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赛普拉斯如何将Post-Silicon特性分析时间缩短至少60%

  2020年08月31日  

  赛普拉斯为了缩短SoC产品的特性分析时间,采用了NI PXI源测量单元,PXI矩阵开关模块和FlexRIO模块开发了一个类似ATE级的特性分析Bench平台,称为CyMatrix。一起看下如何赛普拉斯如何玩转测试

  4倍并行性大幅缩短了特性分析所需的时间,这让我们能够更快地识别和修复漏洞。新的特性分析系统直接将我们的特性分析时间缩短了60%以上。

——Vinodh J Rakesh,赛普拉斯半导体技术印度私人有限公司

  赛普拉斯半导体公司(NASDAQ:CY)是先进的嵌入式系统解决方案领导者,为汽车、工业、家庭自动化、消费电子和医疗产品等最具创新性的应用领域提供解决方案。我们的微控制器和连接部门(MCD)主要负责提供高性能微控制器单元(MCU)、模拟、无线和有线连接解决方案。产品包括Traveo™汽车MCU、PSoC®可编程MCU和搭载ARM®Cortex®-M4/M3/M0+/R4CPU的通用MCU、模拟PMIC电源管理IC、CapSense®电容感应控制器、TrueTouch®触摸屏、Wi-Fi®、Bluetooth®、低功耗蓝牙和ZigBee®解决方案。
  
  此外还提供一系列USB控制器及符合USB-C和USB供电(PD)标准的解决方案。MCD在2017财年创下了约14亿美元的营收,同时服务于众多知名汽车企业,如Continental、Denso、Visteon、Toyota和BMW。

产品上市时间压力迫切要求提高芯片特性分析效率

  大约在2011年,由于移动触摸屏市场的产品上市时间压力和客户需求的不断增加,赛普拉斯采用了基于IP的全新设计方法,大大缩短了产品开发周期。这种方法减少了流片耗费的时间,并降低了流片后的First Silicon验证中发现的漏洞数量。因此,新产品的推出速度和数量突然激增。但问题来了,虽然设计团队能够设计出更多产品,但是特性分析团队却无法快速地对所有产品进行特性分析。

  赛普拉斯的特性分析团队负责在量产之前测试整个PVT的性能参数。平均每个产品有大约400个性能参数。为了确保产品适合投入量产,我们需要在6-50个数量不等的DUT上逐一测量这400个性能参数。

  为了满足客户进度要求,我们必须在4到8周的时间内(视产品的复杂程度而定)完成从芯片提供到产品全面特性分析的整体流程。否则,我们就将面临产品推迟发布的风险,从而有可能导致客户流失和数百万美元的业务损失。我们的业务目标是在市场上占据龙头的地位,因此,提高Bench的特性分析效率刻不容缓。

通过提高工作台特性分析系统的并行性、自动化程度和标准化程度,实现特性分析效率的跃升

  特性分析团队探索了三种方法,以期实现更高的效率:(1)提高并行性,(2)提高自动化程度,(3)提高代码复用比例和标准化程度。

  传统的Bench特性分析系统只能以50%的自动化程度对一个DUT进行分析,分析能力十分有限,因此我们必须采用并行特性分析来提高效率。并行的主要思路是为每个DUT提供专用设备或者至少使用数量充足的设备,并且结合基于开关矩阵的MUX(多路复用)技术。最终,我们达到90%以上的自动化程度。

  如果要对一个典型的PSoC 进行特性分析,我们需要对64个数字Pin和4个电源Pin上进行电流/电压/时序等测量。为了完成这样的测试要求,单个芯片需要68个测量通道,考虑到4倍并行性的要求,我们总共需要272个测量通道。传统的生产车间自动化测试设备(ATE)提供的通道数可以达到这个标准,但它们经常无法满足Bench特性分析所需的精度。此外,在Bench中复现ATE架构的成本非常高昂,并且并不是所有68个Pin都需要同时进行测量。

  经过详细研究之前所有测试用例,我们发现最多需要同时使测量4个数字Pin和4个电源Pin,考虑到4倍并行性的要求,我们一次需要测量32个Pin。因此,我们仅用32路通道的高精度SMU进行分时测量就可以满足我们整个特性分析系统的要求。这些SMU采用了开关矩阵布局,我们采用了两个NI PXIe-2532(512交叉点)矩阵开关模块实现了在4个待测DUT的所有272个Pin的分时多路复用。基于LabVIEW的特性分析程序在运行时会根据测试要求在DUT引脚和SMU通道之间建立必要的连接。架构框图如图1所示。

  尽管采用了基于开关矩阵的多路复用,但完整的Bench特性分析系统仍需要具有32路通道的SMU。我们排除了传统的台式SMU,因为它们占用空间太大并需要进行额外的布线。我们最终选择了NI的PXI 4通道的SMU,通过将8块NI SMU组合来满足32路的测试要求。

  某些产品(例如Traveo II汽车MCU)还可以充当多个协议的主设备,如DDR HSSPI、Hyperbus、SPI和SDHC。因此,这些DUT的特性分析过程还会涉及源同步测量。在同步测量中,DUT(主设备)需要提供时钟信号,并与外部的测试仪器(从设备)进行时钟同步和数据交换。该测量还包括从设备在 protocol aware(协议感知)的情况下,以约100皮秒的分辨率对数据进行shmoo分析。然而,传统的Pattern Generator、高速数字接口和一些ATE对外部时钟的响应都不尽如人意。而且,一般的从设备没对与时钟相关的数据进行shmoo分析的能力,并且需要借助复杂的外部分立组件(例如模拟数字信号转换器)来确保主设备和从设备之间电压兼容性,这样非常容易导致系统级问题。

