검증 프레임워크 아키텍처를 통한 첨단 실험실 구현
개요
내용
효율적인 검증 프레임워크의 요소
이 시리즈 첫 백서인 "최신 실험실 방식으로 포스트 실리콘 검증을 최적화하는 방법"에서는 집적 회로 (IC) 설계가 더 복잡해지고 비용 요구사항과 개발 시간이 줄어들면서 디바이스 기능 테스트의 중요성이 커지는 현상에 대해 살펴보았습니다. IC 제조업체는 모든 검증 작업을 포괄하는 고도로 자동화되고 통합된 검증 프레임워크로 전환하여 신속한 가동을 통해 재사용성을 최대화하고 효율적인 측정/테스트 방법을 통해 제조까지 걸리는 시간 (RTM)을 줄여야 합니다.
이 백서에서는 그러한 프레임워크를 성공적으로 구현하기 위해 필요하므로 Soliton과 NI가 권장하는 사람, 프로세스 및 기술에 대해 논의합니다. 검증 프레임워크의 중요한 특징 중 하나는 원활한 디바이스 검증 작업 흐름입니다. 검증 팀은 디바이스 검증에 필요한 측정 개발에 초점을 맞추고 다양한 조건에서 데이터를 수집합니다. 검증 팀의 핵심 측정 개발 시간을 효과적으로 사용하는 것은 매우 중요합니다. 이 프레임워크의 다양한 구성요소는 재사용 가능한 측정 IP를 개발하여 팀 사이에서 쉽게 공유할 수 있게 할 것입니다. 매우 효율적인 프레임워크는 다음 구성요소를 포함해야 합니다.
그림 1. 사람, 프로세스, 기술이 결합되어 포괄적인 검증 프레임워크가 완성
사람
- 스펙 및 측정 방법에 대한 여러 실리콘 개발 수명 주기 분야 (설계, 확인, 검증 및 테스트) 사이의 협업
- 디바이스 검증 진행 상태를 추적하기 위한 데이터 대시보드 접근
- 새 검증 엔지니어가 신속하게 생산성을 높일 수 있도록 하는 교육 및 지원이 포함된 간단한 신입 교육 절차
프로세스
- 벤치 설치 및 관리 (설치 자동화, 벤치 복제 및 계측기 활용)
- 검증 엔지니어를 위한 대화식 디버깅 (설계자용 휴면 해제 중)과 자동화된 데이터 수집
- 재사용 및 공유 기능을 통한 측정 IP 개발
기술
- 측정 데이터를 저장하고 다른 분야의 데이터와 상호연관시키기 위한 중앙 데이터 호수
- 여러 가지 사용자 선호 옵션 (Python, NI LabVIEW, .NET)
- 다양한 계측기 유형 및 모델을 지원하는 하드웨어 추상화
그림 2. 효율적인 검증 프레임워크 요소 상세 그림
배포 및 설정 관리
설정 관리 도구는 모든 프레임워크 구성요소와 재사용 가능한 모듈 패키지를 중앙 저장소에 저장합니다. 서버 측에서 저장소를 관리하는 도구는 각 실험실 스테이션에 배포된 소프트웨어 및 하드웨어 세부사항도 관리합니다. 이러한 인프라를 사용하면 벤치를 설치하고 소프트웨어를 최신 버전으로 유지하는 데 걸리는 시간이 크게 단축됩니다.
소프트웨어 배포 및 업데이트
중앙 서버를 사용하면 재사용 가능한 디바이스 통신, 재사용 가능한 측정 IP, 계측기 드라이버와 같은 핵심 프레임워크 구성요소를 스테이션에 배포할 수 있으며 원격으로 이를 수행할 수 있습니다. 측정 IP를 개선하거나 드라이버의 버그를 수정하면, 중앙 저장소에서 클릭 한 번으로 모든 스테이션에서 이를 업데이트할 수 있습니다. 또한 디바이스별 테스트 설정을 포함하여 자동으로 벤치 설정을 복제할 수 있으므로, 모든 소스 코드를 수동으로 복사하고 설정을 편집해야 하는 노력을 피하고 실수를 방지할 수 있습니다.
