System-on-chip testing

Abstract

We already live in the era of Internet of Things. The common devices we use daily are connected together and are getting "smarter" rapidly. In every device belonging in IoT, there is an SoC. In order to satisfy the continuous increased requirements of the new era, SoCs are constantly evolving. 3D-ICs is a promising solution to satisfy the demands of the new era and seem to secure the continuation of Moore's Law for the near future. 3D-ICs achieve higher packing density and higher performance than 2D-ICs and reduce the cost of wiring and power consumption. Recently, the semiconductor companies released products based on 3D-ICs. This research focuses in the development of new TAM architectures and test-scheduling methods for 3D-SoCs, which exploit the high speed offered by TSVs, while power and thermal constraints are met. We introduce a new TAM architecture for 3D SoCs, which minimizes the test-time, the number of TSVs, and TAM lines used for transferring test-data to the cores. The test schedule is calculated by a very effective TDM method, and a highly efficient optimization method based on rectangle-packing and simulated-annealing. Experiments have shown that as much as 9.6x better test time can be achieved using the proposed method, especially under strict power and thermal constraints. The previous method is compatible only with bus-based TAMs, which require long interconnection wires and many buffers at each die of the stack, therefore they fail to fully exploit the high frequencies of the global channels. In order to overcome the limitations of the previous method, we propose a new TDM-based 3D TAM architecture, which uses daisy-chains and offers higher test-time benefits and significantly lower interconnection overhead. This research also focuses in the improvement of the defect screening of processor-based devices. The continually increasing demands of the market for higher computational performance at lower cost and power consumption drive processor vendors to develop new microprocessor generations, which introduce new challenges on processor-based device testing. The need to test the processor-based devices at the normal mode of operation, impose the complementary use of non-intrusive test methods, such as SBST. Most SBST techniques often target only the stuck-at fault model, which is inadequate for detecting many defects. SBST methods also require extensive human intervention and long development times. Moreover, they involve the CPU-intensive process of fault-simulating multi-million gate designs for multi-million clock cycles using multiple fault models and specialized functional (non-scan) simulators. We introduce the first fault-independent SBST method, which offers short test-program generation time under strict test-application-time and test-program-size constraints. The test-programs are evaluated by means of a novel and very effective SBST-oriented probabilistic metric, which considers both the architectural model and the synthesized gate-level netlist of the DUT. The proposed metric, which is based on output deviations, can be calculated very quickly as it omits the time-consuming functional fault-simulation, and it can be applied to any SBST-based method.

