透過驗證架構將您的實驗室現代化
綜覽
內容
高效率驗證架構的要素
這個系列的第一篇技術文章「現代化實驗室方法如何最佳化矽後驗證」(How a Modern Lab Approach Optimizes Post-Silicon Validation) 探討了，為了因應日益複雜的積體電路 (IC) 設計，以及對成本降低與上市時程縮短的要求，裝置功能測試如何變得越來越重要。IC 製造商必須改用高度自動化且充分整合的驗證架構，才能推動所有驗證工作順利進行，確保重複使用性最大化並加速上線時間，同時運用高效率的量測/測試方法，加快發布到製造 (RTM) 的所需時間。在本文中，我們將探討 Soliton 與 NI 對於成功實現此一架構所推薦的人員、流程與技術。驗證架構的主要特性之一，就是流暢的裝置驗證工作流程。驗證團隊的主要工作是開發裝置驗證所需的量測方法，並收集各種條件下的資料。能否有效運用驗證團隊的核心量測開發時間，就至關重要。這個架構的不同元件，都應該能讓他們輕鬆開發可重複使用的量測 IP，並分享給不同團隊。高度有效率的架構必須包含下列元件：
人員
- 針對不同規格與量測方法，在多元矽開發生命週期領域 (設計、驗證、檢驗與測試) 中相互合作
- 存取資料控制介面以追蹤裝置驗證進度
- 包含訓練與支援的簡易入職流程，讓新進的驗證工程師快速上手、投入工作
流程
- 平台設定與管理 (安裝自動化、平台複製，以及儀器運用)
- 為驗證工程師提供互動式除錯 (設計人員熟悉流程期間) 以及自動化資料收集功能
- 開發具備重複使用與分享功能的量測 IP
技術
- 集中資料湖可用於儲存量測資料，以及與其他垂直市場的資料產生關聯
- 多種使用者偏好選項 (Python、LabVIEW、.NET)
- 硬體抽象化功能，可支援不同的儀器類型與模型
現在我們來深入探索一下驗證架構。
圖 2. 高效率驗證架構要素的詳細檢視圖
部署與設定管理
設定管理工具會將所有的架構元件，以及可重複使用的模組組合儲存在中央儲存區。管理伺服器端儲存區的工具，也同時管理部署在各實驗室工作站的軟硬體細節。這類基礎架構可大幅縮短設定平台所需的時間，並且讓軟體保持在最新版本。
軟體部署與更新
您可以使用中央伺服器部署核心架構元件到工作站，例如可重複使用的裝置通訊、可重複使用的量測 IP，以及儀器驅動程式，而且整個過程可以遠端進行。改善量測 IP 或修正驅動程式上的錯誤後，接著只要從中央儲存區輕輕一按，即可輕鬆更新至所有工作站。您也可以自動複製平台設定，包括裝置特有的測試設定，這樣就能免除人員手動複製所有來源程式碼與編輯設定的需求，進而避免引入錯誤。
雖然您可以自行建立客制化工作站來設定管理與軟體部署解決方案，但商用現成工具可協助您減輕開發與維護上的負擔。例如，NI SystemLink™ Software Configuration Module 提供現成的解決方案，方便您集中管理量測系統，並以遠端方式有效率地自動更新修補程式與程式碼。此外，NI SystemLink Asset Module 讓您從採購到棄置期間，都能即時記錄、追蹤與控制測試資產並製作報告，進而提升設備使用率與品質合規性。
互動式除錯功能
第一批矽晶片抵達實驗室之後，驗證工程師的第一步驟就是啟動裝置，並且確認所有基本功能正常。畢竟在實驗室中使用裝置的不只是驗證工程師，還有來自設計、驗證系統與應用等不同團隊的工程師。這些工程師可能沒有軟體或自動化專業知識，因此架構應該簡單、容易上手、能根據客戶使用案例進行除錯，並具備相關工具。由於工程師有超過一半的時間都在實驗室中進行這些活動，因此實驗室中必須擁有易於使用的互動式工具，才能讓除錯作業有效率。
裝置控制 (暫存器讀取 (Peek) 與修改 (Poke))
IC 設計變得日益複雜，而每一個 IC 都擁有大量的暫存器來設定並控制不同的功能。例如 DUT 會使用數位 I/O 控制不同的作業。
工程師會使用所選的控制器或數位碼型產生器，歷時數個星期來開發協定通訊 API。而通訊模組應該也要具備儀控數位通道功能，以設定不同的裝置模式。
使用者介面式半導體暫存器設定公用程式，可透過 I2C、SPI、SPMI、I3C 等協定的簡易設定來建立裝置通訊。該工具可協助人員先行了解裝置行為，在量測作業自動化前以互動方式驗證量測流程。
