利用验证框架架构实现实验室现代化

本系列的第一篇技术白皮书现代化实验室方法如何优化流片后验证讲述了为应对日渐复杂的集成电路(IC)设计，降低成本和缩短上市时间，设备功能测试变得越来越重要。IC制造商必须转型使用高度自动化和集成化的验证框架，以推动所有验证活动顺利进行，确保更大限度地提高复用性，加快启动速度，采用高效的测量/测试方法，从而缩短发布到制造(RTM)时间。在本文中，我们将讨论Soliton公司和NI为成功实现这样一个框架而推荐的人员、流程和技术。无缝设备验证工作流程是验证框架的一个重要特性。验证团队主要负责制定设备验证所需的测量方法，并收集各种情况下产生的数据。能否高效利用验证团队的核心测量开发时间至关重要。该框架的各个组成部分都应当促进实现轻松开发在各团队之间共享的可复用测量IP。一个高效的框架必须包括以下几个组成部分： 

图1. 人员、流程和技术相结合，形成一个全面的验证框架

人员

• 多个芯片开发生命周期领域（设计、验证、确认和测试）的人员在产品规范和测量方法方面协同合作
• 访问数据仪表板以跟踪设备验证进度   
• 入门流程简单，提供培训和支持，可以让新验证工程师快速投入工作 

流程

• 工作台设置和管理（安装自动化、工作台复制和仪器使用）   
• 为验证工程师提供交互式调试（设计师熟悉期间）和自动化数据收集功能   
• 开发具备复用和共享功能的测量IP 

技术

• 中央数据湖，用于存储测量数据并与其他垂直行业的数据相关联   
• 提供多种选项供用户选择（Python、LabVIEW、.NET）   
• 硬件抽象功能，可支持不同的仪器类型和型号 

• 我们来深入了解一下验证框架。

  

  图2. 高效验证框架要素的详细视图

配置管理工具将所有框架组件和可复用的模块包存储在一个中央存储库中。该工具可在服务器端管理存储库，同时管理每个实验工作站部署的软件和硬件细节。这样的基础结构大大减少了建立测试台和更新软件花费的时间。

软件部署和更新

您可以使用一个中央服务器将核心框架组件（如可复用的设备通信、可复用的测量IP和仪器驱动）部署至工作站，这些都可以远程完成。如果您要改进测量IP或修复驱动程序的任何错误，只需从中央资源库单击一下，就可以将其更新到所有工作站。您还可以自动复制测试台设置，包括特定设备的测试配置，不用再手动复制所有的源代码并编辑配置，还可避免引入错误。

虽然您可以自己自定义工作站配置管理和软件部署解决方案，但使用市面上的现成工具有助于减轻您的开发和维护负担。例如，NI SystemLink™软件配置模块提供了一个可集中管理测量系统的一站式解决方案，使您可以高效地远程自动更新补丁和代码库。此外，NI SystemLink设备模块可实现从采购到报废对测试资产进行全程实时记录、跟踪、控制和报告，提高了设备利用率和质量合规性。

​当实验室接到流片任务时，验证工程师首先要启动设备并确认所有基本功能可正常运作。这是因为，来到实验室使用设备的不仅仅是验证工程师，还有诸如设计、验证系统和应用等各个不同团队的工程师。这些工程师可能不具备软件或自动化的专业知识，所以框架应该简单、容易上手，可根据客户的应用场景调试并具备相关工具。工程师们有一半以上的时间都用于在实验室中处理这些事项，所以实验室务必要配备易于使用的交互式工具，以实现高效调试。

设备控制（寄存器取数和存数）

IC的设计越来越复杂，每个IC都有大量寄存器库来配置和控制不同功能。例如，DUT使用数字I/O来控制不同的操作。

工程师需要使用选定的控制器或数字波形发生器来开发协议通信API，这要花费几周的时间。通信模块还应该具备仪器数字线路控制功能，以配置设备模式。

基于用户界面的半导体寄存器配置工具有助于通过对I2C、SPI、SPMI、I3C等协议的简单配置建立设备通信。该工具可以帮助了解设备行为，并在自动测量前以交互方式验证测量程序。

