（本文編譯自Semiconductor Engineering）
汽車行業(yè)正在生產(chǎn)具備越來(lái)越高實(shí)時(shí)決策能力的車輛，這一能力由數(shù)千個(gè)集成電路、傳感器和多芯片封裝所支撐。但確保這些系統(tǒng)在預(yù)期使用壽命內(nèi)完美運(yùn)行，正成為一項(xiàng)日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)上，汽車芯片以成熟制程節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)，周期為五到七年，但過(guò)去五年發(fā)生了很大變化。機(jī)械系統(tǒng)已被先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、復(fù)雜信息娛樂(lè)系統(tǒng)和基于芯粒的系統(tǒng)所取代，這些系統(tǒng)依靠高性能計(jì)算來(lái)實(shí)時(shí)處理更多傳感器數(shù)據(jù)。
讓各種功率器件、閃存、顯示驅(qū)動(dòng)器和電子控制單元達(dá)到汽車級(jí)質(zhì)量水平（每百萬(wàn)件缺陷率<1，DPPM）是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，這需要測(cè)試設(shè)計(jì)和測(cè)試領(lǐng)域進(jìn)行大量創(chuàng)新。
除了零DPPM目標(biāo)外，降低測(cè)試成本的壓力始終存在，以確保芯片制造商維持足夠的毛利率。面對(duì)領(lǐng)先制程芯片、模塊和系統(tǒng)的制造，質(zhì)量 / 測(cè)試覆蓋范圍與成本之間的微妙平衡正變得更難把控。
ADAS 2級(jí)至5級(jí)
ADAS分為五個(gè)實(shí)施級(jí)別。如今，大多數(shù)新車處于L2或L3級(jí)別（見(jiàn)圖1）。西門子EDA汽車測(cè)試解決方案總監(jiān)Lee Harrison表示：“隨著ADAS等級(jí)提升，由于需要逐步減少人為干預(yù)，更多ADAS組件需滿足更高安全標(biāo)準(zhǔn)。開(kāi)發(fā)符合ISO 26262 ASIL-D的大型系統(tǒng)是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。”
圖1：ADAS級(jí)別。
（圖源：SAE）
ISO26262定義了四個(gè)汽車安全完整性等級(jí)：ISIL A至D。ASIL A代表最低程度的汽車危險(xiǎn)，而ASIL D代表最高程度安全完整性要求，包括動(dòng)力轉(zhuǎn)向、安全氣囊和防抱死制動(dòng)系統(tǒng)等。此外，ADAS定義了五個(gè)自動(dòng)化等級(jí)。目前大多數(shù)車輛處于L2（部分駕駛自動(dòng)化）或L3（有條件駕駛自動(dòng)化，允許短暫視線脫離）級(jí)別，L5代表完全自動(dòng)駕駛。
在L3級(jí)，車輛配備數(shù)千個(gè)傳感器，包括雷達(dá)、攝像頭、激光雷達(dá)、超聲波傳感器等。這些傳感器的部署會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，需要實(shí)時(shí)處理才能觸發(fā)即時(shí)響應(yīng)。
由于從L3到L4是巨大的技術(shù)飛躍，專家認(rèn)為可能需要新增過(guò)渡等級(jí)。“L3之后，不會(huì)進(jìn)入L4開(kāi)發(fā)，而是先推進(jìn)L3+等中間等級(jí)，”弗勞恩霍夫IIS自適應(yīng)系統(tǒng)工程部門設(shè)計(jì)方法論主管Roland Janke表示，“對(duì)于更高級(jí)別的自動(dòng)化，已無(wú)法在實(shí)際道路上測(cè)試所有功能，虛擬測(cè)試的比例將顯著增加。”
虛擬測(cè)試本質(zhì)上是測(cè)試流程的數(shù)字孿生版本。“它通過(guò)提供硬件和測(cè)試的虛擬原型來(lái)完成，測(cè)試可以是專注于功能或時(shí)序等特定主題的精簡(jiǎn)版軟件，也可以是該虛擬原型上的完整軟件，”Janke解釋道，“為了減少?gòu)?fù)雜硬件/軟件系統(tǒng)的實(shí)際路測(cè)，虛擬測(cè)試將變得更加重要。虛擬硬件的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是，它允許在物理硬件交付之前就進(jìn)行軟件的開(kāi)發(fā)和測(cè)試，從而實(shí)現(xiàn)兩者并行開(kāi)發(fā)，節(jié)省上市時(shí)間。”
Janke指出，雖然構(gòu)建這些模型需要額外工作，但也有一些優(yōu)勢(shì)，比如在與供應(yīng)商溝通時(shí)可以重復(fù)使用。這些模型也可以作為硬件實(shí)現(xiàn)的黃金參考標(biāo)準(zhǔn)。
汽車測(cè)試涉及哪些方面？
