تصميم للاختبار

يتألف تصميم الاختبار أو تصميم قابلية الاختبار ( DFT ) من تقنيات تصميم الدوائر المتكاملة التي تُضيف خصائص قابلية الاختبار إلى تصميم المنتج المادي. تُسهّل هذه الخصائص الإضافية تطوير وتطبيق اختبارات التصنيع على الأجهزة المصممة. يهدف اختبار التصنيع إلى التحقق من خلوّ المنتج المادي من أي عيوب تصنيعية قد تؤثر سلبًا على أدائه السليم.

تُجرى الاختبارات في عدة مراحل من عملية تصنيع الأجهزة ، وبالنسبة لبعض المنتجات، قد تُستخدم أيضًا لصيانة الأجهزة في بيئة العميل. وتُشغَّل هذه الاختبارات عادةً بواسطة برامج اختبار تُنفَّذ باستخدام معدات اختبار آلية (ATE)، أو داخل النظام المُجمَّع نفسه في حالة صيانة النظام. بالإضافة إلى اكتشاف العيوب والإشارة إليها (أي فشل الاختبار)، قد تُسجِّل الاختبارات معلومات تشخيصية حول طبيعة حالات الفشل التي تم رصدها. ويمكن استخدام هذه المعلومات التشخيصية لتحديد مصدر العطل.

بمعنى آخر، تتم مقارنة استجابة المتجهات (الأنماط) من دائرة سليمة مع استجابة المتجهات (باستخدام الأنماط نفسها) من جهاز قيد الاختبار . إذا كانت الاستجابة متطابقة، فإن الدائرة سليمة. وإلا، فإن الدائرة لم تُصنع وفقًا للغرض المطلوب.

يلعب تصميم الاختبار (DFT) دورًا هامًا في تطوير برامج الاختبار، كما يُعد واجهةً لتطبيقات الاختبار والتشخيص. ويُصبح توليد أنماط الاختبار التلقائي (ATPG) أسهل بكثير عند تطبيق قواعد واقتراحات تصميم الاختبار المناسبة.

استُخدمت تقنيات اختبار التصميم (DFT) منذ بدايات معدات معالجة البيانات الكهربائية/الإلكترونية على الأقل . ومن الأمثلة المبكرة في أربعينيات وخمسينيات القرن الماضي المفاتيح والأجهزة التي سمحت للمهندس بـ"مسح" (أي فحص انتقائي) الجهد/التيار عند بعض العقد الداخلية في الحاسوب التناظري [المسح التناظري]. غالبًا ما يرتبط اختبار التصميم بتعديلات التصميم التي تُحسّن الوصول إلى عناصر الدائرة الداخلية، بحيث يُمكن التحكم في الحالة الداخلية المحلية ( إمكانية التحكم ) و/أو مراقبتها ( إمكانية المراقبة ) بسهولة أكبر. قد تكون تعديلات التصميم مادية بحتة (مثل إضافة نقطة فحص مادية إلى الشبكة) أو إضافة عناصر دائرة فعّالة لتسهيل إمكانية التحكم/المراقبة (مثل إدخال مُضاعِف إرسال في الشبكة). في حين أن تحسينات إمكانية التحكم والمراقبة لعناصر الدائرة الداخلية مهمة بالتأكيد للاختبار، إلا أنها ليست النوع الوحيد من اختبار التصميم. تتناول إرشادات أخرى، على سبيل المثال، الخصائص الكهروميكانيكية للواجهة بين المنتج قيد الاختبار ومعدات الاختبار. ومن الأمثلة على ذلك إرشادات حول حجم وشكل وتباعد نقاط الفحص، أو اقتراح إضافة حالة مقاومة عالية إلى المحركات المتصلة بالشبكات التي يتم فحصها بحيث يتم التخفيف من خطر التلف الناتج عن القيادة العكسية.