其他功能列举如下：

• 将设备的整个寄存器映射（寄存器和字段级信息）导入到直观的GUI中。
• 使用GUI的写入/读取寄存器操作与设备进行通信，并配置设备寄存器，以调试客户的应用场景或设备的基本工作。
• 将读取/写入操作序列记录为一个宏，以便后期用于自动化。 
• 保存设备的寄存器映射快照，用于特定的测量，并在后期的自动化中调用该设置

如果您想实现标准化的设备控制，可以考虑使用现成即用的一站式解决方案，如NI半导体设备控制附加软件，该附加软件可提供直观的交互式设备控制功能，快速扩展至自动化验证。

仪器控制前面板

您可以通过一个简单的用户界面控制测试台仪器，并通过插件架构根据需要添加新的仪器控制前面板。现成即用的框架会提供一些常用仪器，如电源、SMU和示波器，这样就不再需要开发相应软件。这些工具可以帮助您手动为硬件板卡和DUT供电，同时调试硬件和DUT的问题。

仪器配置

在调试过程中，您可以通过这些交互式GUI来配置仪器。将仪器设置存储为配置，然后在测量自动化期间将其加载到仪器上。

例如，借助NI InstrumentStudio™软件，用户可以获得一个集成的仪器配置环境，也可以在这个环境中进行快速的交互式测量，还可以导出配置数据，从而简化自动化的实现途径。

将DUT引脚映射到仪器通道

通常，工程师从DUT的角度来定义测试程序参数。DUT引脚与验证硬件板卡的连接被嵌入到了测量代码中。引脚图工具定义了DUT引脚和验证硬件PCB之间的映射。引脚匹配图工具使得维护测量代码之外的映射信息更加轻松。当仪器和DUT发生变化时，只有映射会改变，代码不会改变。引脚图从核心测量IP中抽象出具体的仪器和DUT细节信息，促进测量IP在不同产品和团队中复用，并且复用过程中无需进行手动编辑。

测量IP/库

验证工程师的核心任务是开发设备所需的测量程序。在开发一个典型测量程序时，他们通常会在测量代码中对输入参数进行硬编码。如果其他工程师或团队要验证一个类似的设备，他们必须复制此代码并自定义测量代码以适应新设备。这个过程涉及大量的代码修改工作，需要进行完整的代码测试，会额外消耗时间、精力和成本。

在理想情况下，该框架可以抽象测量IP开发与输入参数和扫描参数，因此，无论是在同一系列的其他设备中，还是在具有相同芯片IP的不同设备中，都可以实现复用。然后，其他工程师可以在自动化阶段使用可复用的测量IP，在同一设备上运行多个测量，并在不同的测试条件（如温度和输入电源不同）下进行扫描。可复用的测量IP减少了类似设备或产品系列的测量开发/调试时间，节省了时间和成本，缩短了上市时间。

扫描和循环条件

要想实现全面的设备验证，必须要能够应对各种条件下的测量工作，以确保设备的功能符合规范。因此，验证工程师应该在各种工艺、电压和温度(PVT)条件下进行测量，这需要一个灵活强大的自动化框架。验证工程师应该能够配置和即时更改扫描条件，并在不改变任何测量IP代码的情况下高效运行自动化。在这个框架内，您应该能够配置测量必须扫描的参数：

• 轻松配置每个扫描参数的取值范围，既可以单独配置，也可以在嵌套扫描中全面配置
• 根据分布快速生成扫描值，并将条件可视化 
• 自动记录扫描条件和测量数据

当扫描参数从测量模块中抽象出来时，可以开发可复用的测量IP，促进团队之间的协作。

测试序列生成器

测试序列生成器是自动化和数据收集的核心部分。验证工程师的目的是将为DUT开发的测量（来自测量IP库）串连起来，并在各个PVT测试条件下运行测量。验证工程师应该能够快速完成这项工作，而不需要进行大量的软件开发。该框架的测试序列生成器简单易用，培训门槛较低。使用测试序列生成环境可以：

• 使用拖放操作生成测试序列，并快速配置输入。 
• 在调试/互动环境中创建仪器和设备配置。 
• 在集成式扫描条件管理器中配置并保存所有PVT条件。
• 快速运行测试，并在默认的.csv集成数据记录模块中获得数据。 
• 通过多站点测试加速对多个DUT的数据采集。 
• 利用先进的编程语言功能（如循环和语句）自定义开发。

