国产多核处理器芯片TDBI技术研究

翁 雷，望正气，曲 芳

（江南计算技术研究所，无锡 214083）

前言

目前，国内常用的老炼试验方法主要基于现行的国军标、国标等标准，这些标准主要针对的是通用集成电路，由于多核处理器是一种采用深亚微米工艺制造技术的超大规模集成电路（VLSI）[1]，如果仍用传统的老炼、测试方法对这类芯片进行筛选，显然已经不再合适，因此需要采用更加先进的TDBI技术来解决这一问题。

TDBI技术是将集成电路老炼与电性能测试有机地结合在一起的方法，它将传统意义上的老炼技术提升到一个新的高度，是目前国际上最先进的老炼测试方法。

传统老炼是给器件的电源端加电及对输入管脚施加50%占空比的动态波形，输入电平不可变，对器件的输出管脚只能进行灌电流的半参数试验[2]。一般的动态老炼设备受通道数的限制，只能满足中小规模集成电路的老炼试验，而且器件在高温环境下的功能和电参数等技术指标好坏也无法判别。TDBI是一种功能性老炼方法，它通过模拟实际使用状态对器件施加全激励信号[3]，使器件更多的内部节点动作起来，并且实现老炼中测试，这种方法被认为是探测有潜在缺陷器件的一种有效方法。TDBI具有以下一些显著的特点：

1）检测每块老炼测试板上的每一个器件所有管脚的输入激励信号和输出信号，对于复杂的超大规模集成电路能够提供多种复杂信号及向量集，可确保老炼效果；

3）可以在老炼的同时测试集成电路的功能和电参数，可精确地检测故障至单元级，由此可以进行失效机理分析以改进制造工艺；

4）可检测到“可恢复性”故障，某些器件在老炼过程中功能失效或电参数指标下降，但在冷却后又复原并能通过后续的功能和电参数测试，只有TDBI能检测出这类故障器件。

目前，国内厂家还没有研发出针对多核处理器这样的超大规模集成电路TDBI设备，因此本文以一款国产多核处理器芯片为筛选对象，介绍多核处理器的TDBI软、硬件系统开发技术。

1 国产多核处理器TDBI硬件系统设计

1.1 老炼测试负载板设计与制作

对多核处理器进行TDBI是为了在老炼过程中剔除早期失效的芯片，考核的是处理器芯片本身的功能和电参数，因此设计老炼测试负载板时应尽量保证老炼板本身的可靠性，按可靠性设计的最小原则，老炼板上只安装芯片插座、通道连接插座及必要的阻容元件。芯片工作电压由信号驱动测试板上的电源模块提供，根据芯片功耗设计线宽及老炼测试负载，老炼测试板上所有部件均选用耐高温器件或接插件，按照上诉原则制作完成后的老炼测试负载板如图1所示。

图1 老炼测试负载板

1.2 电应力加载平台设计

每块老炼测试负载板的电应力加载平台由两块信号驱动测试板、接口数据线和相应的板连接器等组成，其结构简图如图2所示。

该信号驱动测试板包含核心供电模块、FPGA可编程门阵列、Flash、ARM CPU、SDRAM等芯片（如图3所示），配合自行开发的老炼测试程序，能够实现处理器内部所有功能模块的全激励动态老炼测试，即实现了处理器维护功能模块、内部存储器模块、内部指令模块等各功能模块的动态老炼测试。

图2 电应力加载平台结构简图

图3 信号驱动与测试板

多核处理器芯片需要驱动板提供多种电源，按芯片硬件手册，各种电源电压信号需满足：在对处理器加电之前，保证DCOK_H信号无效，然后开始对处理器加电。在DCOK_H有效之前，使Reset_L信号有效，输入时钟ClkIn_x和SynClk_x处于正常运行状态；对处理器加电时，保证PLL_VDD及VDDQ领先于VDD和VT达到额定值并保持稳定。除了多核处理器芯片需要的几种电源外，信号驱动板还需要7种电源电压，设计时根据ARM CPU以及外围电路元器件的datasheet选择DC-DC电源模块。

电应力加载平台与老炼测试负载板构成的硬件系统通过采用单板实时转换电源供电技术，可实现处理器TDBI中的大功率电源供电，有效解决了传统驱动板电源供电中电流大、电压低、损耗大的问题。该系统综合利用嵌入式微处理器、现场可编程逻辑阵列和闪存编程技术，有效地解决了传统老炼图形存储空间不足的问题，同时可实现多核处理器老炼和测试的同步进行，避免出现传统筛选方法中老炼试验中失效、老炼试验后恢复正常而测试漏掉的状况。

