【導讀】隨著行動裝置影像顯示與畫質日漸演進，行動裝置亦引進8K / 4K等高畫質的顯示，并應用于攝影、游戲和用戶接口，促使影像傳輸帶寬和速度要求大增。更有大尺寸面板也相繼提供高畫質面板于電視裝置上，以4K畫質而言，其面板的優(yōu)勢和價值在50吋及以上的電視中更容易體現(xiàn)。日本政府更計劃于2020年奧運期間提供8K高畫質的視訊轉播。在此規(guī)劃下，面板規(guī)格勢必也得向上提升。隨著邁向高畫質紀元，時序控制芯片也需提升其所支持的分辨率，處理高畫質畫面相關數(shù)據(jù)，進而將完美的畫面呈現(xiàn)于面板上。
當對畫質 (Resolution) 的要求愈來愈高，相對需要處理的數(shù)據(jù)量也隨之提升，以4K畫質為例，其分辨率是FHD (2K×1K) 的四倍。為了節(jié)省影像傳輸接口的帶寬耗損，因此時序控制芯片內多半會內建SRAM內存，此一內存用來暫存已經(jīng)傳送到時序控制芯片驅動器，但尚未要透過時序控制芯片驅動器進行輸出的影像數(shù)據(jù)。由于面板的尺寸愈來愈高、分辨率愈來愈高、畫面更新率、色澤也都在提升，因此，時序控制芯片內的SRAM內存將不斷的加大容量，好因應愈來愈大的影像數(shù)據(jù)傳輸量與處理量。
當內建SRAM容量愈來愈大時，相對時序控制芯片制造的成本也隨之增加。更多的SRAM內存容量就意味著更大的芯片面積。且隨著效能與耗電的要求更加嚴謹，芯片的制程也就愈往高階制程邁進。伴隨而來的問題，就是芯片良率以及工作可靠度的影響。先進制程與愈來愈大的內存需求，成為時序控制芯片制造端的不穩(wěn)定因素。
為確保時序控制芯片上的內存工作正常，內建自我測試技術 (BIST; Built-In Self -Test) 成為芯片實作中，不可或缺的一部分。自我測試電路 (Built-In Self-Test)，可以提高測試的錯誤涵蓋率，縮短設計周期，增加產(chǎn)品可靠度，并加快產(chǎn)品的上市速度。由于傳統(tǒng)的測試做法是針對單一嵌入式內存開發(fā)嵌入式測試電路，所以會導致時序控制芯片面積過大與測試時間過久的問題，進而增加時序控制芯片設計產(chǎn)生的測試費用與銷售成本。另外，傳統(tǒng)內存測試方法無法針對一些缺陷類型而彈性選擇內存測試的算法，將導致內存測試結果不準確。有鑒于此，厚翼科技特別開發(fā)「整合性內存自我測試電路產(chǎn)生環(huán)境-Brains」，以解決傳統(tǒng)設計之不足。本文將針對時序控制芯片應用，結合厚翼科技所開發(fā)之「整合性內存自我測試電路產(chǎn)生環(huán)境-Brains」，搭配實作案例跟讀者們分享。
實作案例
以下將以時序控制芯片應用實作案例，介紹如何透過Brains自動化產(chǎn)生相關內存測試電路，以解決內存所造成良率下降問題。此案例所使用的制程為130nm，圖一是該案例簡略架構圖，此架構明確地將芯片IO部分與主要功能部分切開來，并透過Pin Mux功能，來節(jié)省芯片頂層所需的控制腳位。在主要功能部分，共有四個Clock Domain，各別Clock Domain下，各自包含了不同種類的內存于其中。針對這些內存，我們透過Brains自動化的產(chǎn)生相對應之內存測試電路。
圖一 T-CON案例簡略架構圖
此案例中，針對內存測試的需求，包含了：全速測試模式 (At-Speed Testing)，Bypass功能以及自動分群 (Auto Grouping)。其中的Bypass功能，主要是用來提升DFT Test Coverage。當透過Scan Chain做測試時，由于無法觀測到內存內部數(shù)值，所以整體芯片Test Coverage會受影響。Brains所支持的Bypass功能，即是用來補足此點。該功能將內存的輸入端及輸出端進行異或處理，并可根據(jù)需求，選擇是否使用緩存器來儲存數(shù)值。藉此，可在Scan Chain測試模式下，提升整體芯片Test Coverage。
由于不同的設計項目及應用，對于內存測試的需求不盡相同。因此，Brains將不同的設計需求，以選項的方式呈現(xiàn)。使用者可根據(jù)不同的需求，選擇所需的功能。圖二為Brains功能選擇范例檔案 (Brains Feature List, BFL)。其中紅色框線的部分，即是用來選擇Bypass功能是否要支持。
