в связи с приобретением тестера;
• стоимость разработки и поддержки тестовых и диагностических программ;
• производительность тестера (в условиях массового производства);
• уровень покрытия неисправностей;
• диагностические возможности поиска дефектов.

Любая действующая стратегия тестирования и диагностики совмещает, в тех или иных сочетаниях, структурное тестирование (ICT, JTAG, AOI, AXI, FPT) с функциональным тестированием. ФТ обнаруживает неисправности платы, если они существуют, но затраты на разработку и проведение такого теста обычно значительны, а диагностика неисправностей монтажа, обеспечиваемая ФТ, не слишком эффективна, поэтому без предварительной сортировки на тестерах JTAG, AOI и AXI функциональное тестирование ПП далеко не всегда оправдано. Диагностика в структурном тестировании обычно намного более детальна, а полнота покрытия неисправностей заметно выше. Желание получить почти 100%-ное покрытие дефектов вполне реально, хотя на практике уровень покрытия неисправностей — это компромисс между рядом факторов, основные из которых — стоимость тестопригодного проектирования ПП, время и стоимость разработки теста, время и затраты на прогон теста и выполнение диагностических процедур.

Никакая из технологий структурного тестирования не обеспечивает 100%-ного покрытия дефектов монтажа сама по себе и для любых схем, поэтому те или иные комбинации разных технологий призваны обеспечить приемлемый уровень диагностики дефектов для тех схем и для тех типов неисправностей, в которых они максимально эффективны. JTAG-тест, например, незаменим для обнаружения коротких замыканий во внутренних цепях ПП и покрывает эти весьма актуальные неисправности монтажа куда лучше прочих методов. Еще в большей степени JTAG-тест пригоден для обнаружения обрывов или «холодной пайки», когда места этих дефектов, особенно под корпусами BGA, не локализуемы ни визуально (AOI), ни рентгенконтролем (AXI), ни на тестерах ICT или FPT. Характер монтируемых ПП и возникающих при их монтаже неисправностей различен для разных линий сборки и разных контрактных производителей ПП. Цель оптимизации стратегии тестирования и диагностики неисправностей для каждой отдельной линии — это получение максимально эффективного совокупного теста, гарантирующего высокое качество сборки ПП при условии приемлемых затрат.

Как и в прочих подобных случаях, получение профессиональной консультации у экспертов, обладающих достаточным опытом и целостным взглядом на процессы производства ПП — от разработки их схем до тестирования и диагностики результатов их монтажа, зачастую оказывается наиболее оправданной инвестицией.