分部工程是单位工程的主要组成部分，可单独或组合发挥一种水土保持功能的工程，其划分原则是功能相对独立、工程类型相同。同一单位工程中，各个分部工程的工程量（或投资）不宜相差太大，每个单位工程中分部工程数目不宜少于5个。根据划分原则和北京市生态清洁小流域21项措施特点，将21项措施划分为21个分部工程。

1.3 温度应力加载及防氧化处理平台

多核处理器芯片的高温环境及充氮保护由温度应力加载及防氧化处理平台提供，该平台利用了北京新润泰思特测控技术有限公司研发的XR8240集成电路老炼测试系统（图4所示），其氮气保护型高温试验箱可以提供室温到150℃的环境温度，并且能够设置氮气流量及保护控制。

图4 XR8240 集成电路老炼测试系统

该试验箱在经过排氧充氮保护后，处理器芯片焊球经长时间高温老炼也不会被氧化，保证了芯片在老炼测试过程中的品质和安全，确保了芯片焊球在电装工艺环节中不会出现假焊和虚焊的质量问题，对芯片整体品质提高有着很大的作用。

除了提供必要的高温应力及防氧化处理外，该平台最显著的特点是利用XR8240系统的插座连接器将处理器老炼测试板与信号驱动板进行物理连接，保证处理器老炼中电应力加载和功能参数测试。这种连接方式比目前业界普遍采用的信号线或柔性板连接要好，信号线或柔性板连接的耐高温、抗干扰等性能较差，电源远端供电困难、信号传输有损失，而采用插座连接则可以有效地解决这些问题。

2 国产多核处理器TDBI测试程序开发

2.1 多核处理器的TDBI原理

多核处理器芯片TDBI方法是在老炼过程中测试芯片功能和电参数，如图5所示，芯片在试验箱内经受温度应力的同时，信号驱动板施加时钟和全动态激励信号，测试系统通过芯片反馈的输出数据实时监控每块老炼测试板上的每一颗芯片的功能好坏和电参数值，这种老炼方式不仅缩短了芯片筛选时间，同时比传统静态老炼（Burn-in）能更快、更多地暴露芯片缺陷。

2.2 多核处理器老炼测试程序要求与功能

图5 多核处理器芯片TDBI 原理图

处理器芯片TDBI测试程序要能实现在处理器芯片输入端口施加相应的激励信号，输出端口（包括芯片的固定输入端和配置为输入状态的三态端）施加相应的负载，并全程检测特定输出端口信号的功能（如上图5所示）。因此老炼测试程序要求能使芯片进行逻辑翻转和存储器翻转，每种翻转试验时间为总试验时间的一半。两种翻转试验的程序功能要求如下：

2.2.1 逻辑翻转

逻辑翻转时要求在芯片DCOK端口和TRST端口输入低电平，持续300cycles后变为高电平，并一直持续到本阶段结束，如图6所示。

在TDI端口输入如图6所示的信号波形，监测TDO端口是否输出如图6所示的波形。

2.2.2 存储器翻转

图6 逻辑翻转阶段试验示意图

表1 BIST 测试结果真值表

图7 存储器翻转阶段试验示意图

存储器翻转时要求在芯片DCOK端口和MT_RESET端口输入低电平，芯片状态输出信号MT_FSM指示芯片处于复位状态，持续300cycles后变为高电平，并一直持续到本阶段结束，芯片复位结束进入存储器自测试状态（BIST阶段），持续65000cycles后BIST测试结束，状态输出信号MT_FSM为BIST完成状态，此时检查BIST状态输出端口BIST_Done信号应该为高电平，输出端口BIST_Fail指示是否测试失败，高电平表示失败，输出端口BIST_Repaire指示存储器是否可以修复，如果可以修复为高电平，不需要修复为低电平，RAM测试状态的真值表如表1所示，时序图如图7所示。

3 结束语

TDBI技术是一种有别于传统老炼筛选技术的全新老炼技术与方法，它不但可以适应快速发展的VLSI技术和产品的需要，也是今后VLSI老炼试验技术发展的趋势。虽然TDBI测试系统既要求具有测试设备的功能又有老炼设备的功能，研发成本很高，但是由于该技术本身所具有的优势，能实现常规测试和传统老炼所不能实现的诸如批量测试、多芯片协同工作测试和失效原因精确定位等目标，因此正逐渐被业界许多厂家所采纳。

[1]温平平，焦慧芳，贾新章等.VLSI 老化筛选试验技术的挑战[J].电子产品可靠性与环境试验，2004，10（5）：21-25.

[2]高成，张栋，王香芬.电子元器件老炼试验技术[J].现代电子技术，2008，16（279）：189-191.

[3]郁振华，朱卫良.FPGA 电路动态老化技术研究[J].电子与封装，2010，10（7）：24-27.