其他功能如下所示：
- 將裝置的整個暫存器對應 (暫存器與欄位層級資訊) 匯入直覺式 GUI。
- 使用 GUI 的寫入/讀取暫存器作業與裝置通訊，並且設定裝置暫存器，以執行客戶使用案例除錯或裝置的基本運作。
- 將讀取/寫入作業序列記錄為巨集，以供後續用於自動化作業。
- 儲存裝置的暫存器對應快照，進行特定量測，並在後續的自動化作業中重新呼叫設定
如果您打算執行標準化裝置控制，建議可以考慮 NI Semiconductor Device Control Add-On 這類現成可用的解決方案，該解決方案提供直覺化的互動式裝置控制功能，可快速調整以進行自動化驗證。
儀器控制面板
您可以透過簡易的使用者介面控制平台儀器，並透過外掛架構，根據需要增加新的儀器控制面板。現成可用的架構提供一些常用的儀器，例如電源供應器、SMU 以及示波器等，因此您無須再開發軟體。這些工具可讓您手動為硬體機板與 DUT 供電，並且排除硬體和 DUT 的問題。
儀器設定
在除錯期間，您可以透過這些互動式 GUI 設定儀器。將儀器設定儲存為配置，之後再於量測自動化作業時載入到儀器。
例如，NI InstrumentStudio™ 軟體提供整合式儀器設定環境，您可從中快速進行互動式量測，並可匯出設定資料，進而簡化自動化作業的途徑。
將 DUT 針腳對應至儀器通道
通常工程師會以 DUT 的角度定義測試流程參數。DUT 針腳與驗證硬體機板的連結，會內嵌於量測程式碼中。針腳分布圖公用程式會定義 DUT 針腳與驗證硬體 PCB 之間的對應。而針腳映射公用程式可讓使用者更輕鬆地維護量測程式碼之外的對應資訊。如果儀器與 DUT 出現變更，則只有對應會變更，程式碼不受影響。針腳分布圖可從核心量測 IP 抽取特定儀器和 DUT 的詳細資料，並且提升橫跨不同產品與團隊的量測 IP 重複使用率，而且人員無須在重複使用時進行手動編輯。
量測管理與自動化
量測 IP/函式庫
驗證工程師的核心工作，就是開發裝置所需的量測作業。在開發一般的量測作業時，他們通常會以硬式編碼的方式，在量測程式碼中輸入參數。當其他工程師或團隊要驗證相同裝置時，他們必須複製程式碼並客制化量測程式碼，才能符合新的裝置。這個過程涉及大量的程式碼變更工作，並且需要完整的程式碼測試，會額外消耗時間、心力與成本。
理想狀況下，架構都會以輸入參數和掃頻參數抽取量測 IP，因此無論是在同一系列的其他裝置，或是同一矽晶片 IP 的不同裝置，都可以重複使用。接著，其他工程師可以使用可重複使用的量測 IP，在同一裝置上自動執行多種量測作業，並掃描所有不同的測試條件，例如溫度和輸入供應等。可重複使用的量測 IP 可縮短同一裝置或系列的量測開發/除錯時間，進而節省開發時間與成本，並加快上市時程。
掃頻與循環條件
完整的裝置驗證需要針對許多條件進行量測，才能確保裝置功能符合規範。因此，驗證工程師必須執行橫跨多種流程、電壓與溫度 (PVT) 條件的量測作業，這便需要一個靈活且耐用的自動化架構。驗證工程師應該要能設定與隨時變更掃頻條件，並且在不變更量測 IP 程式碼的情況下有效地執行自動化作業。在這個架構中，您應該能設定量測必然會掃到的參數：
- 輕易設定每個掃頻參數的數值範圍，既可單獨設定，也可以堆疊掃頻中進行完整設定
- 根據部署快速產生掃頻值，並具體呈現相關條件
- 自動化記錄掃頻條件與量測資料
掃頻參數從量測模組抽取出來後，您就可以開發可重複使用的量測 IP，並且推動團隊之間的合作。
測試定序器
測試定序器是自動化與資料收集的關鍵。驗證工程師的目標是將針對 DUT 開發的量測作業 (來自量測 IP 函式庫) 串聯在一起，並在各個 PVT 測試條件下執行量測。驗證工程師應該能快速執行這項工作，而不需再進行大量的軟體開發作業。此架構的測試定序器是相當簡單易用的工具，入門門檻也很低。使用測試序列環境就能：
- 使用拖曳功能即可排定測試序列，並快速設定輸入。
- 在除錯/互動式環境中建立儀器與裝置設定。
- 在整合式掃頻條件管理程式中設定並儲存所有的 PVT 條件。
- 快速執行測式，並且在預設的 .csv 整合式資料記錄模組中取得資料。
- 透過多點測試，加快多個平行 DUT 的資料收集。