스테이션 설정 관리 및 소프트웨어 배포 솔루션을 내부적으로 구축할 수 있지만, 상용 도구를 사용하면 개발 및 유지관리 부담을 줄일 수 있습니다. 예를 들어, NI SystemLink™ Software Configuration Module은 측정 시스템을 중앙 관리하는 턴키 솔루션을 제공하므로 패치와 코드베이스 업데이트를 원격으로 자동화할 수 있습니다. 또한 NI SystemLink Asset Module은 조달부터 폐기까지 테스트 자산에 대한 리얼타임 기록, 추적, 제어 및 보고를 통해 장비 활용도와 품질 준수를 개선합니다.
대화식 디버그
첫 실리콘 제품이 실험실에 도달하면, 검증 엔지니어의 첫 번째 작업은 디바이스를 가동하여 모든 기본 기능이 제대로 작동하는지 확인하는 것입니다. 결국 검증 엔지니어뿐만 아니라, 설계, 확인 시스템, 어플리케이션과 같은 다양한 팀의 엔지니어가 실험실로 와서 디바이스로 작업하게 됩니다. 이러한 엔지니어들은 소프트웨어 또는 자동화 전문 지식이 없으므로 프레임워크에는 사용하기 쉬운 휴면 해제, 디버깅 기능이 있어야 하며 상호연관 도구를 포함해야 합니다. 엔지니어는 실험실에서 이러한 활동에 시간의 50% 이상을 소비하므로, 효율적인 디버깅을 위해 사용하기 쉬운 대화식 도구가 반드시 실험실에 있어야 합니다.
UI를 사용하여 대화식으로 측정 실행
엔지니어는 선호하는 ADE 또는 IDE를 통해 측정을 실행하고 디버깅합니다. 이는 사용자가 개발 기술 스택에 대해 잘 모르는 상태에서 측정을 실행해야 할 때 문제가 될 수 있습니다. 대화식으로 측정을 실행할 수 있는 UI를 사용하면 개발 경험이 없는 엔지니어도 실험실에서 사용되는 것과 같은 측정 IP를 활용할 수 있습니다. 측정 개발자가 측정에 UI를 추가하고 쉽게 공유할 수 있도록 많은 노력을 기울일 필요가 없을 때 보다 효율적입니다.
엔지니어는 이 소프트웨어에서 계측기의 소프트 프런트 패널과 함께 대화식으로 실행할 수 있는 NI InstrumentStudioTM Professional에서 UI를 사용하여 측정을 쓸 수 있으며, 테스트 자동화에 NI TestStand를 사용할 수 있습니다. Python과 같은 텍스트 기반 언어로 개발된 측정은 추가 프로그래밍 없이 그래픽으로 생성된 대화식 UI를 활용할 수 있습니다.
이제 어플리케이션 엔지니어는 검증 엔지니어가 개발한 측정을 효과적으로 활용하여 기술 스택 학습에 대한 부담 없이 고객을 지원하여 보다 효율적이고 사용자에게 친근한 프로세스를 만들 수 있습니다.
디바이스 제어 (레지스터 미리 보기 및 쓰기)
IC 설계는 점점 더 복잡해지고 있으며, 각 IC에는 다양한 기능을 설정하고 제어하는 대규모 레지스터 뱅크가 있습니다. DUT에는 다양한 작업을 제어하는 디지털 I/O가 있습니다.
엔지니어는 선택한 컨트롤러 또는 디지털 패턴 생성기를 사용하여 여러 주 동안 프로토콜 통신 API를 개발합니다. 또한 통신 모듈은 계측기의 디지털 라인을 제어하여 디바이스 모드를 설정할 수 있어야 합니다.
UI 기반 반도체 레지스터 설정 유틸리티는 간단한 설정으로 I2C, SPI, SPMI, I3C 등과 같은 프로토콜 디바이스 통신을 설정할 수 있도록 지원합니다. 이 도구는 측정 자동화 전에 디바이스 동작을 이해하고 대화식으로 측정 절차를 확인할 수 있도록 돕습니다.
다른 기능은 다음과 같습니다.