على مر السنين، طوّرت الصناعة واستخدمت مجموعة واسعة من الإرشادات، متفاوتة التفصيل والرسمية، لتعديلات الدوائر المطلوبة أو الإلزامية في اختبار التصميم (DFT). ويتشكل الفهم الشائع لاختبار التصميم في سياق أتمتة تصميم الإلكترونيات (EDA) للإلكترونيات الدقيقة الحديثة إلى حد كبير من خلال إمكانيات برامج اختبار التصميم التجارية، بالإضافة إلى خبرة وتجربة مجتمع من مهندسي اختبار التصميم المحترفين الذين يبحثون ويطورون ويستخدمون هذه الأدوات. ويركز جزء كبير من المعرفة المتعلقة باختبار التصميم على الدوائر الرقمية، بينما يحظى اختبار التصميم للدوائر التناظرية/المختلطة باهتمام أقل.

يؤثر اختبار التصميم على الأساليب المستخدمة في تطوير الاختبار وتطبيقه وتشخيصه، ويعتمد عليها.

تعتمد معظم عمليات اختبار التصميم المدعومة بالأدوات والمطبقة في الصناعة اليوم، على الأقل بالنسبة للدوائر الرقمية، على نموذج الاختبار الهيكلي . لا يسعى الاختبار الهيكلي بشكل مباشر إلى تحديد ما إذا كانت الوظائف العامة للدائرة صحيحة. بدلاً من ذلك، يحاول التأكد من تجميع الدائرة بشكل صحيح من بعض الوحدات الأساسية المحددة في قائمة التوصيلات الهيكلية . على سبيل المثال، هل جميع البوابات المنطقية المحددة موجودة وتعمل بشكل صحيح وموصولة بشكل صحيح؟ الشرط هو أنه إذا كانت قائمة التوصيلات صحيحة وأكد الاختبار الهيكلي التجميع الصحيح لعناصر الدائرة، فيجب أن تعمل الدائرة بشكل صحيح.

تجدر الإشارة إلى أن هذا يختلف تمامًا عن الاختبار الوظيفي ، الذي يهدف إلى التحقق من أن الدائرة قيد الاختبار تعمل وفقًا لمواصفاتها الوظيفية . ويرتبط هذا ارتباطًا وثيقًا بمشكلة التحقق الوظيفي المتمثلة في تحديد ما إذا كانت الدائرة المحددة في قائمة الشبكة تفي بالمواصفات الوظيفية، بافتراض أنها مبنية بشكل صحيح.

إحدى مزايا النموذج الهيكلي هي إمكانية تركيز عملية توليد الاختبارات على اختبار عدد محدود من عناصر الدوائر البسيطة نسبيًا، بدلًا من التعامل مع عدد هائل ومتزايد من الحالات الوظيفية وانتقالاتها. ورغم أن اختبار بوابة منطقية واحدة في كل مرة يبدو بسيطًا، إلا أن هناك عقبة يجب التغلب عليها. ففي التصاميم المعقدة للغاية اليوم، تكون معظم البوابات مُدمجة بعمق، بينما لا تتصل معدات الاختبار إلا بالمدخلات /المخرجات الرئيسية و/أو بعض نقاط الاختبار المادية . وبالتالي، يجب التعامل مع البوابات المُدمجة عبر طبقات منطقية وسيطة. وإذا احتوت هذه الطبقات على عناصر حالة، فإن مشكلة تزايد مساحة الحالة وتسلسل انتقالاتها بشكل هائل تُشكل معضلةً مستعصيةً على توليد الاختبارات. ولتبسيط عملية توليد الاختبارات، تعالج منهجية تصميم الاختبارات (DFT) مشكلة إمكانية الوصول من خلال الاستغناء عن الحاجة إلى تسلسلات انتقالات الحالة المعقدة عند محاولة التحكم في ما يحدث في عنصر دائرة داخلي أو مراقبته. بناءً على خيارات اختبار التصميم (DFT) المُتخذة أثناء تصميم/تنفيذ الدوائر، يمكن أن تكون عملية توليد الاختبارات الهيكلية للدوائر المنطقية المعقدة مؤتمتة جزئيًا أو ذاتيًا. ^{[ 1 ] [ 2 ]} ولذلك، يتمثل أحد الأهداف الرئيسية لمنهجيات اختبار التصميم في تمكين المصممين من الموازنة بين كمية ونوع اختبار التصميم وتكلفة/فائدة (الوقت، الجهد، الجودة) مهمة توليد الاختبار.

