FAST

FAST – Zuverlässigkeitsbewertung durch „Faster-than-at-Speed Test“

seit 02.2017, DFG-Projekt: WU 245/19-1

Moderne Fertigungstechnologien in der Nanoelektronik integrieren Milliarden von Transistoren mit Abmessungen von 14 Nanometern und darunter in einem Chip. Dies ermöglicht grundlegend neue Herangehensweisen und Lösungen in vielen Bereichen, bringt aber gleichzeitig fundamentale Herausforderungen mit sich. Ein zentrales Problem sind Frühausfälle, die immer wieder Rückrufaktionen erfordern und dadurch Kosten in Milliardenhöhe verursachen. Ein wichtiger Grund hierfür sind sogenannte schwache Schaltungsstrukturen, die zwar bei der Inbetriebnahme funktionieren, aber der späteren Belastung im Betrieb nicht gewachsen sind. Während sich andere Ausfallursachen, wie etwa Alterung oder externe Störungen durch einen robusten Entwurf bis zu einem gewissen Umfang kompensieren lassen, müssen drohende Frühausfälle durch Tests erkannt und betroffene Systeme aussortiert werden. Dazu werden Verfahren benötigt, die weit über den heutigen Stand der Technik hinausgehen.

Da die schwachen Schaltungsstrukturen unter Betriebsbedingungen zunächst korrekt funktionieren, müssen sie anhand nichtfunktionaler Indikatoren identifiziert werden. Neben dem Stromverbrauch im Ruhezustand und bei Schaltvorgängen sowie dem Verhalten bei variierender Betriebsspannung gehört das Zeitverhalten zu den wichtigsten Zuverlässigkeitsindikatoren. Im Hochgeschwindigkeitsbetrieb können kleine Abweichungen im Zeitverhalten einzelner Transistoren gemessen und als Fehlerindikator verwendet werden. Da hierfür ein Mehrfaches der eigentlichen Betriebsfrequenz angelegt werden muss, lassen sich herkömmliche Testmethoden nur sehr eingeschränkt einsetzen. Stattdessen müssen in folgenden drei Bereichen neue Methoden entwickelt und untersucht werden:

  1. Die Schaltung muss mit besonderen Ausstattungen für den prüfgerechten Entwurf (Design for Test / DFT) und den Selbsttest versehen werden, die auch bei Frequenzen jenseits der funktionalen Spezifikation arbeiten können.
  2. Der Testablauf muss so geplant werden, dass bei einer möglichst geringen Zahl von Testfrequenzen eine maximale Fehlererfassung in kurzer Zeit möglich wird.
  3. Mit einer geeigneten Metrik müssen quantitative Aussagen über die Erfassung möglicher schwacher Schaltungsteile getroffen werden. Eine besondere Schwierigkeit liegt hier in der Unterscheidung zwischen tatsächlich fehleranfälligen Strukturen und Abweichungen aufgrund zunehmender Variationen in der Nanoskalierung.

Da ein Hochgeschwindigkeitstest ganz besondere Anforderungen an externe Testautomaten stellt, ist es wesentlich, ihn durch eingebauten Selbsttest (Built-in Self-Test / BIST) zu unterstützen und auszuführen.

Mit der Lösung der drei genannten Probleme wird den immens steigenden nicht mehr wirtschaftlichen Kosten bei der Inbetriebnahme nanoskalierter Systeme, etwa durch „Burn-in“-Tests, begegnet und deren Einsatz in neuen Anwendungsbereichen unterstützt.

Publikationen

  1. 2020

    1. GPU-accelerated Time Simulation of  Systems with Adaptive Voltage and Frequency Scaling. Eric Schneider and Hans-Joachim Wunderlich. In to appear in Proceedings of the ACM/IEEEConference  on Design, Automation Test in Europe (DATE’20), Grenoble, France, 2020, pp. 1--6.
    2. Using Programmable Delay Monitors for  Wear-Out and Early Life Failure Prediction. Chang Liu; Eric Schneider and Hans-Joachim. Wunderlich. In to appear in Proceedings of the ACM/IEEEConference  on Design, Automation Test in Europe (DATE’20), Grenoble, France, 2020, pp. 1--6.
  2. 2019

    1. Variation-Aware Small Delay Fault Diagnosis on Compacted Failure Data. Stefan Holst; Eric Schneider; Michael A. Kochte; Xiaoqing Wen and Hans-Joachim Wunderlich. In Proceedings of the IEEE International TestConference (ITC’19), Washington DC, USA, 2019.
    2. Built-in Test for Hidden Delay Faults. Matthias Kampmann; Michael A. Kochte; Chang Liu; Eric Schneider; Sybille Hellebrand and Hans-Joachim Wunderlich. IEEE Transactions on Computer-Aided Design of IntegratedCircuits and Systems (TCAD) 38, 10 (2019), pp. 1956–1968. DOI: https://doi.org/10.1109/TCAD.2018.2864255
  3. 2018

    1. Extending Aging Monitors for Early Life and Wear-out Failure Prevention. Chang Liu; Eric Schneider; Matthias Kampmann; Sybille Hellebrand and Hans-Joachim Wunderlich. In Proceedings of the 27th IEEE Asian Test Symposium (ATS’18), Hefei, Anhui, China, 2018, pp. 92--97. DOI: https://doi.org/10.1109/ATS.2018.00028
  4. 2017

    1. Aging Monitor Reuse for Small Delay Fault Testing. Chang Liu; Michael A. Kochte and Hans-Joachim Wunderlich. In Proceedings of the 35th VLSI Test Symposium (VTS’17), Caesars Palace, Las Vegas, Nevada, USA, 2017, pp. 1--6. DOI: https://doi.org/10.1109/VTS.2017.7928921

Kontakt

Hans-Joachim Wunderlich (i.R.)
Prof. Dr. rer. nat. habil.

Hans-Joachim Wunderlich (i.R.)

Leitung der Forschungsgruppe Rechnerarchitektur

Zum Seitenanfang