- 디바이스의 레지스터 맵 전체 (레지스터 및 필드 레벨 정보)를 직관적인 GUI로 가져오기
- GUI의 레지스터 쓰기/읽기 작업을 사용하여 디바이스와 통신하고 고객 사용 사례 또는 디바이스의 기본적인 작동을 디버깅하기 위해 디바이스 레지스터를 설정
- 읽기/쓰기 작업 시퀀스를 매크로로 기록하여 나중에 자동화에 사용
- 특정 측정에서의 디바이스의 레지스터 맵 스냅샷을 저장하고 나중에 복구해 자동화에 사용
표준화된 디바이스 제어를 구현하려는 경우, 자동 검증으로 신속하게 확장할 수 있는 직관적인 대화식 디바이스 제어 기능을 제공하는 NI 반도체 디바이스 제어 애드온과 같은 턴키 솔루션을 고려하십시오.
계측기 제어 패널
간단한 사용자 인터페이스를 통해 벤치 계측기를 제어하고 플러그인 아키텍처를 통해 필요에 따라 새 계측기 제어 패널을 추가할 수 있습니다. 기성 프레임워크는 전원 공급, SMU, 오실로스코프와 같은 자주 사용되는 계측기를 제공하므로 소프트웨어를 개발할 필요가 없습니다. 이러한 도구를 사용하면 하드웨어 보드와 DUT에 수동으로 전원을 제공하고 하드웨어 및 DUT 문제를 모두 디버깅할 수 있습니다.
계측기 설정
디버깅 중에 이 대화식 GUI로 계측기를 설정할 수 있습니다. 계측기 셋팅을 저장하고 나중에 측정 자동화 중에 계측기로 불러오십시오.
예를 들어, InstrumentStudio를 사용하면 신속한 대화식 측정을 수행하고 설정 데이터를 반출하여 자동화를 단순화할 수 있는 통합 계측기 설정 환경을 구현할 수 있습니다.
DUT 핀을 계측기 채널에 맵핑
일반적으로 엔지니어는 DUT 관점에서 테스트 절차 파라미터를 정의합니다. 검증 하드웨어 보드에 대한 DUT 핀 연결은 측정 코드에 내장되어 있습니다. 핀 맵 유틸리티는 DUT 핀과 검증 하드웨어 PCB 간의 맵핑을 정의하여 측정 코드 밖에서 맵핑 정보를 보다 쉽게 유지할 수 있도록 합니다. 계측기와 DUT가 변경되면, 코드가 아닌 맵핑만 변경됩니다. 핀 맵은 핵심 측정 IP에서 특정 계측기와 DUT 세부사항을 추상화하고, 다양한 제품 및 팀에서 수동 편집 없는 측정 IP 재사용을 지원합니다.
측정 관리 및 자동화
측정 IP/라이브러리
검증 엔지니어의 핵심 작업은 디바이스에 필요한 측정을 개발하는 것입니다. 일반적으로 측정을 개발할 때, 측정 코드 내에 입력 파라미터를 직접 포함시키는 경우가 많습니다. 다른 엔지니어 또는 팀이 유사한 디바이스를 검증하려면, 그 코드를 복사하고 측정 코드를 새 디바이스에 맞도록 사용자 정의해야 합니다. 여기에는 코드 변경이 많이 필요하며 전체 코드 테스트가 필요하므로 시간, 노력 및 비용을 추가해야 합니다.
이상적으로, 프레임워크는 동일한 제품군의 다른 디바이스에서든, 동일한 실리콘 IP를 가진 다른 디바이스에서든 재사용을 위해 입력 및 스윕 파라미터로 측정 IP 개발을 추상화합니다. 그런 다음 다른 엔지니어는 자동화 중 재사용 가능한 측정 IP를 사용하여 같은 디바이스에서 여러 측정을 실행하고 온도 및 입력 공급과 같은 다양한 테스트 조건을 스윕할 수 있습니다. 재사용 가능한 측정 IP는 유사한 디바이스 또는 제품군의 측정 개발/디버깅 시간을 단축하여 시간과 비용을 절감하고 개발 기간을 단축합니다.
스윕 및 루프 조건
포괄적인 디바이스 검증을 위해서는 디바이스가 스펙 내에서 작동하는지 확인하기 위해 여러 조건에서 측정해야 합니다. 그러므로 검증 엔지니어는 다양한 프로세스, 전압, 온도 (PVT) 조건에서 측정을 수행해야 하므로 유연하고 견고한 자동화 프레임워크가 필요합니다. 검증 엔지니어는 측정 IP 코드를 변경하지 않고도 즉시 스윕 조건을 설정 및 변경하고, 효과적으로 자동화를 실행할 수 있어야 합니다. 이 프레임워크를 사용하면 측정값 스윕 대상 파라미터를 설정할 수 있습니다.
