توليد أنماط الاختبار التلقائي

ATPG (اختصار لكل من توليد أنماط الاختبار التلقائي ومولد أنماط الاختبار التلقائي ) هي طريقة أو تقنية لأتمتة تصميم الإلكترونيات تُستخدم لإيجاد تسلسل إدخال (أو اختبار) يُمكّن، عند تطبيقه على دائرة رقمية ، أجهزة الاختبار الآلية من التمييز بين سلوك الدائرة الصحيح وسلوكها المعيب الناتج عن العيوب. تُستخدم الأنماط المُولّدة لاختبار أشباه الموصلات بعد التصنيع، أو للمساعدة في تحديد سبب العطل ( تحليل الأعطال ^{[ 1 ]} ). تُقاس فعالية ATPG بعدد العيوب المُنمذجة، أو نماذج الأعطال ، القابلة للكشف، وبعدد الأنماط المُولّدة. تُشير هذه المقاييس عمومًا إلى جودة الاختبار (أعلى مع اكتشاف المزيد من الأعطال) ووقت تطبيق الاختبار (أطول مع المزيد من الأنماط). تُعد كفاءة ATPG اعتبارًا مهمًا آخر يتأثر بنموذج العطل قيد الدراسة، ونوع الدائرة قيد الاختبار ( مسح كامل ، أو متسلسل متزامن، أو متسلسل غير متزامن)، ومستوى التجريد المستخدم لتمثيل الدائرة قيد الاختبار (بوابة، أو نقل سجل، أو مفتاح)، وجودة الاختبار المطلوبة .

العيب هو خطأ يحدث في الجهاز أثناء عملية التصنيع. نموذج العطل هو وصف رياضي لكيفية تأثير العيب على سلوك التصميم. تُسمى القيم المنطقية المُلاحظة عند المخارج الرئيسية للجهاز، عند تطبيق نمط اختبار على جهاز قيد الاختبار ، بمخرجات نمط الاختبار. أما مخرجات نمط الاختبار، عند اختبار جهاز سليم يعمل تمامًا كما هو مصمم، فتُسمى المخرجات المتوقعة لنمط الاختبار. يُقال إن نمط الاختبار قد اكتشف عطلًا إذا كانت مخرجات هذا النمط، عند اختبار جهاز به ذلك العطل فقط، مختلفة عن المخرجات المتوقعة. تتكون عملية توليد أنماط الاختبار التلقائي (ATPG) لعطل مُستهدف من مرحلتين: تفعيل العطل وانتشاره . يُنشئ تفعيل العطل قيمة إشارة عند موقع نموذج العطل تكون معاكسة للقيمة التي يُنتجها نموذج العطل. ينقل انتشار العطل قيمة الإشارة الناتجة، أو تأثير العطل، إلى الأمام عن طريق تهيئة مسار من موقع العطل إلى مخرج رئيسي.

قد يفشل نظام توليد أنماط الاختبار التلقائي (ATPG) في إيجاد اختبار لعطل معين في حالتين على الأقل. أولاً، قد يكون العطل غير قابل للكشف بطبيعته، بحيث لا توجد أنماط قادرة على اكتشافه. والمثال الكلاسيكي على ذلك هو الدائرة الكهربائية ذات التكرار، المصممة بحيث لا يتسبب أي عطل منفرد في تغيير الخرج. في مثل هذه الدائرة، سيكون أي عطل منفرد غير قابل للكشف بطبيعته.

ثانيًا، من الممكن وجود نمط للكشف، لكن الخوارزمية لا تستطيع إيجاده. ولأن مسألة توليد الأنماط التلقائي (ATPG) هي مسألة NP-كاملة (بالاختزال من مسألة إرضاء المنطق البولياني )، ستكون هناك حالات توجد فيها أنماط، لكن ATPG تتوقف عن البحث لأن إيجادها سيستغرق وقتًا طويلاً جدًا (بافتراض أن P≠NP ، بالطبع).

• فرضية العطل الفردي: يحدث عطل واحد فقط في الدائرة. إذا حددنا k نوعًا محتملاً من الأعطال في نموذج الأعطال لدينا، فإن الدائرة تحتوي على n خط إشارة، وبناءً على فرضية العطل الفردي، فإن العدد الإجمالي للأعطال الفردية هو k×n .
• افتراض الأعطال المتعددة: قد تحدث أعطال متعددة في الدائرة الكهربائية.