汽車是半導(dǎo)體的安全關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，由于事關(guān)生命安全，因此質(zhì)量至關(guān)重要。汽車集成電路在測(cè)試環(huán)節(jié)的一大特殊之處，在于需要通過(guò)三溫應(yīng)力測(cè)試（-40°C/105°C/175°C），以有效模擬其需要承受的工作溫度。這三個(gè)溫度點(diǎn)依據(jù)另一標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q100定義的汽車等級(jí)確定。此外，在最終測(cè)試前，汽車芯片還要經(jīng)過(guò)高溫工作壽命(HTOL)測(cè)試和封裝級(jí)老化測(cè)試。
汽車IC客戶對(duì)測(cè)試覆蓋率要求更高，常使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的異常值檢測(cè)方法，將質(zhì)量水平提升到接近零DPPM的水平。除高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)外，分級(jí)篩選（Binning）也是汽車行業(yè)的常見(jiàn)做法。
汽車中半導(dǎo)體元件數(shù)量已從內(nèi)燃機(jī)汽車的幾百個(gè)，激增至電動(dòng)汽車的5000個(gè)之多。泰瑞達(dá)復(fù)雜SoC業(yè)務(wù)單元總經(jīng)理 Fisher Zhang指出：“芯片數(shù)量增加的同時(shí)，仍需維持整體相同的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和低缺陷水平，這意味著每個(gè)組件的質(zhì)量要求實(shí)際上在提升。”
新思科技高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理Pawini Mahajan詳細(xì)介紹了汽車測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)：
符合ISO 26262的故障覆蓋率：需采用先進(jìn)故障模型（如單元感知、路徑感知），以滿足高診斷覆蓋率和安全指標(biāo)。
系統(tǒng)內(nèi)測(cè)試 (BiST/LBiST/MBiST)：具備在車輛運(yùn)行中執(zhí)行自測(cè)試的能力，同時(shí)將面積、功耗和性能影響降至最低。
超低DPPM目標(biāo)：需通過(guò)高靈敏度故障檢測(cè)和測(cè)試逃逸分析，實(shí)現(xiàn)<1 DPPM的缺陷率。
測(cè)試時(shí)間與覆蓋率：需使用掃描壓縮和高效測(cè)試調(diào)度，來(lái)平衡高測(cè)試覆蓋率和嚴(yán)格的成本限制。
惡劣條件下的DFT穩(wěn)健性：測(cè)試邏輯必須在汽車環(huán)境中典型的寬溫度和電壓范圍內(nèi)可靠運(yùn)行。
故障模型持續(xù)迭代更新。“先進(jìn)故障模型，超越了常規(guī)的固定故障和過(guò)渡故障模型，能更準(zhǔn)確地模擬芯片中常見(jiàn)的缺陷，針對(duì)不同的缺陷創(chuàng)建有針對(duì)性的模式，例如物理橋接/開(kāi)路/單元鄰域故障，”西門子EDA的Harrison表示，“我們甚至正在研究應(yīng)力測(cè)試故障模型，通過(guò)制造階段對(duì)晶體管施加應(yīng)力，識(shí)別可能導(dǎo)致芯片早期失效的潛在隱患。”
其他挑戰(zhàn)與測(cè)試流程直接相關(guān)。“在三溫測(cè)試中，將芯片溫度保持在預(yù)期溫度范圍內(nèi)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。此外，測(cè)試板空間（負(fù)載板和探針卡的復(fù)雜性）也限制了最大并行測(cè)試能力，”愛(ài)德萬(wàn)測(cè)試V93000電源/模擬/控制業(yè)務(wù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Toni Dirscherl表示，“這些包含大量模擬參數(shù)的大型測(cè)試程序開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，需要大量相關(guān)性驗(yàn)證工作。”
為提升異常檢測(cè)能力，芯片廠商正使用AI程序和片上傳感器。在制造初期和大規(guī)模生產(chǎn)階段，芯片廠商還通過(guò)多重測(cè)試策略減少早期失效（所謂的硬故障），并使用壓力測(cè)試（使用電壓和/或溫度壓力）來(lái)誘使?jié)撛谌毕荩ㄋ^的軟故障）暴露。
現(xiàn)場(chǎng)和系統(tǒng)內(nèi)測(cè)試
“當(dāng)前，汽車應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試主要支持預(yù)測(cè)性維護(hù)，包括使用嵌入式傳感器和監(jiān)視器進(jìn)行實(shí)時(shí)任務(wù)模式測(cè)試，以測(cè)量路徑裕度或內(nèi)存時(shí)序等指示設(shè)備性能下降的參數(shù)，”新思科技工程架構(gòu)總監(jiān)Jyotika Athavale表示。在故障發(fā)生前檢測(cè)到這種退化至關(guān)重要。“隨著行業(yè)向自動(dòng)駕駛演進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試將不斷發(fā)展，以應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的AI工作負(fù)載帶來(lái)的更高故障率，因此需要更廣泛、更先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并提高測(cè)試覆蓋率。”他表示。