Διανύουμε ήδη την εποχή του "Ίντερνετ των Πραγμάτων". Οι κοινές συσκευές που χρησιμοποιούμε καθημερινά, συνδέονται μεταξύ τους και γίνονται "εξυπνότερες" με ραγδαίους ρυθμούς. Σε κάθε τέτοια συσκευή βρίσκεται ένα Σύστημα σε Ολοκληρωμένο (Systems-On-Chip ή SoC). Το SoC εξελίσσεται συνεχώς, για να ικανοποιηθούν οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις της νέας εποχής. Τα τρι-διάστατα ολοκληρωμένα κυκλώματα (three-dimensional integrated circuits - 3D-ICs) είναι μια υποσχόμενη λύση για να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις τις νέας εποχής και φαίνεται να εξασφαλίζουν τη συνέχιση του Νόμου του Moore στο άμεσο μέλλον. Τα 3D-ICs πετυχαίνουν υψηλότερη πυκνότητα πυλών και καλύτερη απόδοση από τα συμβατικά SoC και μειώνουν το κόστος διασύνδεσης και κατανάλωσης. Πρόσφατα, οι κατασκευαστικές εταιρείες ολοκληρωμένων συστημάτων κυκλοφόρησαν προϊόντα βασισμένα σε 3D-ICs. Η έρευνα αυτή εστιάζει στην ανάπτυξη νέων αρχιτεκτονικών μηχανισμού πρόσβασης ελέγχου (Test Access Mechanisms - TAMs) και νέων μεθόδων χρονοπρογραμματισμού ελέγχου ορθής λειτουργίας για 3D-SoCs, οι οποίες εκμεταλλεύονται την υψηλή ταχύτητα που προσφέρουν οι ειδικές κάθετες διασυνδέσεις μέσω-πυριτίου (Through Silicon Vias - TSVs), ενώ η κατανάλωση ισχύος και η θερμότητα πρέπει να διατηρηθούν κάτω από ορισμένα επίπεδα. Εισάγουμε μία νέα αρχιτεκτονική TAM για 3D SoCs, η οποία ελαχιστοποιεί το χρόνο ελέγχου ορθής λειτουργίας, το πλήθος των TSVs και τις γραμμές της αρχιτεκτονικής TAM που χρησιμοποιούνται για να μεταφερθούν τα δεδομένα ελέγχου. Ο χρονοπρογραμματισμός του ελέγχου ορθής λειτουργίας υπολογίζεται από μία αποδοτική μέθοδο χρονικής πολυπλεξίας και μία πολύ αποδοτική μέθοδο βελτιστοποίησης που βασίζεται στους αλγορίθμους rectangle-packing και simulated-annealing. Πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν έως και 9.6 φορές εξοικονόμηση στο χρόνο ελέγχου με την προτεινόμενη μέθοδο, ειδικά κάτω από αυστηρά όρια για την κατανάλωση ισχύος και τη θερμότητα. Η προηγούμενη μέθοδος είναι συμβατή μόνο με TAMs που βασίζονται σε αρτηρίες (buses), οι οποίες απαιτούν διασυνδέσεις μεγάλου μήκους και πολλά buffers σε κάθε επίπεδο του 3D-IC, επομένως δεν καταφέρνουν να εκμεταλλευτούν πλήρως τις υψηλές συχνότητες των TSVs. Προτείνουμε μία νέα αρχιτεκτονική TAM βασισμένη στη χρονική πολυπλεξία, που χρησιμοποιεί σειριακές αλυσίδες (daisy-chains) για να ξεπεράσουμε τους περιορισμούς της προηγούμενης μεθόδου. Η μέθοδος αυτή προσφέρει μεγαλύτερα κέρδη όσον αφορά το χρόνο ελέγχου ορθής λειτουργίας και το κόστος διασύνδεσης. Η έρευνα αυτή εστιάζει στη βελτίωση ανίχνευσης σφαλμάτων συσκευών βασιζόμενων σε επεξεργαστή. Οι ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις της αγοράς για υψηλότερη υπολογιστική απόδοση σε μικρότερο κόστος και χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος, οδηγεί τους κατασκευαστές στην ανάπτυξη νέων μικροεπεξεργαστών, που εισάγουν νέες προκλήσεις στον έλεγχο συσκευών βασιζόμενων σε επεξεργαστή. Η ανάγκη ελέγχου των συσκευών αυτών κατά τη διάρκεια της κανονικής τους λειτουργίας, επιβάλλουν τη συμπληρωματική χρήση μεθόδων ελέγχου που δεν επηρεάζουν τη λειτουργία, όπως ο «αυτοέλεγχος βασισμένος σε λογισμικό» (Software-Based Self-Test - SBST). Οι περισσότερες τεχνικές SBST στοχεύουν μόνο το μοντέλο σφαλμάτων stuck-at, που δεν αρκεί για την ανίχνευση πολλών σφαλμάτων. Επίσης, οι τεχνικές SBST απαιτούν εκτενή ανθρώπινη ενασχόληση με μεγάλους χρόνους ανάπτυξης των προγραμμάτων ελέγχου. Επιπλέον, περιλαμβάνουν την κοστοβόρα, από άποψη υπολογιστική ισχύος, εξομοίωση σφαλμάτων SoCs με εκατομμύρια πύλες για εκατομμύρια κύκλους ρολογιού, χρησιμοποιώντας πολλαπλά μοντέλα σφαλμάτων και εξειδικευμένους λειτουργικούς εξομοιωτές. Εισάγουμε την πρώτη μέθοδο που δεν μεροληπτεί υπέρ κάποιου συγκεκριμένου μοντέλου σφαλμάτων. Η μέθοδος αυτή προσφέρει σύντομο χρόνο δημιουργίας προγραμμάτων ελέγχου, υπό αυστηρό περιορισμό στο χρόνο ελέγχου ορθής λειτουργίας και στο μέγεθος των προγραμμάτων ελέγχου. Τα προγράμματα ελέγχου αξιολογούνται από μία νέα αποδοτική πιθανοτική μέθοδο SBST, εκμεταλλευόμενη την αρχιτεκτονική του επεξεργαστή, καθώς και τη netlist του επεξεργαστή σε επίπεδο πυλών που έχει προκύψει από σύνθεση. Η προτεινόμενη μετρική που βασίζεται στα output deviations είναι πολύ γρήγορη καθώς δεν απαιτεί τη χρονοβόρα διαδικασία της εξομοίωσης σφαλμάτων και μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιαδήποτε μέθοδο που βασίζεται στην τεχνική SBST.