系統(tǒng)級測試有什么獨到之處?

在半導體晶體管尺寸不斷縮小、芯片功能日益復雜的趨勢下，測試已成為產品落地生產前的關鍵一環(huán)。而伴隨著更嚴格的可接受質量水平（AQL）認證推出，測試的方法也在不斷推陳出新。其中，系統(tǒng)級測試（簡稱SLT）就是其中一種重要方法。

事實上，現在備受工程師關注的、能夠解決很多測試問題的系統(tǒng)級測試并不是現在才出現的技術，至少在計算領域，它從90年代末就開始在使用。如今，隨著芯片所集成的晶體管數量呈指數級增長，芯片的復雜程度也日漸提升。在這種情況下，更多IC制造廠商采用SLT來提升芯片系統(tǒng)的良品率與質量水平。

系統(tǒng)級測試有什么獨到之處？

什么是SLT，它為什么與眾不同？能夠解決什么問題？

SLT亦稱為功能測試，是在模擬終端使用場景中對待測芯片（DUT）進行測試的一種方法，通過運行操作系統(tǒng)和使用待測芯片執(zhí)行通用或目標應用測試，無需像傳統(tǒng)自動測試設備（ATE）那樣創(chuàng)建測試向量。SLT仍需要編寫測試，但編寫方式不同。

那么，SLT有哪些獨到之處和優(yōu)勢呢？

過去20年中，整個SLT市場有相當大的增長。手機和平板電腦中移動處理器的復雜性、關鍵性任務的增加，以及產品上市時間競爭都是推動其增長的主要原因。

SLT之所以使用日漸普遍，是因為芯片行業(yè)的許多趨勢正在推動其普及。

首先是質量要求日益提高，過去10年，人們更加依賴手機等電子設備，芯片的高質量要求促使制造商對其芯片和系統(tǒng)進行全面測試，以減少終端用戶購買產品后遇到問題的可能性。為此，移動領域的SLT正在進入快速增長模式。

汽車領域的趨勢尤為明顯，在輔助自動駕駛汽車中，利用電子設備或軟件感知事件，并通過自動轉向或制動對事件做出反應。ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）的關鍵任務要求更高的標準，這意味著在應用中運行的超高功率器件、混合信號器件性能、平臺效率和熱穩(wěn)定性至關重要。

從市場競爭角度來看，芯片供應商不斷將技術推向極限，以提高性能、電池續(xù)航和良率，這意味著他們需要做好以下事情：

盡早交付新工藝節(jié)點的產品，盡管工藝缺陷率可能比較高。

盡可能以低電壓運行，以延長電池續(xù)航時間。

微調PLL設置使良率最大化。

采用更前沿的封裝技術來提高晶體管密度和性能。

另外，在汽車的信息娛樂部分，汽車公司比以往任何時候都更接近技術的前沿，采用尖端技術實現更高的穩(wěn)定性將有助于縮短汽車信息娛樂產品的上市時間。

未來，SLT的下一個增長領域是大數據處理和邊緣/云AI（人工智能）應用，它將有可能超過計算領域。

鑒于上述需求，必須通過大量測試來確保成品中使用的是優(yōu)質元器件。隨著技術不斷推向極限，使用SLT有助于防止故障漏檢，確保元器件達到所需的高質量水平。此外，在提高產品質量的同時，在盡可能靠近終端應用的地方運行設備，也有助于縮短產品上市時間。

傳統(tǒng)測試覆蓋率變得更具有挑戰(zhàn)性

IC制造商正在將更多的功能壓縮到給定芯片中，既有自研，又有第三方設計。以移動處理器為例，早期幾乎沒有很多功能，只支持通話。今天，其功能已涵蓋圖形、圖像處理、高級安全等;過去的通信是數字處理，現在采用語音和生物特征數據處理，甚至包含專用神經網絡等AI算法處理，AP需要與高速內存集成。

除了移動設備，處理器還可以做很多重要的事情，如健康功能、記錄和存儲、連接和控制、與汽車周圍的傳感器通信、確保安全、通過機器學習人工智能簡化人們的生活。與這些功能塊交互相關的故障可能特別難以捕捉，尤其是當其中的測試接口使用不同語言時。