تتيح طريقة توليد أنماط الاختبار التلقائي التوافقية (ATPG) اختبار العقد الفردية (أو القلابات) في الدائرة المنطقية دون الحاجة إلى مراقبة عمل الدائرة ككل. أثناء الاختبار، يتم تفعيل ما يُسمى بوضع المسح، مما يُجبر جميع القلابات على الاتصال بطريقة مُبسطة، متجاوزًا بذلك توصيلاتها البينية كما هو مُصمم أثناء التشغيل العادي. يسمح هذا باستخدام مصفوفة متجهة بسيطة نسبيًا لاختبار جميع القلابات المكونة للدائرة بسرعة، بالإضافة إلى تتبع الأعطال إلى قلابات مُحددة.

يبحث نظام توليد أنماط الاختبار التلقائي للدوائر المتسلسلة عن سلسلة من متجهات الاختبار للكشف عن عطل معين ضمن فضاء جميع سلاسل متجهات الاختبار الممكنة . وقد طُوّرت استراتيجيات بحث وأساليب استدلالية متنوعة لإيجاد سلسلة أقصر، أو لإيجاد سلسلة أسرع. ومع ذلك، ووفقًا للنتائج المنشورة، لا توجد استراتيجية أو أسلوب استدلالي واحد يتفوق على غيره في جميع التطبيقات أو الدوائر. تشير هذه الملاحظة إلى ضرورة أن يتضمن مولد الاختبار مجموعة شاملة من الأساليب الاستدلالية.

حتى أبسط أعطال التثبيت تتطلب سلسلة من المتجهات للكشف عنها في الدوائر التسلسلية. كذلك، وبسبب وجود عناصر الذاكرة، فإن التحكم في الإشارات الداخلية ومراقبتها في الدوائر التسلسلية أصعب بكثير من نظيرتها في الدوائر المنطقية التوافقية . هذه العوامل تجعل تعقيد مولدات أنماط الاختبار التلقائية التسلسلية أعلى بكثير من تعقيد نظيراتها التوافقية، حيث تُضاف سلسلة مسح (أي سلسلة إشارات قابلة للتبديل مخصصة للاختبار فقط) لتسهيل الوصول إلى العقد الفردية.

نظراً للتعقيد الكبير لتقنية توليد أنماط الاختبار التلقائية (ATPG) التسلسلية، فإنها لا تزال تمثل تحدياً للدوائر الكبيرة ذات التسلسل العالي التي لا تتضمن أي مخططات تصميم قابلة للاختبار (DFT). ومع ذلك، فقد أظهرت مولدات الاختبار هذه، بالاقتران مع تقنيات DFT منخفضة التكلفة مثل المسح الجزئي ، نجاحاً ملحوظاً في اختبار التصاميم الكبيرة. بالنسبة للتصاميم الحساسة لتكلفة المساحة أو الأداء، يُعد استخدام تقنية ATPG للدوائر التسلسلية والمسح الجزئي بديلاً جذاباً لحل المسح الكامل الشائع، والذي يعتمد على تقنية ATPG للدوائر التوافقية.

تاريخيًا، ركزت تقنية توليد أنماط الاختبار التلقائي (ATPG) على مجموعة من الأعطال المستمدة من نموذج أعطال على مستوى البوابات المنطقية. ومع اتجاه تصميم الدوائر نحو تقنية النانومتر، تبرز تحديات جديدة في اختبار التصنيع. فخلال عملية التحقق من صحة التصميم، لم يعد بإمكان المهندسين تجاهل تأثيرات التداخل والتشويش الناتج عن مصدر الطاقة على الموثوقية والأداء. وتحل نماذج وتقنيات جديدة محل تقنيات نمذجة الأعطال وتوليد المتجهات الحالية، حيث تأخذ هذه النماذج والتقنيات في الاعتبار معلومات التوقيت أثناء توليد الاختبار، وتكون قابلة للتوسع لتشمل تصميمات أكبر، وقادرة على رصد ظروف التصميم القصوى. وبالنسبة لتقنية النانومتر، تتحول العديد من تحديات التحقق من صحة التصميم الحالية إلى تحديات في اختبار التصنيع أيضًا، مما يستدعي الحاجة إلى تقنيات جديدة لنمذجة الأعطال وتوليد أنماط الاختبار التلقائي (ATPG).