ومن الفوائد الأخرى تشخيص الدائرة الكهربائية في حال ظهور أي مشكلة مستقبلاً. يشبه الأمر إضافة بعض الميزات أو التدابير في التصميم بحيث يمكن اختبار الأجهزة في حالة حدوث أي عطل أثناء استخدامها.

يتمثل أحد التحديات التي تواجه هذه الصناعة في مواكبة التطورات السريعة في تكنولوجيا الرقائق (عدد منافذ الإدخال/الإخراج، حجمها، موضعها، تباعدها، سرعة منافذ الإدخال/الإخراج، عدد الدوائر الداخلية، سرعتها، استهلاكها للطاقة، التحكم الحراري، إلخ) دون الحاجة إلى ترقية معدات الاختبار باستمرار. ولذلك، يجب أن توفر تقنيات اختبار التصميم للتصنيع (DFT) الحديثة خيارات تسمح باختبار الرقائق والتجميعات من الجيل التالي على معدات الاختبار الحالية، أو تقلل من متطلبات وتكلفة معدات الاختبار الجديدة. ونتيجة لذلك، يتم تحديث تقنيات اختبار التصميم للتصنيع (DFT) باستمرار، مثل دمج تقنية الضغط، لضمان بقاء أوقات تطبيق الاختبار ضمن حدود معينة تحددها التكلفة المستهدفة للمنتجات قيد الاختبار.

خاصةً في تقنيات أشباه الموصلات المتقدمة، من المتوقع أن تحتوي بعض الرقاقات على كل شريحة مصنعة على عيوب تجعلها غير قابلة للتشغيل. الهدف الأساسي من الاختبار هو تحديد وفصل هذه الرقاقات غير القابلة للتشغيل عن الرقاقات القابلة للتشغيل، أي أن استجابة واحدة أو أكثر من الاستجابات التي يسجلها جهاز الاختبار من رقاقة غير قابلة للتشغيل تختلف عن الاستجابة المتوقعة. وبالتالي، ينبغي أن تكون نسبة الرقاقات التي تفشل في الاختبار مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالإنتاجية الوظيفية المتوقعة لهذا النوع من الرقاقات. مع ذلك، في الواقع، ليس من النادر أن تفشل جميع رقاقات نوع جديد تصل إلى خط الاختبار لأول مرة (ما يُعرف بحالة انعدام الإنتاجية). في هذه الحالة، يجب إخضاع الرقاقات لعملية تصحيح الأخطاء لمحاولة تحديد سبب انعدام الإنتاجية. في حالات أخرى، قد تكون نسبة فشل الاختبار أعلى من المتوقع/المقبول أو قد تتقلب فجأة. مرة أخرى، يجب إخضاع الرقاقات لعملية تحليل لتحديد سبب ارتفاع نسبة فشل الاختبار.

في كلتا الحالتين، قد تكون المعلومات الحيوية حول طبيعة المشكلة الأساسية مخفية في طريقة تعطل الرقائق أثناء الاختبار. ولتسهيل التحليل، تُجمع معلومات إضافية عن الأعطال، تتجاوز مجرد النجاح أو الفشل، في سجل الأعطال. يحتوي سجل الأعطال عادةً على معلومات حول وقت (مثل دورة الاختبار)، ومكان (مثل قناة الاختبار)، وكيفية (مثل القيمة المنطقية) فشل الاختبار. تحاول عمليات التشخيص استخلاص الموقع المنطقي/المادي داخل الرقاقة الذي يُرجح أن تكون المشكلة قد بدأت فيه من سجل الأعطال. ومن خلال تشغيل عدد كبير من الأعطال عبر عملية التشخيص، والتي تُسمى التشخيص الكمي، يمكن تحديد الأعطال المنهجية.

