Modernisierung Ihres Labors mit einer Validierungs-Framework-Architektur

Im ersten Whitepaper dieser Reihe, „Wie ein moderner Laboransatz die Post-Silizium-Validierung optimiert“, haben wir untersucht, wie das Testen des Funktionsumfangs von Geräten immer wichtiger wird, da Pläne für integrierte Schaltungen (IS) immer komplexer werden und geringere Kosten sowie kürzere Markteinführungszeiten erfordern. IS-Hersteller müssen auf ein hochgradig automatisiertes und integriertes Validierungs-Framework umsteigen, um alle Validierungsaktivitäten zu steuern. Dadurch werden eine maximale Wiederverwendbarkeit durch schnellere Inbetriebnahme sowie effiziente Mess- und Testmethoden für schnellere Fertigungsfreigaben („releases for manufacturing“, RTMs) gewährleistet.

Hier sprechen wir über die Menschen, Prozesse und Technologien, die Soliton und NI empfehlen, damit eine erfolgreiche Implementierung eines solchen Frameworks gelingt. Ein wichtiges Merkmal des Validierungs-Frameworks ist ein nahtloser Arbeitsablauf bei der Gerätevalidierung. Das Validierungsteam konzentriert sich auf die Entwicklung von Messungen, die für die Gerätevalidierung erforderlich sind, und sammelt Daten über verschiedene Bedingungen. Es ist wichtig, die Kernzeit, die dem Validierungsteam für die Entwicklung von Messungen während der Entwicklungsdauer zur Verfügung steht, effektiv zu nutzen. Die verschiedenen Komponenten des Frameworks sollten die Entwicklung von wiederverwendbarer Mess-IP erleichtern, die von mehreren Teams gemeinsam genutzt werden kann. Ein hocheffizientes Framework muss folgende Komponenten enthalten:

Abbildung 1: Menschen, Prozesse und Technologien bilden zusammen ein umfassendes Validierungs-Framework

Menschen

• Zusammenarbeit zwischen mehreren sich dem Lebenszyklus der Siliziumentwicklung widmenden Disziplinen (Entwurf, Verifizierung, Validierung und Test) in Bezug auf Spezifikationen und Messmethoden
• Zugriff auf Datendashboards zur Verfolgung des Fortschritts bei der Gerätevalidierung
• Ein einfacher Onboardingprozess mit Schulung und Support, um den neuen Validierungsingenieur schnell in die Lage zu versetzen, produktiv zu sein

Prozess

• Prüfstand-Setup und -Management (Installationsautomatisierung, Prüfstand-Replikation und Instrumentennutzung)
• Sowohl interaktive Fehlerbehebung (während der Entwurfserstellung) als auch automatisierte Datenerfassung für Validierungsingenieure
• Entwicklung einer Mess-IP mit der Möglichkeit zur Wiederverwendung und Übertragung

Technologie

• Ein zentraler Data Lake zum Speichern von Messdaten und Korrelieren von Daten aus anderen vertikalen Ebenen
• Mehrere Optionen, die von der Benutzerpräferenz abhängen (Python, NI LabVIEW, .NET)
• Hardwareabstraktion zur Unterstützung verschiedener Gerätetypen und -modelle

Abbildung 2: Eine eingehende Betrachtung der Elemente des effizienten Validierungs-Frameworks

Das Konfigurationsmanagement-Tool speichert alle Framework-Komponenten und wiederverwendbaren Modulpakete in einem zentralen Dateibestand. Das Tool, welches den Dateibestand auf der Serverseite verwaltet, verwaltet auch die Software- und Hardwaredetails, die in jeder Laborstation bereitgestellt werden. Durch eine solche Infrastruktur wird die Zeit für die Einrichtung eines Prüfstands und die Aktualisierung der Software erheblich reduziert.