所有這些新功能被壓縮到一個AP中，也使晶體管數量持續(xù)增長，并超越了摩爾定律。不過，隨著行業(yè)持續(xù)創(chuàng)新，人們預測的摩爾定律的極限似乎還沒有到來。

當然，測試挑戰(zhàn)不僅僅是功能，當我們將成倍增長的晶體管擠進IC時，有時需要做出權衡，可能導致開始侵蝕通過傳統(tǒng)方法實現的測試覆蓋率。過去幾年的實踐證明，隨著晶體管數量的增加，測試量正在大幅增長。而讓ATE以與晶體管數相同的指數速度增長是很難實現的。

因此，隨著復雜性的增加，出現缺陷的幾率更高，需要更多的測試，以避免缺陷率不斷增加。SLT可以幫助我們解決這些問題。

如何運行SLT？

SLT是以與最終用途緊密匹配的方式對產品進行的功能測試，其“系統(tǒng)”部分在定制的系統(tǒng)級測試板上實現。

SLT的測試流程包括：

第一是執(zhí)行特定操作，運行一些系統(tǒng)中固有的器件通用功能和目標應用程序（如啟動芯片或加載操作系統(tǒng)），或運行某些模塊編寫的特定程序（如性能評估程序），并驗證是否都能按預期工作。使用的“系統(tǒng)級測試板” 類似于提供給客戶的“參考設計”或評估板。

第二是判斷該操作是否成功，依據測試的結果或該操作的成功/失敗進行衡量。例如，在驗證某個內部進程是否成功執(zhí)行時，可以用操作系統(tǒng)能否成功啟動，或是檢查某個測量值（性能測試結果與閥值的比較）作為判斷的依據。

大多數情況下，SLT中的系統(tǒng)都配備一些板載處理器來執(zhí)行測試流程。由于片上系統(tǒng)（SoC）和系統(tǒng)級封裝（SiP）芯片是SLT的主要測試對象，因此測試用處理器通常就是待測芯片的一部分。如果不是此種情況，待測芯片的外圍測試系統(tǒng)通常要配備一個合適的處理器。

被測器件周圍的SLTB電路可以根據需求的變化而變化;還可以快速、輕松地在屏幕上顯示最終客戶報告的故障逃逸。而要在ATE上實現這一點，必須進行大量的故障分析，將功能故障追溯到晶體管級別，以查看是否有能力捕獲它。另一方面，SLT可以采用激發(fā)故障的確切用例，并快速將此功能測試添加到SLT測試中，幾乎可以立即停止?jié)B流（bleeding），同時返回并挖掘出故障逃逸的根本原因。

不過，由于SLT是模擬真實終端使用場景的功能測試，而不是ATE中的結構測試，SLT的測試時間通常比傳統(tǒng)ATE長得多。因此，并行測試效率的概念對于保持SLT的成本效益變得更加重要。ATE測試時間以10秒為單位，SLT則以分鐘或10分鐘為單位?？梢韵胂?，要想達到最高效率，就需要在每個系統(tǒng)中增加一個數量級的并測工位。

由于測試時間較長，與傳統(tǒng)ATE測試相比，SLT測試設備具有更高的工位密度和更低的工位成本。

歸根結底還是成本

為什么SLT是一個好的解決方案，歸根結底是成本。在SLT總體測試策略中，人們總是希望盡早捕獲，以避免下游的工藝成本。ATE晶圓測試在流程早期捕獲故障方面表現出色，包括：晶體管級問題、對變化頻率/電壓級的敏感性、遵守基本設計規(guī)范等。

有些故障是在封裝過程產生的，將運行ATE終測來篩選這些問題。然而，仍然有一些故障非常微妙和復雜，以至于因為一個小的DPPM級別無法通過測試驗收流程。

對于高常規(guī)質量級別要求，ATE成本通常會隨著測試時間的延長而增加。這種增加在總體上是可控的，且在一定程度上是線性的。但在非常高的復雜度/晶體管數下，要提供相同的質量水平，ATE成本最終會達到曲線的拐點，開始呈指數增長。