借助NI TestStand测试和测量管理软件，您可以在一个现成即用的标准解决方案中开发、调试和部署测量序列，从而实现开发多线程序列、支持各式编程语言、生成报告并记录到数据库。业界卓越的验证组织不会浪费宝贵的时间和工程资源来开发和维护那些不能提高其产品设计价值的软件解决方案。相反，与NI这样的软件专家合作，团队可以借助一站式测试序列生成器，将更多的时间用于测量IP，分析设备性能，并提供设计反馈。

硬件抽象和测量抽象

通常，验证实验室会在不同的站点或测试台使用不同型号的仪器。在这些情况下，在一个测试台开发的测量代码不能在另一个测试台中复用。每个测试台都有自己的测量代码，因此测试测量非常繁杂细碎，不能复用。 硬件抽象层(HAL)可从测量代码中抽象出仪器信息，从而解决了这个问题。

例如，测试台A可能使用NI SMU来为DUT供电。但测试台B则使用的是一种台式电源。如果没有HAL，每个测试台都需要自定义测量代码来为DUT供电，并且供电序列不可复用。但有了HAL，编写测量程序的人员只需在实现过程中调用顶层父API即可。具体选择怎样的硬件，取决于仪器“引脚匹配图”(Pin Mapping)屏幕上的交互式配置。

图3. 测试序列抽象层

复用测量IP

通过HAL和数字通信开发测量模块，使具体的依赖关系模块化。这些抽象促进了模块化和可复用的测量IP开发，减少了开发和测试工作。

​标准化数据记录仪

由于验证测试要运行数小时甚至数天，所以需要快速捕获和保存测量数据，避免因意外的系统或软件问题导致数据丢失。该框架的标准化数据记录仪在每次循环后会不断地将数据记录到本地.csv文件中，以防止数据丢失。采用这种本地存储方式意味着您可以即时检查数据，更快地进行调试。 

此外，这个数据记录模块还可标记测量时设置的扫描条件(PVT)。因此，当管理人员或设计师审查数据时，所有相关条件都可以和测量数据一起获取。

图4. 使用标准化数据记录仪持续记录测量数据

标准化数据记录仪的优势包括： 

• 交互式启动和测试自动化工作流程中均可使用   
• 测量开发人员可以专注于核心测量IP的开发，而框架会负责记录测量数据   
• 开发人员只需使用框架的数据记录API从测量模块传输测量数据，框架会自动标记所有条件与测量数据   
• 您可以将标准数据加载到所选择的分析工具中进行审查   
• 通过灵活的插件架构，您可以添加存储格式而不影响核心测量模块 

集中式存储和分析

命名规范是数据分析过程面临的最大挑战之一：这是因为验证工程师会使用他们选择的名称来开发记录功能和测量代码，而不同设备会对每个名称采用独特的数据审查和分析方法。有了结构化和标准化的数据记录格式，您可以快速实现数据可视化，从而缩短调试时间。  

数据记录框架支持逗号分隔值(CSV)、Excel、TDM流和标准测试数据格式。CSV数据记录可以是宽格式或高格式： 

• 在宽格式中，每列代表一个参数，每行代表一个测量值。   
• 在高格式中，所有的测量值都被记录在三个列中：测试名称、参数名称和参数值。 

带有元测量数据标签的标准化格式提高了数据记录的效率，有助于快速绘制数据以实现可视化。在整个验证生命周期中，都务必要确保能够方便地访问集中的验证数据存储、规范信息和验证数据，这一点非常重要。中央数据库是开发工具的关键，例如以下工具： 

• 规范符合性报表自动生成工具（将设备测量参数与关键设计参数进行比较）   
• 数据关联工具，用于比较设计验证与芯片验证数据

如果您有兴趣评估验证框架架构可能对您实验室产生的影响，可以考虑NI和Soliton公司，我们拥有几十年的合作经验，能够帮助半导体客户提高工作效率，缩短产品上市时间。Soliton公司拥有100多名LabVIEW和TestStand工程师，赢得了20多个NI技术奖项，能够提供独树一帜的工程服务，为NI的各种产品和解决方案锦上添花。作为NI现代化实验室、STS和SystemLink™软件的半导体专业合作伙伴，Soliton公司专为流片后验证开发专用平台解决方案，这些方案可以通过强大的工具和标准化技术大幅提高工程效率。 

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