圖二 Brains功能選擇范例檔案
此案例總共使用到148個內存，其類型包含了Single-Port SRAM，Dual-Port SRAM以及Two-Port SRAM。透過Brains所支持的內存自動辨識功能，用戶只需將內存模塊的Behavior Model (Verilog file) 指定到Brains中，則可輕易地將設計項目中所用到的內存模塊辨識出來。再搭配Brains所支持的Clock Tracing功能，從內存模塊的Clock訊號，往上層追溯，直到該設計項目的Clock Root點，即可自動地將內存模塊歸類到各自所屬的Clock Domain下。表一為自動分群之后的分群架構，共有四個BIST Controller，各別針對其所屬之內存模塊來進行控制與測試。而詳細的分群架構，則會記錄在Brains所產(chǎn)出之BRAINS_memory_spec.meminfo檔案中，該檔案記錄各個BIST Controller中，關于Sequencer和Group的架構，如圖三所示。
表一 內存自動分群結果
圖三 BRAINS_memory_spec.meminfo范例檔案
由圖三可得知，單一Clock Domain下，會包含Controller, Sequencer等架構，而Sequencer下則會根據(jù)BFL中關于Group的定義來劃分Group的架構，相關設定如圖四所示。其中sequencer_limit選項用來設定單一Sequencer下，所支持最多Group數(shù)。而group_limit選項則是用來設定單一Group下，所支持最多內存模塊數(shù)目。
圖四 BFL中Grouping相關設定
實作結果
當Brains執(zhí)行完畢后，則會產(chǎn)生相對應檔案。其中包含BIST 電路檔案 (Verilog file) 、相關合成模擬執(zhí)行檔案 (TCL file) 以及加入BIST電路后的完整設計檔案 (Final RTL Design; Verilog file)。圖五為加入BIST電路后，完整的設計項目架構。
從圖五可得知，此實作案例最后會由一組JTAG接口，來控制整個BIST測試的流程。單一JTAG接口的控制方式，可節(jié)省芯片頂層的腳位數(shù)目，且標準JTAG接口，也方便與其它功能整合。
圖五 實作結果架構圖
當相關電路產(chǎn)生完畢后，需要透過仿真來驗證功能性是否完好。Brains除了產(chǎn)生相對應的仿真程序外，也會額外產(chǎn)生包含有Fault Bits的預先埋錯內存模塊 (Faulty Memory Model)。此預先埋錯內存模塊主要用來驗證Brains所產(chǎn)生的BIST電路功能正確與否。表二為各個Clock Domain執(zhí)行模擬驗證時所需花費的時間。
除了仿真時間之外，所產(chǎn)生的BIST電路面積，通常也是芯片設計實作中，考慮的因素之一。表三為BIST電路合成完之面積結果，全部的BIST電路占約23K Gate Counts。以此案例之T-CON芯片所含148個內存數(shù)目來比，BIST電路所占之芯片面積相當渺小。
表二 模擬時間結果
表三 BIST電路面積結果
總結
因應高畫質世代來臨，時序控制芯片內含之內存數(shù)量勢必愈來愈多，此時，內存測試解決方案亦成為芯片設計中不可或缺的一環(huán)。藉由Brains自動化產(chǎn)生相對應的內存測試電路，對用戶來講，不需太過繁復的設定過程，即可完成內存測試解決方案的實作。以此案例為例，單純Brains運行的時間，只需約九分鐘的時間 (如圖六所示) 就能完成內存測試解決方案的實作。對于分秒必爭的ASIC實作時程來說，可節(jié)省相當大的時間。除此之外，Brains彈性的設定選項，以及基于自有專利所建構的硬件電路，都是用戶在實作內存測試解決方案的一大利器。
圖六 Brains實作時間信息
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