  为了避免使用实际从设备导致的此类问题,NI改为使用搭载可编程FPGA的NI PXI FlexRIO产品系列来模拟从设备功能。FlexRIO设备还能够实现可编程延迟,精细延迟的分辨率约为40皮秒,粗略延迟的分辨率约为120皮秒。带模拟前端的FlexRIO模块可实现DUT与从设备之间的模拟数字信号转换器的功能。同时,NI的数字Pattern仪器也可原生支持Shmoo功能,快速进行特性分析 (目前,NI 更推荐使用 PXIe-6570和PXIe-6571进行时序和Shmoo分析)。

  从Single-Site特性分析到Multi-site并行特性分析的转变给我们带来了诸多益处,我们在班加罗尔、西雅图和科罗拉多的工程团队很快开始广泛采用这种Multi-site平台。此前,每个中心都使用不同的仪器系统,并各自开发和维护自己的代码库。这种方式大大限制了代码的复用,而且有时还会因为自动化程序、特性分析板以及仪器驱动没有进行标准化,导致不同地区团队之间很难进行代码复用。因此,我们必须快速实现系统的软件层标准化。

  为了解决这个问题,Cypress与Soliton开发了一个基于面向对象编程(LabVIEW OOP)概念的框架,该框架在构建整个特性分析自动化程序的设备驱动之上,提供了一个抽象层。不同的工程师可以在Excel电子表格中直接编辑单个测试项目,来实现在不同厂商的仪器之间进行无缝切换而无需了解具体的仪器层的驱动,大大加快了开发速度。

图2.从原来使用6台独立台式仪器的工作台系统转变为使用34台仪器的标准化CyMatrix系统

提高特性分析效率,为组织带来更高效益

  4倍并行性大幅缩短了特性分析所需的时间,这让我们能够更快地识别和修复漏洞。新的特性分析系统直接将我们的特性分析时间缩短了60%以上。与之前的10周耗时相比,中等复杂度的产品的特性分析过程现在只需不到4周。而高复杂度产品的特性分析时间也从20周或更长时间缩短到了8周以内。

  自2011年以来,我们特性分析团队的员工人数没有太大变化。实现自动化之前,他们一年内仅能对一两种产品进行特性分析,而现在他们一年内就可对超过5种产品进行特性分析。标准化和代码复用帮助我们减少了新芯片的准备工作,避免了漏洞,而且提高了特性分析系统的整体可靠性。虽然不同地区的工程师和团队在不同时区下对产品进行特性分析,但一个Bench报告的漏洞很容易第二天在其他地方复现。而这恰好佐证了标准化是如何帮助我们工程师提高生产率的,他们可以将更多的时间投入到漏洞的故障分析而不是重现漏洞上。

  因为在不影响灵活性的情况下实现了标准化和自动化,所以我们现在能够使用同一框架开展所有调试活动。我们还移除了所有专用的调试设备,并重复利用这些仪器来搭建更多的特性分析系统。此外,我们还对此特性分析平台进行了调整,帮助其他团队对一些测试芯片和存储器产品进行特性分析,这些产品的架构与SoC产品迥然不同。

  “使用CyMatrix实现特性分析工作台的标准化,可帮助身处不同位置的开发团队快速重现特性分析中心发现的问题。这大大缩短了我们的调试周期和产品上市所需的时间。”赛普拉斯半导体公司MCD高级副总裁AaronE。Gordon表示。他还补充道:“我们使用标准化和自动化的设备和设置,将特性分析转移到类似于制造行业的流程中,同时提高并行性来减少分析时间,从而大大缩短了‘流片—样品—量产’的周期。”

  赛普拉斯半导体公司产品工程总监Bjarni Benjaminsson表示:“CyMatrix平台让赛普拉斯的特性分析得以采用标准化方式执行,并实现了高并行性。这是一个完全自动化的特性分析环境,在缩短赛普拉斯新产品的整体开发周期中发挥了关键作用。如果要在后期重新回顾相关数据,这一平台的自动化特点还可保证产品特性分析数据的可复现性。”

  赛普拉斯半导体公司科罗拉多分公司电气设计工程师Juan Rivera称:“CyMatrix系统是赛普拉斯科罗拉多分公司的绝佳助力。它不仅改进了我们对新产品进行特性分析的方式,而且还大大缩短了周期。”

  受MCD特性分析平台成功的启发,其他部门的另外两个团队也搭建了具有相似概念的平台,其中一个团队在印度负责高性能时钟序产品的特性分析,另一个团队则是在日本负责PMIC产品的特性分析。

  我们也确信未来在业务需求的驱动下,类似的特性分析系统将会部署到其他赛普拉斯地区团队。我们在芯片特性分析方面获得的显著优势和高效率就是证明,这也意味着我们为实现测试程序标准化以及高度自动化的Multi-site并行系统所付出的全部努力得到了回报。我们对该特性分析平台的可扩展性也非常有信心,并希望将来也能够将其应用到晶圆级测试中。

图3.赛普拉斯班加罗尔的4站点自动化特性分析系统

标签:NI 恩艾我要反馈
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