Bereitstellung und Aktualisierung von Software

Sie können einen zentralen Server verwenden, um zentrale Framework-Komponenten wie wiederverwendbare Gerätekommunikation, wiederverwendbare Mess-IP und Gerätetreiber auf Stationen bereitzustellen – und Sie können dies vom Netzwerk aus erledigen. Wenn Sie die Mess-IP verbessern oder Fehler in einem Treiber beheben, können Sie diese mit einem einfachen Klick vom zentralen Dateibestand auf alle Stationen aktualisieren. Sie können auch das Prüfstand-Setup automatisch replizieren, einschließlich gerätespezifischer Testkonfigurationen, wodurch der Aufwand vermieden wird, den gesamten Quellcode manuell zu kopieren und die Konfigurationen zu bearbeiten sowie eingeführte Fehler zu beseitigen.

Während Sie kundenspezifische Lösungen für das Stationskonfigurationsmanagement und die Softwarebereitstellung hausintern erstellen können, können handelsübliche Tools dazu beitragen, Ihren Entwicklungs- und Wartungsaufwand zu reduzieren. Das NI SystemLink™ Software Configuration Module bietet beispielsweise eine schlüsselfertige Lösung für die zentrale Verwaltung von Messsystemen, sodass Sie Patches und Codebasis-Updates aus dem Netzwerk und effizient automatisieren können. Darüber hinaus verbessert das NI SystemLink Asset Module die Geräteauslastung und Qualitätskonformität durch Aufzeichnung, Nachverfolgung, Steuerung und Protokollierung von Testassets in Echtzeit – von der Beschaffung bis zur Entsorgung.

Sobald der erste Chip im Labor eingetroffen ist, setzt der Validierungsingenieur das Gerät auf und überprüft, ob alle grundlegenden Funktionen klappen. Schließlich kommen nicht nur der Validierungsingenieur, sondern auch Ingenieure aus verschiedenen Teams wie Entwurf, Verifikationssysteme und Anwendungen ins Labor, um mit dem Gerät zu arbeiten. Diese Ingenieure verfügen nicht über Software- oder Automatisierungskenntnisse, daher sollte das Framework über benutzerfreundliche Wake-up-, Fehlerbehebungs-Anwendungsfälle für den Auftraggeber und über Korrelationstools verfügen. Da Ingenieure mehr als 50 Prozent ihrer Zeit mit diesen Aktivitäten im Labor verbringen, ist es wichtig, dass das Labor über benutzerfreundliche und interaktive Tools für eine effiziente Fehlerbehebung verfügt.

Interaktive Ausführung von Messungen mithilfe einer Benutzeroberfläche (UI)

Ingenieure führen über ihre bevorzugte Anwendungsentwicklungsumgebung („Application Development Environment“, ADE) oder integrierte Entwicklungsumgebung („Integrated Development Environment“, IDE) Messungen aus und durchsuchen diese auf Fehler. Dies stellt eine Herausforderung dar, wenn Benutzer mit dem Development-Tech-Stack nicht vertraut sind und Messungen durchführen müssen. Die Verfügbarkeit einer Benutzeroberfläche für interaktive Messungen ermöglicht es Ingenieuren ohne Entwicklungserfahrung, sich dieselbe Mess-IP wie im Labor zunutze zu machen. Es ist effizienter, wenn der Messentwickler seiner Messung ohne großen Aufwand eine Benutzeroberfläche hinzufügen und diese einfach zugänglich machen kann.

Ingenieure können Messungen über die Benutzeroberfläche in NI InstrumentStudio™ Professional schreiben, die von dieser Software zusammen mit den Soft-Frontpanels der Geräte interaktiv ausgeführt werden kann, und sie können NI TestStand zur Testautomatisierung verwenden. In befehlsorientierten Programmiersprachen wie Python entwickelte Messungen können von interaktiven Benutzeroberflächen profitieren, die ohne zusätzliche Programmierung grafisch erstellt wurden.

