Úvod Terminologie, typy defektů, poruch

Úvod Terminologie, typy defektů, poruch Testování a spolehlivost ZS 2011/2012, 1. přednáška Ing. Petr Fišer, Ph.D. Katedra číslicového návrhu Fakulta informačních technologií ČVUT v Praze

MI-TSP-1, ČVUT FIT, © Petr Fišer, 2011

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

1

Osnova předmětu 1. 2. 3. 4.

5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

Úvod, typy defektů, poruch, testování Generování testu pro kombinační obvody Algoritmy pro automatické generování testu (ATPG) Testování sekvenčních obvodů Testovatelný návrh (DFT) DFT pro sekvenční obvody – „scan“ Testování systémů na čipu a NoC Prostředky vestavěné diagnostiky (BIST) 1 Prostředky vestavěné diagnostiky (BIST) 2 Testování pamětí Spolehlivost, spolehlivostní modely Systémy odolné proti poruchám


2

Motivace - proč testovat? Co chceme 

Bezchybný návrh = výstup odpovídá specifikaci, bez chyb návrhářů



Bezchybnou výrobu = nedojde k výrobním chybám



Spolehlivé zařízení = během provozu se nevyskytnou chyby

Co musíme zaplatit     

Větší plocha Nižší taktovací frekvence Pomalejší (a nákladnější) vývoj Pomalejší (a nákladnější) výroba Vyhození pár čipů

Co získáme 

Zisk (yield)


3

Proč testovat? Pravidlo deseti Cena za to (na poruchu)

$1 000,0

$500,0

$100,0

$50,0

$10,0

$1,0

$5,0

$0,5

$0,1 Test čipu

Test desky

Test systému

Záruční oprava

Porucha objevena MI-TSP-1, ČVUT FIT, © Petr Fišer, 2011

4

Proč testovat? Nedokonalý návrh 

Dělají to lidé

Nedokonalá výrobní technologie  

Submikronové procesy, nelze zaručit přesnost Kvantové chování – obtížná konstrukce masek

Stárnutí 

Elektromigrace, mechanické opotřebování

SEU – problémy z vesmíru  

Kosmické záření Začínáme mít problémy jako ve vesmíru


5

Kdy testovat? Základní dva typy: Off-line – zařízení během testu nevykonává svojí funkci     

Testování před zapouzdřením Testování po zapouzdření Testování po osazení desky Testování celého systému před expedicí Pravidelná údržba

On-line – zařízení se testuje během normální operace  



Bezpečnostní kódy (parita, Hammingovy kódy, …) Redundance (duplex, TMR) Kontrolní obvody (checkers)


6

Jak testovat? Základní dva typy: Funkční test    

Testuje se funkce = zařízení dělá to, co má Tj. nejníže na úrovni chyb (errors) Není nutné znát strukturu Je nutné znát chování a mít jej popsané

Strukturní test    

Testuje se, zda se někde nevyskytla porucha Tj. nejníže na úrovni poruch (faults) Není nutné znát chování Je nutné znát strukturu a poruchový model


7

Jak testovat? Funkční test 

Nutné odsimulovat všechny možné situace, které mohou nastat  



tj. např. všechny možné sekvence instrukcí (programy) pro otestování CPU většinou neúnosné

… ale někdy je funkční test kratší, než strukturní 

např. násobičky


8

Jak testovat? Strukturní test 

Znám strukturu    



strukturu CMOS hradla schéma na logické úrovni popis na RTL úrovni …

Mám zvolený poruchový model 

tj. co všechno se může stát 



slabý poruchový model 



zásadní vliv na kvalitu testu malé pokrytí, některé poruchy mohou utéct

příliš silný poruchový model   

tzv. „overtesting“ – testuji poruchy, které nemohou nastat vyhodím čip, který by fungoval správně ztráta zisku (yield loss)


9

Jak testovat? Ostatní – např. IDDQ test 

Vím, že „proražený“ tranzistor způsobí zkrat 



Použitelné pro jakýkoliv obvod 



nárůst proudu nemusím znát strukturu ani funkci

Ale malá citlivost, detekuje velice malé množství poruch 

použitelné pouze jako doplňková technika

1


10

Testování – na jaké úrovni abstrakce? Na úrovni tranzistorů 

IDDQ – pozná se „odpálený“ tranzistor

Na úrovni hradel 

Strukturní testy

Na RTL úrovni  

Funkční testy Bezpečnostní kódy

Na nejvyšší úrovni  

Funkční testy Hlásiče podezřelého chování


11

Testování – na jaké úrovni abstrakce? Anebo na úrovni:      



částí čipu (jádra) celého čipu waferu (více čipů) zapouzdřeného čipu desky systému (celý počítač, letadlo) … (cluster počítačů)


12

Mechanizmus Defekt (defect)