- 하위 스윕에서 각 스윕 파라미터의 값 범위를 개별적으로, 그리고 포괄적으로 쉽게 설정
- 분포도를 기반으로 스윕 값을 신속하게 생성하고 조건을 시각화
- 측정 데이터와 함께 스윕 조건을 자동으로 기록
스윕 파라미터가 측정 모듈에서 추상화되면, 재사용 가능한 측정 IP를 개발하고 팀 사이의 협업을 촉진할 수 있습니다.
테스트 시퀀서
테스트 시퀀서는 자동화 및 데이터 수집의 핵심입니다. 검증 엔지니어의 목표는 DUT를 위해 개발된 측정 기능 (측정 IP 라이브러리로부터)을 시퀀스로 조합하여 PVT 테스트 조건에서 측정을 수행하는 것입니다. 검증 엔지니어는 많은 소프트웨어 개발 없이 이를 신속하게 수행할 수 있어야 합니다. 프레임워크의 테스트 시퀀서는 교육 장벽이 낮고 사용하기 쉬운 도구입니다. 테스트 시퀀싱 환경을 사용하여 다음을 수행하십시오.
- 드래그 앤 드롭 동작을 사용하여 테스트를 나열하고 신속하게 입력 설정
- 디버그/대화식 환경에서 계측기 및 디바이스 설정 생성
- 통합된 스윕 조건 관리자에서 모든 PVT 조건을 설정하고 저장
- 신속하게 테스트를 실행하고 기본 CSV 통합 데이터 로그 모듈에서 데이터 얻기
- 멀티 사이트 테스트를 통해 여러 DUT에서 병렬로 데이터 수집 가속화
- 루프 및 명령문과 같은 고급 프로그래밍 언어 기능으로 개발 사용자 정의
TestStand 테스트 및 측정 관리 소프트웨어를 사용하면 멀티스레드 시퀀스 개발, 모든 프로그래밍 언어 지원, 보고서 생성, 데이터베이스 로깅 등의 기능을 통해 하나의 표준 상용 솔루션으로 다양한 측정 시퀀스를 개발, 디버깅 및 배포할 수 있습니다. 업계 최고의 검증 기업은 제품 설계에 가치를 추가하지 않는 소프트웨어 솔루션의 개발 및 유지보수에 중요한 시간과 엔지니어링 리소스를 낭비하지 않습니다. 대신 NI와 같은 소프트웨어 전문가와 협력하여 팀이 측정 IP에 더 많은 시간을 쏟고, 턴키 테스트 시퀀서로 디바이스 성능을 분석하고 설계 피드백을 제공할 수 있도록 합니다.
하드웨어 추상화 및 측정 추상화
종종 검증 연구소는 사이트나 벤치에 따라 다른 기기 모델을 사용합니다. 이러한 경우, 한 벤치에서 개발된 측정 코드를 다른 벤치에서 재사용할 수 없습니다. 각 벤치에는 자체 측정 코드가 있으므로 테스트 측정이 파편화되어 재사용할 수 없게 됩니다. 하드웨어 추상화 계층 (HAL)은 측정 코드에서 계측기 정보를 추상화하여 이 문제를 해결합니다.
예를 들어, NI SMU를 사용하여 DUT에 전원을 공급하는 벤치 A가 있습니다. 하지만 벤치 B는 벤치탑 전원 공급을 사용합니다. HAL이 없으면, 각 벤치에는 DUT에 전원을 공급하는 사용자 정의 측정 코드가 필요하며, 전원 가동 시퀀스를 재사용할 수 없습니다. 그러나 HAL이 있으면, 측정 개발자는 구현에서 최상위 API를 호출하기만 하면 됩니다. 하드웨어 선택은 계측기 핀 맵핑 화면의 대화식 설정에 따라 결정됩니다.
그림 3. 테스트 시퀀스 추상화 계층
측정 IP 재사용
HAL 및 디지털 통신을 통해 측정 모듈을 개발하면 특정 의존성이 모듈화됩니다. 이러한 추상화는 재사용 가능한 모듈형 측정 IP 개발을 촉진하여 개발 및 테스트 노력을 줄입니다.