Um Kunden zu unterstützen kann also ein Anwendungsingenieur die von einem Validierungsingenieur entwickelten Messungen effektiv nutzen, ohne den Tech-Stack erlernen zu müssen. Dadurch wird der Prozess effizienter und benutzerfreundlich.

Gerätesteuerung (Register Peek und Poke)

IC-Designs werden immer komplexer, und jeder IC verfügt über riesige Registerbanken zur Konfiguration und Steuerung verschiedener Funktionen. Prüflinge verfügen über digitale E/As zur Steuerung verschiedener Operationen.

Der Ingenieur entwickelt die Protokollkommunikations-APIs mit einem ausgewählten Controller oder Digitalmustererzeuger über mehrere Wochen. Das Kommunikationsmodul sollte auch in der Lage sein, digitale Leitungen vom Gerät zu steuern, um Gerätemodi zu konfigurieren.

Das UI-basierte Dienstprogramm zur Halbleiterregisterkonfiguration hilft beim Aufbau der Gerätekommunikation mit einer einfachen Konfiguration für Protokolle wie I2C, SPI, SPMI, I3C usw. Das Tool hilft, das Geräteverhalten zu verstehen und die Messprozedur interaktiv zu überprüfen, bevor die Messung automatisiert wird.

Die anderen Funktionen sind nachfolgend aufgeführt:

• Importieren der gesamten Registerzuordnung (Register- und Feldebeneninformationen) des Geräts in die intuitive grafische Benutzeroberfläche (GUI).
• Gerätekommunikation mithilfe der Schreib-/Lese-Registeroperationen der GUI, Konfiguration der Geräteregister für die Fehlersuche in einem Anwendungsfall eines Auftraggebers oder in der grundlegenden Funktionsweise des Geräts.
• Aufzeichnen der Lese-/Schreiboperationssequenzen als Makro zur späteren Verwendung in der Automatisierung.
• Speichern der Momentaufnahme der Registerzuordnung des Geräts für eine bestimmte Messung und späteres Abrufen der Konfiguration in der Automatisierung.

Wenn Sie eine standardisierte Gerätesteuerung implementieren möchten, ziehen Sie eine schlüsselfertige Standardlösung wie das NI Semiconductor Device Control Add-On in Betracht, das intuitive interaktive Möglichkeiten zur Gerätesteuerung bietet, die sich schnell auf eine automatisierte Validierung skalieren lassen.

Gerätesteuerungsfeld

Sie können Geräte auf dem Prüfstand über eine einfache Benutzeroberfläche steuern und nach Bedarf über die Plugin-Architektur neue Gerätesteuerungsfelder hinzufügen. Das Standard-Framework bietet häufig verwendete Geräte wie Netzteile, SMUs und Oszilloskope, sodass Sie die Software nicht entwickeln müssen. Mit diesen Werkzeugen können Sie die Hardwarekarten und den Prüfling manuell einschalten und beim Auftreten von Problemen eine Fehlersuche für Hardware und Prüflinge ausführen.

Gerätekonfiguration

Das Gerät kann während der Fehlersuche über diese interaktiven Benutzeroberflächen konfiguriert werden. Speichern Sie die Geräteeinstellungen als Konfiguration und laden Sie diese später während der Messautomatisierung in das Gerät.

Mit InstrumentStudio erhalten Sie beispielsweise eine integrierte Gerätekonfigurationsumgebung, in der Sie schnelle, interaktive Messungen durchführen und Konfigurationsdaten exportieren können, was den Weg zur Automatisierung vereinfacht.

