Testbench in Hardware
Validierung KI-basierter Simulationsmethoden im Chip-Entwurf
Die modulare Analog-Mixed-Signal-Testplattform AMS ASIC Scope von IMMS hilft bei der Ursachensuche an fehlerhaften Chips in der EDA, indem Simulationen und Tests aus der Designumgebung auf realen Schaltkreisen ausgeführt werden.
Bislang ließen sich Ergebnisse aus realen Messungen nur manuell in die Designumgebung übertragen.
Das IMMS forscht an Methoden zur KI-basierten Entwurfs- und Testautomatisierung, um den Entwicklungsprozess von integrierten Sensorsystemen sicherer und kostengünstiger zu machen. Mit neuronalen Netzen werden z. B. sehr effektiv nichtfunktionale Eigenschaften in bereits vorhandene Verhaltensmodelle integriert, die somit Bestandteil der Software-basierten Simulationsumgebung, der Testbench, werden. Sie erhöhen die Designsicherheit bereits sehr effektiv.
Trotzdem werden nach Herstellung der Schaltkreise bei deren Test und Charakterisierung Fehler gefunden, deren Ursachen zum Teil schwer zu ermitteln sind. An dieser Stelle hemmt die aktuell manuelle Kopplung der softwarebasierten Simulation und der hardwarebasierten Charakterisierung eine effektive Fehleranalyse. Ursachen dafür sind inkompatible Datenformate und ein äußerst aufwendiges Bild des realen Schaltungsverhaltens in der Simulation aufgrund der hohen Komplexität der Chips.
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Um Fehler im Entwurf durch Simulationen...
...noch besser verhindern zu können, müssen die Simulationsmethoden bezüglich ihrer Anwendbarkeit validiert und optimiert werden. Zu diesem Zweck hat das IMMS das AMS ASIC Scope entwickelt, eine Analog-Mixed-Signal-Testplattform (AMS) für anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC). Es ist der Kern einer neuartigen Validierungsumgebung, die analoge und digitale Parameter erzeugen und messen kann.
Ein modularer Ansatz ermöglicht Konfigurationen,...
...die für verschiedenste ASICs anwendbar sind. Die Messumgebung spiegelt mit physischen Teststrukturen die Anforderungen und Parameter einer simulativen Testbench aus der Designsoftware wider. Die neue Plattform ermöglicht so nicht nur automatisierte Testabläufe auf realen Schaltkreisen, sondern eine gemeinsame Beschreibung von Testfällen und Parametervariationen, also eine Rückkopplung vom Test zur Simulation. Die Ergebnisse dieser Tests sind vergleichbar mit Simulations- und Testdaten aus der Designumgebung. Sie können daher genutzt werden, Modelle aus dem Design zu validieren und zu verbessern. Bei auftretenden Schwachstellen wird die Suche nach der Ursache vereinfacht, weil Simulationsdaten und Messergebnisse direkt vergleichbar sind.
Verbesserungen in Test und Design
Mit dem AMS ASIC Scope werden sich Simulationen und Tests aus der Designumgebung für die meisten Testfälle auf realen Schaltkreisen anwenden lassen. Die Hardware implementiert dieses Konzept durch ein Modulsystem mit einer Haupteinheit zur Ansteuerung verschiedener modularer Einzelkarten für einzelne spezifische Aufgaben. Das System soll zukünftig die Entwicklung neuer ASICs unterstützen.
Die Kompatibilität von Simulation und realer Messung, die das Testsystem mit sich bringt, bietet große Vorteile sowohl im Test als auch im Design:
➔ Testentwicklung stark vereinfacht, da Simulationsstimuli verwendbar
➔ Evaluierung der Modelle aus Entwicklungsumgebung durch direkte Vergleichbarkeit
➔ Fehleridentifikation wird vereinfacht, Abweichungen zwischen Simulation und Test können wieder in die Entwurfsumgebung zurückgeführt werden.
Anforderungen
Um mit dem AMS ASIC Scope...
...lernende Algorithmen im Simulations- und Charakterisierungskontext einsetzen zu können, werden verschiedene Anforderungen an die Datenerfassung und -speicherung erfüllt. Die Datensätze werden unter gleichen Bedingungen erfasst und in kompatiblen Formaten gespeichert. Messsystem und Simulationsumgebung weisen somit identische Schnittstellen und Datenstrukturen auf.
Für die Vergleichbarkeit von Ergebnissen...
...zwischen Entwicklungs- und physischer Umgebung erfüllt das AMS ASIC Scope folgende Anforderungen:
➔ Generierung und Messung analoger Spannungen und Ströme
➔ Eingabe und Ausgabe digitaler Signale
➔ Lesen und schreiben von Daten über digitale Kommunikationsprotokolle
➔ Hohe Timing-Genauigkeit
- parallele Ablaufsteuerung/testspezi- fische Programmierung jedes Moduls
- Modulsynchronisation
- keine Timing-Verzögerungen durch das Betriebssystem
➔ Schnelle Datenverbindung zwischen Steuereinheit und Modulen (>10 Mbit/s)
Konzept der Plattform
Um die Anforderungen...
...bezüglich der Schaltkreis- und Simulationsparameter zu erfüllen, sind schaltkreisspezifische Spannungen und Ströme bereitzustellen und Signalisierungen zu erzeugen, die Funktionen aktivieren. Die zu untersuchenden Werte können digital und analog vom Testobjekt ausgegeben und gemessen werden. Hierfür hat das IMMS eine flexibel konfigurierbare Testplattform mit analogen und digitalen Ein- und Ausgabefunktionen (AMS) entwickelt.
Das Verhalten des ASICs...
...wird gleichzeitig durch Stimulierung mit Eingangssignalen und die Beobachtung seiner Ausgangssignale bewertet. Diese Messung stellt das Äquivalent zur Verhaltensbeschreibung einer Testbench dar. Mit diesem Vorgehen können Tests vergleichbar zur Simulation in Hardware nachgebildet werden. Dafür ist es notwendig, einen Schaltkreis sowohl mit analogen als auch digitalen Signalen zu stimulieren.
Das AMS ASIC Scope...
...erfüllt diese Funktionen durch einen modularen Ansatz. Eine für Schaltkreis und Test zugeschnittene Konfiguration ist so einfach realisierbar. Module des Messsystems sind somit austauschbar und an jeweilige Messanforderungen eines ASIC anpassbar. Eingebettet in einem Einschub-Tischgehäuse lassen sich die Module im Eurokarten-Format einfach und sicher montieren. Gesteuert werden die Komponenten des Messsystems über das Hauptmodul. Dieses lässt sich für die Ansteuerung des Messsystems per Netzwerkkabel mit einem PC koppeln.
Eine parallele Ablaufsteuerung...
...der Testabläufe wird durch programmierbare Logikbausteine (FPGAs) auf den Modulen realisiert. Diese bekommen ihre modulspezifischen Messabläufe vom Hauptmodul mitgeteilt und können über vorhandene Signalisierungsleitungen miteinander synchronisiert werden. Nach einem Messdurchlauf werden Messergebnisse vom Hauptmodul zurückgelesen. Jedes Modul lässt sich somit speziell für eine Messaufgabe zuschneiden. Folgende Modulimplementierungen sind hierfür u. a. möglich:
➔ Digitalkarte
➔ Analogkarte
➔ Oszilloskop-Funktion
➔ AWG(Arbitrary Waveform Generator)-Funktion
➔ Stromversorgung mit hoch-dynamischer Messfunktion
➔ Source-Measurement-Funktionalität.
- Validierung KI-basierter Simulationsmethoden im Chip-Entwurf
- Komponenten der Plattform
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