데이터 관리
표준화된 데이터 로거
검증 테스트는 몇 시간 또는 며칠 동안 지속되므로, 예상치 못한 시스템 또는 소프트웨어 문제로 인한 데이터 손실을 방지하기 위해 측정 데이터를 신속하게 수집하고 저장해야 합니다. 프레임워크의 표준화된 데이터 로거는 각 루프 후에 데이터를 지속적으로 로컬 CSV 파일에 기록하여 데이터 손실을 방지합니다. 이 로컬 스토리지를 이용하면 즉시 데이터를 확인하여 더 빨리 디버깅을 할 수 있습니다.
또한 이 데이터 로그 모듈은 측정 시 설정된 스윕 조건 (PVT)도 기록합니다. 따라서 관리자 또는 설계자가 데이터를 검토할 때, 모든 관련 조건을 측정 데이터와 함께 사용할 수 있습니다.
그림 4. 표준화된 데이터 로거로 지속적으로 측정 데이터 기록하기
표준화된 데이터 로거의 장점은 다음과 같습니다.
- 대화식 가동 및 테스트 자동화 작업 흐름 모두에서 공통적 구현
- 측정 개발자는 핵심 측정 IP 개발에만 집중하고, 프레임워크는 측정 데이터 기록을 담당
- 개발자는 프레임워크의 데이터 로깅 API를 사용하여 측정 모듈로부터 측정 데이터를 전달하고, 프레임워크는 측정 데이터에 자동으로 모든 조건을 기록
- 선택한 분석 도구에 표준 데이터를 로드하여 검토할 수 있음
- 유연한 플러그인 아키텍처를 사용하면 핵심 측정 모듈에 영향을 주지 않고 저장 포맷을 추가할 수 있음
중앙 집중식 스토리지 및 분석
데이터 분석의 가장 큰 문제 중 하나는 명명 규칙입니다. 검증 엔지니어는 선택한 이름을 사용하여 로깅 기능과 측정 코드를 개발하기 때문에, 각 이름은 각 디바이스에서 고유한 데이터 검토 및 분석 방법을 요구합니다. 구조적이고 표준화된 데이터 로깅 포맷을 사용하면 데이터를 신속하게 시각화할 수 있으므로 디버깅 시간이 줄어듭니다.
데이터 로깅 프레임워크는 CSV (쉼표로 구분된 값), Excel, TDM 스트리밍 및 STDF (표준 테스트 데이터 포맷)를 지원합니다. CSV 데이터 로깅은 넓게도, 높게도 할 수 있습니다.
- 넓은 포맷에서는, 각 열은 파라미터를 나타내고 각 행은 측정값을 나타냅니다.
- 높은 포맷에서는 모든 측정값이 테스트 이름, 파라미터 이름, 파라미터 값이라는 세 개의 열에 기록됩니다.
메타 측정 데이터 태그가 있는 표준화된 포맷을 사용하면 데이터 로깅 효율성이 향상되고 시각화를 위해 빠르게 플롯으로 그릴 수 있습니다. 검증 수명 주기 전반에 걸쳐 중앙 검증 데이터 스토리지, 스펙 정보 및 검증 데이터에 쉽게 접근할 수 있는 것은 매우 중요합니다. 중앙 데이터베이스는 다음과 같은 도구 개발에 필수적입니다.
- 자동화된 스펙 준수 보고서 생성 (디바이스 측정 파라미터를 주요 설계 파라미터와 비교)
- 설계 검증과 실리콘 검증 데이터를 비교하기 위한 데이터 상호연관
검증 프레임워크 아키텍처 구현하기
검증 프레임워크 아키텍처가 실험실에 미치는 영향을 평가하는 데 관심이 있다면, NI와 Soliton은 수십 년간의 협력을 통해 반도체 고객의 효율성을 향상하고 개발 기간을 단축할 수 있도록 지원합니다. 100명 이상의 LabVIEW 및 TestStand 엔지니어와 20개 이상의 NI 기술 상을 수상한 Soliton은 NI 제품과 솔루션을 보완하는 고도로 차별화된 엔지니어링 서비스를 제공합니다. Soliton은 첨단 실험실, STS 및 SystemLink™ 소프트웨어의 NI 반도체 전문 파트너로서, Soliton은 강력한 도구 및 표준화를 통해 엔지니어링 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 포스트 실리콘 검증 전용 플랫폼 솔루션 개발을 전문으로 합니다.