Zuordnen von Prüfling-Pins zu Instrumentenkanälen

In der Regel definieren Ingenieure die Testprozedurparameter aus der Perspektive des Prüflings. Die Pinverbindung des Prüflings mit der Validierungshardwarekarte ist in den Messcode eingebettet. Das Pinzuordnungs-Utility definiert die Zuordnung zwischen den Prüflingspins und der Leiterplatte der Validierungshardware, wodurch es einfacher ist, die Zuordnungsinformationen außerhalb des Messcodes zu halten. Wenn sich Geräte und Prüfling ändern, ändert sich nur die Zuordnung – nicht aber der Programmcode. Eine Pinzuordnung abstrahiert spezifische Geräte- und Prüflingsdetails aus der Kernmess-IP und fördert die Wiederverwendung der Mess-IP für verschiedene Produkte und Teams, ohne dass während der Wiederverwendung eine manuelle Bearbeitung erforderlich ist.

Mess-IP/Bibliothek

Die Kernaufgabe eines Validierungsingenieurs ist die Entwicklung der für das Gerät erforderlichen Messungen. Bei der Entwicklung einer typischen Messung werden die Eingangsparameter oft im Messcode festgelegt. Wenn ein anderer Ingenieur oder ein Team ein ähnliches Gerät validiert, muss der Programmcode kopiert und der Messcode an das neue Gerät angepasst werden. Dies erfordert viele Codeänderungen und vollständige Code-Tests, was mit zusätzlichem Zeit-, Arbeits- und Kostenaufwand verbunden ist.

Idealerweise würde das Framework die Entwicklung der Mess-IP mit Eingabeparametern und Sweep-Parametern zur Wiederverwendung abstrahieren, sei es in einem anderen Gerät derselben Familie oder einem anderen Gerät mit derselben Silizium-IP. Dann können andere Ingenieure die wiederverwendbaren Mess-IPs in der Automatisierung verwenden, um mehrere Messungen auf demselben Gerät durchzuführen und unterschiedliche Testbedingungen wie die Temperatur und die Eingangsversorgung zu durchlaufen. Eine wiederverwendbare Mess-IP reduziert die Zeit für die Entwicklung/Fehlerbehebung von Messungen für ein ähnliches Gerät oder eine ähnliche Familie, spart Zeit und Kosten und beschleunigt die Markteinführung.

Sweep- und Schleifenbedingungen

Eine umfassende Gerätevalidierung erfordert Messungen unter vielen Bedingungen, um sicherzustellen, dass das Gerät innerhalb der Spezifikationen funktioniert. Daher sollte der Validierungsingenieur Messungen unter vielen Prozess-, Spannungs- und Temperaturbedingungen („PVT conditions“) durchführen, was ein flexibles, robustes Automatisierungs-Framework erfordert. Der Validierungsingenieur sollte in der Lage sein, die Sweep-Bedingungen im laufenden Betrieb zu konfigurieren, zu ändern und die Automatisierung effektiv ohne Änderung des Mess-IP-Codes durchzuführen. Innerhalb des Frameworks können Sie die Parameter konfigurieren, über welche die Messungen gesweept werden müssen:

• Einfache Konfiguration des Wertebereichs für jeden Sweep-Parameter in einem Nested Sweep
• Schnelle Erzeugung von Sweep-Werten basierend auf einer Verteilung und Visualisierung der Bedingungen
• Automatisches Protokollieren der Sweep-Bedingungen zusammen mit den Messwerten

Wenn die Sweep-Parametervom Messmodul abstrahiert werden, können Sie wiederverwendbare Mess-IP entwickeln und die Zusammenarbeit zwischen Teams fördern.

