Elektronik-Designer als Vorbild Plattformbasiertes Testen

Seitdem es CAD-Software gibt, arbeiten Entwicklungs- abteilungen plattformbasiert. Der Ansatz bietet einige Vorteile und kann auch auf Testabteilungen übertragen werden.

Die Elektronik wird von Tag zu Tag anspruchsvoller und komplexer. Damit steigt der Entwicklungsaufwand für Chips, Boards und Systeme. Seit mehr als zwei Jahrzehnten, seit der Gründung der CAD Framework Initia- tive (CFI), setzen Unternehmen der Elektronikentwicklung in ihren Designprojekten regelmäßig plattformbasierte Ansätze ein. Und das nicht ohne Grund. Das plattformbasierte Design bietet eine schnellere Markteinführung, höhere Produktivität und Kosteneffizienz, eine optimierte Wiederverwendung von Designs sowie schnellere Analysen.

Neben diesen Vorteilen war der Trend zur Auslagerung (Disaggregation) in der Halbleiter- und Elektronikindustrie ein wesentlicher Treiber für plattformbasiertes Design. Die Anforderungen, die sich aus der höheren Designkomplexität ergaben, machten eine vertikale Integration des gesamten Entwicklungs- und Fertigungsprozesses unpraktisch. Das förderte den Aufstieg von Fabless-Halbleiterunternehmen, Chip-Foundries und Dienstleistungsunternehmen für die Auftragsfertigung von Elektronikprodukten. Durch die Auslagerung der Fertigung konnten Unternehmen mit hoher F&E-Tätigkeit ihre Entwicklungsressourcen auf ihre Kernkompetenz konzentrieren und sich im Wettbewerb differenzieren. Designplattformen, die eine Komplettlösung für ein bestimmtes Problem oder einen bestimmten Bereich liefern, ermöglichen es, die Kernkompetenzen zu stärken.

Warum werden plattformbasierte Ansätze nicht auch umfassend im Testbereich eingesetzt? Schließlich müssen Produktdesigns vor der Markteinführung getestet werden. Beim Testen greifen die gleichen Trends der Elektronikindustrie. Was hindert also Testteams daran, von der gleichen Art von Plattformansatz zu profitieren wie Designteams? Die Antwort sind Silo-Workflows und selbst erstellte Testumgebungen, die einen einfachen Datenaustausch verhindern.

Raus aus dem Silo – CFI als Vorbild

Ähnlich wie die frühen computergestützten Entwicklungs- und Designprodukte (CAE/CAD), die proprietärer Natur waren, ist auch das elektronische Testen und Messen ein sehr spezialisiertes Geschäft. Viele Unternehmen entwickeln eigene, interne Methoden und Tools, um ihre spezifischen Testaufgaben zu bewältigen. Dafür fällt in der Regel ein hoher Wartungsaufwand an, der in vielen Fällen als notwendiges Übel betrachtet wird. Die Studie »Realize the Future of Testing and Validation Workflows Today« [1] bestätigt diesen Punkt: 91 Prozent der Befragten gaben an, interne Tools für Test und Verifikation entwickelt zu haben. Die Testingenieure folgen bewährten Methoden. Sie widerstreben dem Wandel von alten Wegen zu einem offeneren und vernetzten Ansatz.

Die Website »Semiconductor Engineering« [2] erklärt: »Das Ziel der CAD Framework Initiative (CFI) ist es, branchenübliche Standards und Technologien, die die Interoperabilität von EDA-Anwendungen (Electronic Design Automation) ermöglichen, sowie Daten für Endanwender und Lieferanten weltweit bereitzustellen.« Im CFI sind nach eigenen Angaben rund vierzig Unternehmen, die gemeinsam Industriestandards in den Bereichen Designmethodikmanagement, Architektur, Design, Datenmanagement, Systemumgebungen, Designrepräsentation, Intertool-Kommunikation und Benutzeroberfläche definieren.

In der Designwelt beschleunigten Interoperabilitätsstandards und Tool-Frameworks den Übergang zu offenen Systemen und Softwarelösungen. Sie überbrückten die Lücke zwischen logischen und physischen Abstraktionen und ihren jeweiligen Workflows. Die gemeinsame Arbeit der CAD Framework Initiative Anfang und Mitte der 90er Jahre trug dazu bei, EDA-Tools und -Methoden zugänglicher und interoperabler zu machen. Die Rahmenbedingungen boten auch die Möglichkeit, die ständig wachsenden Mengen an Designdaten besser zu verwalten. Während die Designwelt inzwischen an die Vorteile der Interoperabilität und plattformbasierter Methoden gewöhnt ist, leidet die Testwelt immer noch unter Silos und ineffizienten Übergängen zwischen den verschiedenen Schritten im Arbeitsprozess.

Da die Designwelt offene Frameworks und Interoperabilität eingeführt hat, sollte auch die Test-Community einen plattformbasierten Ansatz wählen, der auf offenen Frameworks und Interoperabilität basiert. So haben Keysight und Nokia kürzlich als ersten Schritt in diese Richtung OpenTAP, das Open Test Automation Project, gestartet. OpenTAP bietet eine skalierbare Open-Source-Architektur, die die Entwicklung von Automatisierungslösungen innerhalb des Test- und Messumgebungssystems verbessert und beschleunigt, mit nachgewiesenem Erfolg in der Produktion von 5G-Netzwerkgeräten.