- 透過循環與陳述等進階程式設計語言功能，客制化開發作業。
運用 NI TestStand 測試與量測軟體，您只要透過一個現成可用的標準解決方案，即可開發、除錯與部署量測序列，包括開發多執行緒序列、支援任何程式設計語言、產生報告，以及記錄到資料庫。領先業界的驗證組織不會浪費寶貴時間和工程資源，去開發與維護對產品設計沒有加分效果的軟體解決方案。反之，他們會與 NI 這樣的軟體專家合作，讓團隊有更多時間開發量測 IP、分析裝置效能，並利用現成的測試定序器提供設計意見。
硬體抽象化與量測抽象化
通常，驗證實驗室會在不同站點或平台使用不同型號的儀器。在這些情況下，在某個平台上開發的量測程式碼，就無法在其他平台上重複使用。每個平台都有自己的量測程式碼；因此測試量測資料會變得零散而無法重複使用。 硬體抽象層 (HAL) 可從量測程式碼抽取儀器資訊，因而能解決這種問題。
例如，平台 A 可能使用 NI SMU 為 DUT 供電；但是平台 B 使用的是桌上型電源供應器。如果沒有 HAL，每個平台就都要客制化量測程式碼，才能為 DUT 供電，而啟動序列也無法重複使用。但有了 HAL 之後，量測程式碼編寫人員只要在執行中呼叫最上層的母體 API 即可。至於硬體的選擇，則取決於「儀器針腳映射」畫面上的互動式設定。
圖 3. 測試序列抽象層
重複使用量測 IP
透過 HAL 與數位通訊開發量測模組，進行特定相依性的模組化作業。這些抽象化可推動模組化與可重複使用量測 IP 的開發，進而減少開發與測試所需的人力。
資料管理
標準化資料記錄器
由於驗證測試作業需要數小時到數天不等的時間，因此需要快速擷取並儲存量測資料，才能避免因系統或軟體意外出錯而導致資料遺失。而架構的標準化資料記錄器會持續在每次循環之後，將資料記錄到本地的 .csv 檔案中，以避免資料遺失。這種本地儲存方式可讓您立刻檢查資料，以加快除錯速度。
此外，這種資料記錄模組還會標記量測時使用的掃頻條件 (PVT) 組合。因此，當管理人員或設計人員查看資料時，就能看到所有相關條件與量測資料。
圖 4. 透過標準化資料記錄器持續記錄量測資料
標準化資料記錄器包含以下優勢：
- 在互動式上線與測試自動化工作流程中均可使用
- 量測開發人員只需專注開發核心量測 IP，而架構會負責量測資料的記錄
- 開發人員只需要使用架構的資料記錄 API，即可從量測模組傳送量測資料，而架構會自動標記所有條件與相關量測資料
- 您可以將標準資料載入所選的分析工具中進行檢視
- 透過靈活的外掛架構，您就可新增儲存格式而不影響核心量測模組
集中儲存與分析
資料分析最大的難題之一就是命名方式：由於驗證工程師會使用自選的名稱來開發記錄功能與量測程式碼，而不同裝置會對每個名稱採用獨特的資料檢視與分析方式。透過架構化的標準化資料記錄格式，您就可以迅速地具體呈現資料，並且縮短除錯所需的時間。
資料記錄架構支援逗號分隔值 (CSV)、Excel、TDM Streaming，以及標準測試資料格式。CSV 資料記錄格式可採用橫式或直式：
- 如果是橫式，每一欄就代表一個參數，每一列則代表一個量測值。
- 如果是直式，則所有量測結果會記錄在 3 個欄位中：測試名稱、參數名稱與參數值。
標準化格式有中繼量測資料標記，可提升資料記錄效率，有助於將資料快速繪製成圖並具體呈現。在整個驗證生命週期中，能否輕鬆存取集中化驗證資料儲存區、規格資訊以及驗證資料，是非常重要的一環。中央資料庫是開發下列工具的關鍵：
- 規格遵循報告自動產生工具 (比較裝置量測參數與關鍵設計參數)
- 比較設計驗證與矽驗證資料的資料關聯工具
驗證架構執行工具
如果您有興趣評估驗證架構對您的實驗室可能產生什麼影響，NI 與 Soliton 擁有數十年的相關合作經驗，能夠協助半導體客戶提升效率並加快產品上市時程。Soliton 擁有超過 100 名 LabVIEW 與 TestStand 工程師，並榮獲 20 多項 NI 技術大獎，能更有效地運用 NI 產品與解決方案，提供獨樹一格的優質工程服務。身為 NI 現代化實驗室、STS 與 SystemLink™ 軟體的半導體專業夥伴，Soliton 專門針對後矽驗證開發專用平台解決方案，這些解決方案可透過功能強大的工具與標準化作業，大幅提升工程作業的生產效率。