Testsequenzer

Der Testsequenzer ist das Herzstück der Automatisierung und Datenerfassung. Das Ziel des Validierungsingenieurs ist es, die für den Prüfling entwickelte Messung (aus der Mess-IP-Bibliothek) aneinanderzureihen und die Messungen unter PVT-Testbedingungen durchzuführen. Der Validierungsingenieur sollte dies ohne viel Softwareentwicklung schnell erledigen können. Der Testsequenzer des Frameworks ist ein einfach zu bedienendes Werkzeug mit einer geringen Trainingsbarriere. Verwenden Sie die Testsequenzumgebung für:

• Sequenztests mit Drag-and-drop-Aktionen und schneller Konfiguration der Eingabe
• Erstellung von Instrumenten- und Gerätekonfigurationen in der Fehlersuchumgebung/interaktiven Umgebung.
• Konfigurieren und Speichern aller PVT-Bedingungen im integrierten Sweep-Bedingungsmanager
• Schnelles Ausführen von Tests und Abrufen von Daten im CSV-integrierten Standarddatenprotokollierungsmodul.
• Beschleunigen der Datenerfassung über mehrere Prüflinge parallel zu Multi-Site-Tests
• Anpassen der Entwicklung mit fortgeschrittenen Programmiersprachenfunktionen wie Schleifen und Anweisungen

Mit der Test- und Messmanagementsoftware TestStand können Sie Messsequenzen in einer Standardlösung entwickeln, debuggen und bereitstellen. Sie können mehrfädige Sequenzen entwickeln, beliebige Programmiersprachen unterstützen, Berichte erstellen und in eine Datenbank protokollieren. Branchenführende Validierungsunternehmen verschwenden keine wertvolle Zeit und keine technischen Ressourcen mit der Entwicklung und Wartung von Softwarelösungen, die keinen Mehrwert für ihre Produktdesigns schaffen. Stattdessen können Teams durch die Zusammenarbeit mit einem Software-Experten wie NI mehr Zeit für Mess-IP, die Analyse der Geräteleistung und für Feedback zu Entwürfen mit einem einsatzbereiten Testsequenzer aufwenden.

Hardware- und Messabstraktion

Validierungslabors verwenden oft unterschiedliche Messgerätemodelle an verschiedenen Standorten oder Prüfständen. In diesen Fällen kann der auf einem Prüfstand entwickelte Messcode nicht auf einer anderen Bench wiederverwendet werden. Jeder Prüfstand hat seinen eigenen Messcode. Daher sind Testmessungen fragmentiert und können nicht wiederverwendet werden. Eine Hardwareabstraktionsschicht (HAL) löst dieses Problem durch Abstraktion der Geräteinformationen aus dem Messcode.

So könnte beispielsweise für Prüfstand A zum Einschalten des Prüflings eine NI-SMU verwendet werden. Prüfstand B verwendet jedoch ein Benchtop-Netzteil. Ohne HAL benötigt jeder Prüfstand einen benutzerdefinierten Messcode, um den Prüfling einzuschalten, und die Einschaltsequenz ist nicht wiederverwendbar. Mit HAL jedoch ruft der Urheber der Messung nur die übergeordneten APIs der höchsten Ebene in ihrer Implementierung auf. Die Auswahl der Hardware erfolgt in einer interaktiven Konfiguration auf dem Bildschirm für die Gerätepinzuordnung.

Abbildung 3: Abstraktionsschichten der Testsequenz

Wiederverwenden von Mess-IP

Die Entwicklung von Messmodulen über HAL und digitale Kommunikation modularisiert die spezifische Abhängigkeit. Diese Abstraktionen fördern die Entwicklung modularer und wiederverwendbarer Mess-IP und reduzieren den Entwicklungs- und Testaufwand.

​Normierter Datenlogger

Da Validierungstests über mehrere Stunden oder sogar Tage hinweg laufen, werden Sie Messdaten schnell erfassen und speichern wollen, um Datenverluste aufgrund unerwarteter System- oder Softwareprobleme zu vermeiden. Der standardisierte Datenlogger des Frameworks protokolliert nach jeder Schleife kontinuierlich Daten in einer lokalen CSV-Datei, um Datenverluste zu vermeiden. Diese lokale Speicherung bedeutet, dass Sie die Daten sofort überprüfen können, was eine schnellere Fehlerbehandlung ermöglicht.