Na fyzikální úrovni

Porucha (fault)

Na logické úrovni

Chyba (error) Selhání (failure) MI-TSP-1, ČVUT FIT, © Petr Fišer, 2011

Reálný projev (špatně sečtená čísla)

Reálný projev (spade počítač)

13

Defekt Defekt = fyzikální událost Na čipu      

Smetí  zkrat mezi vodiči (whisker) Zkrat mezi metalickými vrstvami (hillock) Pasivace prohlubní a trhlin Porušení vrstvy SiO2 v MOS tranzistoru (izolant) Nedokovená propojka Migrace iontů

Na desce    

Rozpojený vodič Špatné leptání – neodleptaná / příliš odleptaná měď Nedokovená propojka Špatné pájení („studeňák“)

V systému 

Vadný konektor


14

Porucha Porucha (fault) = model defektu na logické úrovni Trvalé poruchy (permanent faults)   

trvalá 1 (stuck-at-one), trvalá 0 (stuck-at-zero) zkrat (bridging fault, shorts) zpoždění (delay fault)

Přechodné poruchy (transient faults)   

jednorázové naštvání - SEU (single-event upset) jednorázový přechod - SET (single-event transition) Překlopení bitu v paměti (bit-flip)

Občasné poruchy (intermittent faults)   

Způsobené degradací parametrů Projeví se po delší době, jen občas Často časem přecházejí v trvalé


15

Porucha Porucha (fault) = model defektu na logické úrovni

Defekty

Poruchy

OK

Defekty, které nejsou pokryté poruchovým modelem  nedostatečné otestování  možnost akceptace vadného čipu MI-TSP-1, ČVUT FIT, © Petr Fišer, 2011

Poruchy, které nemohou nastat  „overtesting”  ztráta zisku (vyhodím funkční čipy) 16

Typy poruch Trvalá 1 (stuck-at-one), trvalá 0 (stuck-at-zero) (t0, t1, s-a-0, s-a-1)  Signál je trvale připojen na konstantní 1 nebo 0  Nejběžněji používaný model … i když asi nejméně realistický  

Pokrývá většinu defektů Jednoduchý na testování 



s-a-1 &

Pro každý signál je jedna porucha t0 a jedna t1

… ale dnes již nestačí. Je zapotřebí testovat poruchy zpoždění (delay faults, transition faults)


17

Typy poruch Zkrat (bridging fault, short)   



Propojení dvou vodičů Může způsobit sekvenční chování Chování poruchového obvodu obecně záleží na povaze zkratu Obtížné zjistit, které poruchy mohou nastat 



Možné zkraty lze zjistit až podle finálního rozmístění na čipu

Většinou je detekován s-a modelem

&


18

Typy poruch Poruchy zpoždění (delay faults) 

Signál se propaguje déle, než je očekáváno

Poruchy přechodu (transition faults) 

Přechod 01 nebo 10 trvá déle, než je očekáváno (slow-to-rise, slow-to-fall)

Pro obojí platí:  

Většinou způsobeno zvýšenou rezistancí nebo kapacitou (na hradlech, na spojích) Obtížnější testování, než pro s-a 

Nutné dva vektory pro otestování jedné poruchy



Nutné testování při plné rychlosti („at-speed”)


19

Typy poruch Přechodné poruchy (transient faults) 

Způsobené vnějšími vlivy 

 



Kosmické záření EMC (elektromagnetické rušení) Výkyvy teploty přes únosnou mez

Mohou způsobit náhlé, náhodné a neopakované změny  

Změna hodnoty signálu Změna hodnoty v paměti 



může např. zrekonfigurovat FPGA

Nutnost testování on-line … anebo odolnost proti poruchám


20

Chyba Chyba (error) = obvod se chová špatně Porucha nemusí vyvolat chybu V důsledku trvalých poruch 

Obvod vůbec nefunguje



Výsledek je vždy špatný



Výsledek může být někdy špatný

V důsledku přechodných poruch 

Dočasně špatný výstup



Změna dat v paměti


21

Selhání Selhání (failure) = to, co pocítíme na vlastní kůži Chyba nemusí vyvolat selhání    

  

Vypadne pixel na obrazovce Kalkulačka vypočítá špatný výsledek Spadne počítač Vykolejí vlak Spadne letadlo Odpálí se jaderná hlavice …


Různá závažnost

 Třídy spolehlivosti

22

Literatura Hlavička, J. ‚“Diagnostika a spolehlivost“, ČVUT, 1998. Hlavička, J. ‚“Diagnostika a spolehlivost: cvičení“, ČVUT, 1998. Novák, O., Gramatová, E., Ubar, R. ''Handbook of testing electronic systems''. Publishing House of CTU, 2005.


23

Úvod Terminologie, typy defektů, poruch

Recommend Documents