圖2：片上監(jiān)視器、高速I/O接口、測(cè)試程序IP以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試診斷故障分析方法示意圖。
（圖源：新思科技）
系統(tǒng)內(nèi)測(cè)試涉及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)（包括硬件和軟件）的測(cè)試，以確保其在功能性和非功能性要求方面按預(yù)期運(yùn)行。西門子EDA的Harrison表示。“系統(tǒng)內(nèi)測(cè)試幾乎已成為汽車芯片的必備要求。這可通過(guò)多種解決方案實(shí)現(xiàn)，例如系統(tǒng)內(nèi)結(jié)構(gòu)測(cè)試和通過(guò)軟件測(cè)試庫(kù)進(jìn)行的系統(tǒng)內(nèi)軟件測(cè)試。通常，結(jié)構(gòu)性系統(tǒng)內(nèi)測(cè)試的缺陷覆蓋率非常高，而功能性軟件測(cè)試庫(kù)則用于針對(duì)特定功能進(jìn)行測(cè)試。”
圖3：通過(guò)片上流掃描網(wǎng)絡(luò)測(cè)試基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行確定性測(cè)試。
（圖源：西門子EDA）
Harrison表示：“目前系統(tǒng)內(nèi)測(cè)試的主流技術(shù)主要基于BiST，包括MBiST和LBiST。隨著質(zhì)量要求的提高，系統(tǒng)內(nèi)確定性測(cè)試技術(shù)可以彌補(bǔ)現(xiàn)有缺口，將邏輯BiST的測(cè)試質(zhì)量提升到與制造測(cè)試相同的質(zhì)量水平。”
正如汽車系統(tǒng)日益受到關(guān)注，測(cè)試單元的維護(hù)也愈發(fā)重要。“關(guān)注完整測(cè)試單元的互操作性變得越來(lái)越重要，”愛(ài)德萬(wàn)測(cè)試的Dirscherl表示，“主動(dòng)熱冷卻、每站點(diǎn)的獨(dú)立熱管理，以及大電流路徑的插座/探針接觸監(jiān)控等問(wèn)題都至關(guān)重要。”
隨著測(cè)試儀插座和老化插座上觸點(diǎn)數(shù)量不斷增加，同軸插座的特性分析和維護(hù)也越來(lái)越受到關(guān)注。在測(cè)試代工廠或OSAT中使用插座測(cè)試協(xié)議進(jìn)行定期測(cè)試，可確保插座使用良好。
軟件定義汽車將如何改變認(rèn)證體系？
隨著汽車越來(lái)越多地由軟件定義，工程師們正追蹤軟件對(duì)芯片實(shí)際性能的影響。制造商必須能夠在產(chǎn)品生命周期初始及后續(xù)階段，持續(xù)觀測(cè)和追蹤軟件對(duì)硬件的影響，尤其是在OTA（空中下載技術(shù)）更新場(chǎng)景下。
“通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的片上監(jiān)控，我們通過(guò)將測(cè)試時(shí)的可靠性預(yù)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行條件關(guān)聯(lián)起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)這種可視化。智能代理會(huì)在系統(tǒng)的整個(gè)生命周期內(nèi)持續(xù)監(jiān)控，以跟蹤性能下降情況，從而預(yù)防故障、進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)，”Mendelsohn解釋道，“這種方法能夠精確地監(jiān)控實(shí)際性能與預(yù)期性能之間的差異，也能幫助客戶追溯任何性能偏移的根本原因。”
結(jié)語(yǔ)
由于汽車的運(yùn)行壽命為12至15年，而數(shù)據(jù)中心通常的運(yùn)行壽命為3至7年，因此，汽車測(cè)試必須滿足比普通集成電路更高的可靠性和安全標(biāo)準(zhǔn)。如今，在車輛全生命周期內(nèi)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)反饋?zhàn)兊弥陵P(guān)重要，尤其是隨著更多先進(jìn)制程器件應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。
出于這些原因，芯片廠商越來(lái)越多地采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和片上監(jiān)控器，以及基于機(jī)器學(xué)習(xí)的軟件，以檢驗(yàn)實(shí)際設(shè)備性能是否與預(yù)測(cè)值相符，并精準(zhǔn)預(yù)判性能退化和老化趨勢(shì)。數(shù)字孿生虛擬測(cè)試將在這些預(yù)測(cè)中發(fā)揮重要作用，左移測(cè)試也將發(fā)揮重要作用。