Darüber hinaus enthält dieses Datenlogger-Modul die zum Zeitpunkt der Messung festgelegten Sweep-Bedingungen (PVT). Wenn der Manager oder Entwickler die Daten überprüft, sind alle zugehörigen Bedingungen zusammen mit den Messdaten verfügbar.

Abbildung 4: Kontinuierliches Aufzeichnen von Messwerten mit einem normierten Datenlogger

Zu den Vorteilen des normierten Datenloggers zählen:

• Gemeinsame Implementierung sowohl in interaktiven Bring-Up- als auch in Testautomatisierungs-Workflows
• Der Messentwickler konzentriert sich nur auf die Entwicklung der Kernmess-IP, während sich das Framework um die Protokollierung der Messdaten kümmert.
• Der Entwickler übergibt die Messdaten aus dem Messmodul mithilfe der Datenprotokollierungs-APIs des Frameworks und das Framework markiert alle Bedingungen automatisch zusammen mit den Messdaten.
• Sie können die Standarddaten in das gewünschte Analysewerkzeug laden, um sie zu überprüfen.
• Mit einer flexiblen Plugin-Architektur können Sie Speicherformate hinzufügen, ohne die Kernmessmodule zu beeinflussen.

Zentralisierte Speicherung und Analyse

Eine der größten Herausforderungen bei der Datenanalyse sind Benennungskonventionen: Da Validierungsingenieure Protokollierungsmöglichkeiten und Messcode mithilfe einer eigenen Auswahl an Namen entwickeln, erfordert jeder Name eine eindeutige Datenprüfungs- und Datenanalysemethode für jedes Gerät. Mit einem strukturierten und standardisierten Datenprotokollierungsformat können Sie Daten schnell visualisieren und die Fehlerbehandlung weniger zeitaufwändig machen.

Das Datenprotokollierungs-Framework unterstützt durch Kommas getrennte Werte (CSV), Excel, TDM-Streaming und das Standard Test Data Format (STDF). Die CSV-Datenaufzeichnung kann im Quer- oder Hochformat erfolgen.

• Im Querformat stellt jede Spalte einen Parameter und jede Zeile einen Messwert dar.
• Im Hochformat werden alle Messungen in drei Spalten protokolliert: Testname, Parametername und Parameterwert.

Ein standardisiertes Format mit Metamessdaten-Tags erhöht die Effizienz der Datenprotokollierung und hilft, sie zur Visualisierung schnell zu zeichnen. Es ist von entscheidender Bedeutung, während des gesamten Validierungslebenszyklus einfachen Zugriff auf die zentrale Speicherung von Validierungsdaten, Spezifikationsinformationen und Verifikationsdaten zu haben. Die zentrale Datenbank ist der Schlüssel für die Entwicklung von Werkzeugen wie:

• Automatisierte Erstellung von Spec-Compliance-Reports (vergleicht gemessene Geräteparameter mit den Haupt-Entwurfsparametern)
• Datenkorrelation zum Vergleich der Entwurfsverifizierung mit Silizium-Validierungsdaten

Wenn Sie an der Evaluierung einer Validierungs-Framework-Architektur für Ihr Labor interessiert sind, bieten NI und Soliton die Erfahrung einer jahrzehntelangen Zusammenarbeit, um Halbleiterkunden dabei zu helfen, ihre Effizienz zu verbessern und die Markteinführungszeit zu verkürzen. Mit über 100 LabVIEW- und TestStand-Ingenieuren und über 20 technischen Awards von NI bietet Soliton hochdifferenzierte technische Serviceleistungen zur Ergänzung von NI-Produkten und -Lösungen. Als NI Semiconductor Specialty Partner für Modern Lab, STS und SystemLink™-Software ist Soliton auf die Entwicklung speziell angefertigter Plattformlösungen für die Post-Silizium-Validierung spezialisiert, die durch leistungsstarke Tools und Standardisierung die technische Produktivität erheblich steigern können.

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