Obwohl die Testautomatisierung eine notwendige Komponente einer plattformbasierten Lösung ist, deckt sie nicht den gesamten Workflow oder die End-to-End-Architektur ab. Um eine schnellere Lösungsentwicklung zu ermöglichen, die Produktivität durch vernetzte Workflows zu maximieren und gewonnene Erfahrungen effizienter in die Entwicklung zu integrieren, sollte eine plattformbasierte Testlösung den gesamten Entwicklungslebenszyklus abdecken (Bild 1). Sie sollte sowohl horizontale Arbeitsfunktionen als auch vertikale Arbeitsaufgaben berücksichtigen (Bild 2). Dafür benötigen plattformbasierte Testarchitekturen ein neues Framework, das offen, flexibel und skalierbar ist (Bild 3). Die zentralen Elemente in einem neuen Framework sind eine leistungsstarke Kommunikationsstruktur und ein einfach zu bedienendes Integrationskit, das ein schnelles »Plug and Play« zwischen selbst entwickelten und kommerziell verfügbaren Tools ermöglicht. Der Infrastrukturmechanismus ist die Verbindungsstruktur, die die notwendigen Transaktionen zwischen den Teilnehmern der Plattform rationalisiert. Das Integrations-Kit ist ein Satz von Regeln und Programmierschnittstellen, mit denen Anwendungs-Plug-ins mit der Struktur verbunden werden können.

Neben der Bereitstellung der richtigen Verbindungen muss das Framework auch den Austausch und die gemeinsame Wertschöpfung zwischen den Nutzern fördern. Das Framework sollte auf die Anforderungen von Systemingenieuren, Hardware-Ingenieuren, Laborleitern, Testplanern und Systemadministratoren zugeschnitten sein, die es für technische und geschäftliche Zwecke nutzen. Wird das Konzept in einem Framework überzeugend und durchdacht umgesetzt, kann sich eine Community aus Anwendern bilden, die an der Weiterentwicklung der Plattform mitwirkt, wie es mit einer proprietären Lösung nicht möglich ist.

Der Schlüssel zum Erfolg eines Frameworks liegt in einem gemeinsamen Datenmodell und einer gemeinsamen Benutzeroberfläche. Ein gemeinsames Datenmodell ermöglicht es den Herstellern, ihr geistiges Eigentum (IP) in das Framework einzubinden. Sobald die IP mit dem Framework verbunden ist, können die Nutzer damit konkrete Anwendungen entwickeln. Eine einheitliche Benutzeroberfläche bietet einen zentralen Überblick über die Plattformen und deren Verwaltung.

Plattformbasiertes Design

Als Beispiel für ein ideales Plattformkonzept wird ein spezifikationsgetriebener Workflow betrachtet, der mit der eigentlichen Produktspezifikation beginnt und endet und dadurch Simulation und Realität verbindet. Die Spezifikations- und Testvektoren unterstützen die Automatisierung, Messung, Konformität und Analytik (Bild 4). Ingenieure zerlegen Produktspezifikationen in Anforderungen und übersetzen dann automatisch Testklassen/-vektoren in ein Format, das alle Framework-Plug-ins verstehen und während des gesamten Entwicklungs-lebenszyklus gemeinsam nutzen.

Die automatisierte Übertragung von Testklassen und -vektoren in Testpläne beschleunigt sowohl Simulationen als auch Labortests. Dadurch entfällt ein zeitaufwendiger und fehleranfälliger manueller Prozess, sodass Ingenieure Tests in beiden Umgebungen in konsistenter Art und Weise durchführen können. Normalerweise modellieren sie Testaufbauten in der Simulation. Aufwendig ist dabei das Unterdrücken von Varianzen in den verschiedenen Simulationsergebnissen und der Korrelationstest mit den realen Testergebnissen. Dafür müssen gleiche Messverfahren, gleiche Kalibrierungen und gleiche Verfahren zur Fehlerunterdrückung verwendet werden. Eine gemeinsame Design- und Testplattform erleichtert diese Aufgabe und bietet zudem erhebliche Vorteile durch die Wiederverwendung von Software-Assets.

In Silo-Workflows befinden sich Simulations- und Testdaten in einer Datei, die manuell sortiert werden muss, was zeitaufwendig und fehleranfällig ist. Ein plattformbasierter Workflow markiert alle Ergebnisse mit relevanten Daten, darunter unter anderem Datum, Produktversion, Arbeitsplatz, durchgeführter Test, Testvektorparameter etc. Da die Ergebnisse gekennzeichnet sind, können die Ingenieure erkennen, welcher Test mit den Daten verknüpft ist und wie er durchgeführt wurde. Anschließend können die Ingenieure automatisch eine Konformitätsmatrix mit Pass/Fail-Kriterien und zusammenfassenden Ergebnissen ausfüllen. Für eine tiefere Analyse hat der Ingenieur auf jedes Testergebnis in der Konformitätsmatrix Zugriff und kann den genauen Signalverlauf einsehen. Vergleiche und Korrelationen zwischen verschiedenen Testdaten und auch zwischen Test- und Simulationsdaten sind möglich.

Literatur

[1] Realize the Future of Testing and Vali- dation Workflows Today. Keysight, White- paper, 2019. http://literature.cdn.keysight. com/litweb/pdf/5992-3784EN.pdf
[2] https://semiengineering.com/entities/cad-framework-initiative
[3] How TestOps Speeds Electronic Design and Test. Keysight, Whitepaper, 2019. https://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5992-3850EN.pdf?id=3040473
[4] The TestOps Manifesto: A Blueprint for Connected, Agile Design and Test. Keysight, Whitepaper, 2019. http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5992-3771EN.pdf

Der Autor

Scott Seiden
Ist Software Solutions Senior Manager bei Keysight Technologies. Er hat mehr als 25 Jahre in der EDA-, Halbleiter- und Netzwerkindustrie bei global agierenden Unternehmen wie Cadence, Xilinx und Cisco gearbeitet. Bei Keysight ist er im PathWave Software Solutions Team tätig, mit Schwerpunkt auf der Optimierung von kundenspezifischen Design- und Testprozessen.