يُعد اختبار الدوائر المتكاملة واسعة النطاق ذات التغطية العالية للأعطال مهمة صعبة نظرًا لتعقيدها. ولذلك، تم تطوير العديد من طرق توليد أنماط الاختبار التلقائي (ATPG) لمعالجة الدوائر التوافقية والتتابعية .

• لم تكن خوارزميات توليد الاختبارات المبكرة مثل الفرق المنطقي والاقتراح الحرفي عملية للتنفيذ على جهاز كمبيوتر.
• كانت خوارزمية D أول خوارزمية عملية لتوليد الاختبارات من حيث متطلبات الذاكرة. وقد قدمت خوارزمية D [التي اقترحها روث عام 1966] رمز D الذي لا يزال يُستخدم في معظم خوارزميات توليد الاختبارات التلقائية. تحاول خوارزمية D نقل قيمة التوقف عند العطل، المشار إليها بـ D (لـ SA0) أو D (لـ SA1)، إلى مخرج رئيسي.
• يُعدّ اتخاذ القرارات الموجّه نحو المسار (PODEM) تحسينًا لخوارزمية D. وقد طُوّرت خوارزمية PODEM في عام 1981 على يد برابهو جويل ، عندما تبيّنت أوجه القصور في خوارزمية D عندما أدّت ابتكارات التصميم إلى دوائر لم تستطع خوارزمية D تنفيذها.
• تُعدّ خوارزمية Fan-Out Oriented ( خوارزمية FAN ) تحسينًا لخوارزمية PODEM. فهي تحدّ من مساحة بحث ATPG لتقليل وقت الحساب وتسريع عملية التتبع العكسي.
• تُستخدم أحيانًا طرق تعتمد على قابلية الإرضاء المنطقي لتوليد متجهات الاختبار.
• يُعد توليد الاختبارات شبه العشوائية أبسط طريقة لإنشاء الاختبارات. فهو يستخدم مولد أرقام شبه عشوائية لتوليد متجهات الاختبار، ويعتمد على محاكاة المنطق لحساب نتائج الآلة الجيدة، ومحاكاة الأعطال لحساب تغطية الأعطال للمتجهات المولدة.
• يُعدّ مولد الأنماط الطيفية التلقائي باستخدام الموجات الصغيرة (WASP) تطويرًا للخوارزميات الطيفية المستخدمة في توليد الأنماط الطيفية المتسلسل. يعتمد هذا المولد على تقنيات الموجات الصغيرة للبحث في الفضاء، مما يقلل وقت الحساب ويسرّع عملية الضغط. وقد طُوّر هذا المولد من قِبل سوريش كومار ديفاناثان من شركة Rake Software ومايكل بوشنيل من جامعة روتجرز. ابتكر سوريش كومار ديفاناثان برنامج WASP كجزء من أطروحته في جامعة روتجرز.

يُعدّ توليد أنماط الاختبار التلقائي (ATPG) موضوعًا يُغطّى في العديد من المؤتمرات على مدار العام. أهم المؤتمرات في الولايات المتحدة هي المؤتمر الدولي للاختبار وندوة اختبار الدوائر المتكاملة واسعة النطاق (VLSI) ، بينما في أوروبا يُغطّى هذا الموضوع من قِبل مؤتمري DATE و ETS .

• ASIC
• مسح الحدود (BSCAN)
• اختبار ذاتي مدمج (BIST)
• التصميم من أجل الاختبار (DFT)
• نموذج الأعطال
• JTAG
• VHSIC

• دليل أتمتة التصميم الإلكتروني للدوائر المتكاملة ، من تأليف لافاجنو ومارتن وشيفر، رقم ISBN 0-8493-3096-3تم إجراء مسح للمجال، والذي استُخلص منه الملخص أعلاه، بإذن.
• تحليل أعطال الإلكترونيات الدقيقة . ماتيريالز بارك، أوهايو: الجمعية الأمريكية للمعادن الدولية. 2004. ISBN 0-87170-804-3.