في بعض الحالات (مثل لوحات الدوائر المطبوعة ، ووحدات الرقاقات المتعددة ، والذاكرة المدمجة أو المستقلة )، قد يكون من الممكن إصلاح الدائرة المعطلة قيد الاختبار. ولتحقيق ذلك، يجب أن يحدد نظام التشخيص الوحدة المعطلة بسرعة، وأن يُنشئ أمر عمل لإصلاحها أو استبدالها.

تتفاوت أساليب اختبار التصميم (DFT) في مدى ملاءمتها للتشخيص. وتتمثل الأهداف ذات الصلة لاختبار التصميم في تسهيل أو تبسيط جمع بيانات الأعطال وتشخيصها إلى حد يسمح باختيار عينات تحليل الأعطال الذكي ، فضلاً عن تحسين التكلفة والدقة والسرعة والإنتاجية للتشخيص وتحليل الأعطال.

تُعرف الطريقة الأكثر شيوعًا لنقل بيانات الاختبار من مداخل الشريحة إلى الدوائر الداخلية قيد الاختبار (CUTs اختصارًا)، ومراقبة مخرجاتها، باسم تصميم المسح. في تصميم المسح، تُوصل المسجلات ( القلابات أو المثبتات) في التصميم بسلسلة مسح واحدة أو أكثر ، تُستخدم للوصول إلى العقد الداخلية للشريحة. تُنقل أنماط الاختبار عبر سلسلة (سلاسل) المسح، وتُرسل إشارات الساعة الوظيفية لاختبار الدائرة خلال "دورة (دورات) الالتقاط"، ثم تُنقل النتائج إلى دبابيس إخراج الشريحة وتُقارن بنتائج "الجهاز السليم" المتوقعة.

قد يؤدي التطبيق المباشر لتقنيات المسح الضوئي إلى مجموعات متجهات كبيرة، ما يستلزم وقتاً طويلاً وذاكرة كبيرة لجهاز الاختبار. تعالج تقنيات ضغط الاختبار هذه المشكلة عن طريق فك ضغط مدخلات المسح الضوئي على الشريحة وضغط مخرجات الاختبار. ويمكن تحقيق مكاسب كبيرة، إذ لا يحتاج أي متجه اختبار عادةً إلا إلى ضبط و/أو فحص جزء صغير من بتات سلسلة المسح الضوئي.

يمكن تقديم مخرجات تصميم المسح الضوئي بأشكال مثل تنسيق المتجهات التسلسلي (SVF)، ليتم تنفيذها بواسطة معدات الاختبار.

إضافةً إلى فائدتها في اختبارات "القبول/الرفض" في التصنيع، يمكن استخدام سلاسل المسح الضوئي أيضًا لتصحيح أخطاء تصميمات الرقائق. في هذا السياق، تُشغَّل الرقاقة في "الوضع الوظيفي" العادي (على سبيل المثال، قد تُنفِّذ رقاقة حاسوب أو هاتف محمول تعليمات لغة التجميع ). في أي وقت، يمكن إيقاف ساعة الرقاقة، وإعادة تهيئتها إلى "وضع الاختبار". عند هذه النقطة، يمكن استخراج الحالة الداخلية الكاملة أو ضبطها على أي قيم مطلوبة باستخدام سلاسل المسح الضوئي. يتمثل استخدام آخر للمسح الضوئي للمساعدة في تصحيح الأخطاء في مسح جميع عناصر الذاكرة في حالة أولية، ثم العودة إلى الوضع الوظيفي لإجراء تصحيح أخطاء النظام. تكمن الميزة في إعادة النظام إلى حالة معروفة دون المرور بالعديد من دورات الساعة. يُعد هذا الاستخدام لسلاسل المسح الضوئي، إلى جانب دوائر التحكم في الساعة، تخصصًا فرعيًا ذا صلة في تصميم المنطق يُسمى التصميم من أجل تصحيح الأخطاء أو التصميم من أجل قابلية تصحيح الأخطاء . ^{[ 3 ]}

• BIST
• التصميم من أجل X
• تصنيف الأعطال
• اختبار Iddq
• JTAG

• تصميم سلسلة مسح الحدود
• تصميم على مستوى مجلس الإدارة
• إرشادات التصميم من أجل قابلية الاختبار