這主要是因為發(fā)現這些故障需要花費大量時間，而且還需要用跟周邊器件一起測試，其中一些是在今天的ATE上完成的，包括一些級別的參數測試和功能測試。然而，在某些情況下，額外電路數量和測試的長度會導致該策略崩潰。有趣的一點是，SLT成本/測試時間并沒有隨著復雜性的增加而增加，因為它只是啟動一個正在運行的應用程序。這就是說，對于捕捉晶體管級設計參數故障，它不是一種非常經濟有效的方法。在過去50年的歷史中，ATE非常擅長捕捉這些故障。

為什么ATE中捕獲的許多故障類在SLT中會捕獲不到？這是因為，與ATE不同，SLT并沒有系統(tǒng)地測試每一個晶體管及其參數，而只是在器件內測試真實世界應用的一個子集，并查看功能結果。而運行每一個可以想象的應用程序來激發(fā)每一個晶體管并產生故障幾乎是不可能的。

SLT的經濟有效在于發(fā)現合理百分比的故障，這些故障是由于ATE無法測試的區(qū)域或同時刺激芯片及其外圍的多個IP模塊造成的。

單個SLT系統(tǒng)的成本可能與ATE系統(tǒng)相似，或略高于ATE系統(tǒng)，但并測性（一次測試的器件數量）要高得多，因此每個器件的成本可能約為ATE的1/4或以下。

因為有這么多芯片同時并行測試，所以每個芯片的SLT測試成本低于ATE。它也是一個很好的環(huán)境，可以用真實世界的芯片應用場景運行在ATE上不可能實現的測試。

在復雜度繼續(xù)呈指數增長且任務關鍵型應用數量不斷增長的情況下，將ATE和SLT策略結合起來是維持極高質量水平和最低成本的理想解決方案。

從以下幾個圖中可以看到有關成本的幾個方面：在某種程度上，ATE成本與復雜性/晶體管數呈線性關系;SLT不是捕捉“典型”ATE故障的經濟有效的方法;SLT在篩選出測試流程結束時最后幾個難以發(fā)現的故障方面非常經濟有效;因此，對于具有非常高質量需求的應用，將SLT添加到現有ATE測試流程后通常是最具成本效益的總體測試策略。

為什么是Teradyne？

需要指出的是：在部署SLT時，并不總是要孤注一擲。許多公司在是否進行SLT測試以及用SLT測試其產品的百分比方面采用了不同的理念。這是一種綜合考慮多種因素，平衡成本的行為，每個公司/應用的理念通常略有不同。

Teradyne的SLT 測試機的優(yōu)勢之一是真正的并測，每個芯片完全獨立于其相鄰芯片，這是執(zhí)行SLT與批處理的更有效的方法。

另外，在Teradyne的存儲測試業(yè)務部中有一個專門的技術團隊，十多年來他們成功設計制造超大規(guī)模自動化生產平臺。作為半導體測試領域的全球領導者，Teradyne將存儲自動化架構和專業(yè)知識與半導體測試知識相結合，利用其Titan平臺將差異化的SLT自動化和測試解決方案推向市場，幫助用戶解決測試方面的難題。

SLT是ATE測試設備觸達市場的補充測試步驟和擴展，Teradyne提供支持整個測試生命周期的解決方案，有助于以最優(yōu)的時間實現最大的測試覆蓋率和最高的質量。

結語

SLT已存在了將近30年，主要用于尖端大型數字計算應用，它是在系統(tǒng)級測試板上使用專用外圍設備對芯片進行的應用場景測試，用來捕獲最后0.00xx%的故障，并實現最低可能的逃錯率。

SLT的增長源于對質量的需求不斷增加，以及關鍵任務電子應用場景的迅速增長、芯片器件的復雜性迅速增加，以及上市時間窗口的不斷縮小，特別是某些故障類別僅能在真實應用場景下顯現。

Teradyne充分利用半導體ATE業(yè)務的技術，提供SLT差異化量產異步自動化平臺，服務于廣大手機應用處理器客戶，展現了市場的領先地位，并向汽車和HPC領域不斷推進。

審核編輯 ：李倩