在安全和任務(wù)關(guān)鍵型市場(chǎng)中使用更復(fù)雜的芯片正在改變制造的定價(jià)公式

由于對(duì)汽車和數(shù)據(jù)中心中先進(jìn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的可靠性以及在那些市場(chǎng)和其他市場(chǎng)中芯片壽命延長(zhǎng)的擔(dān)憂，測(cè)試成本在制造成本中所占的百分比正在上升。

幾十年來(lái)，測(cè)試被限制在總制造成本的2％之內(nèi)，這是在芯片制造商和代工廠看到測(cè)試成本不斷上升的軌跡之后，在千禧年之前開發(fā)的一種公式。他們的回應(yīng)是大大限制了在制造過(guò)程中對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試的時(shí)間。反過(guò)來(lái)，這為能夠在多個(gè)管芯或晶片上同時(shí)執(zhí)行多個(gè)不同測(cè)試，并最終在系統(tǒng)級(jí)測(cè)試中實(shí)現(xiàn)不同功能的高度自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備鋪平了道路。除此之外，檢查和計(jì)量能力也相應(yīng)提高。

今天，這些測(cè)試百分比再次上升。根據(jù)最終市場(chǎng)以及該技術(shù)的最新程度，在某些情況下，這些數(shù)字可能會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)或更多，而在另一些情況下，這些數(shù)字基本保持不變。

這些峰值背后有許多原因。關(guān)鍵之一是在汽車和關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中快速部署AI系統(tǒng)，這需要更多的計(jì)算元素來(lái)處理更多的數(shù)據(jù)。實(shí)際上，如今，在最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)上開發(fā)的一些AI / ML / DL芯片已被拼接在一起，以提高處理能力，使其超出標(biāo)線片大小的芯片所能容納的計(jì)算元素?cái)?shù)量。在AI中，更好的是更好的，尤其是在訓(xùn)練和推理方面，這在各種自動(dòng)駕駛汽車以及邊緣和云計(jì)算中尤其重要。但這也意味著所需測(cè)試數(shù)量和復(fù)雜性的增加，以及完成足夠覆蓋所需的測(cè)試時(shí)間。

OptimalPlus半導(dǎo)體業(yè)務(wù)部門副總裁兼總經(jīng)理Doug Elder表示：“在7 / 5nm時(shí)，對(duì)功能測(cè)試，掃描鏈測(cè)試和系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的依賴性更大。” “關(guān)鍵是要獲取盡可能多的數(shù)據(jù)，以便可以盡可能多地加載基線比較。您需要處理的數(shù)據(jù)越少，對(duì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的質(zhì)疑就越困難，并且也無(wú)法使您充分利用AI。您還需要查看數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，因?yàn)橛捎跀?shù)據(jù)量和設(shè)備的結(jié)構(gòu)，收集過(guò)程可能很困難。”

這有助于解釋為什么許多芯片制造商仍然嚴(yán)重依賴于老化，這是一個(gè)耗時(shí)且成本越來(lái)越高的過(guò)程，該過(guò)程會(huì)在整個(gè)芯片或系統(tǒng)上提供單個(gè)圖像（或多個(gè)圖像）。

埃爾德說(shuō)：“他們不愿意放棄它，因?yàn)槿绻袧撛诘娜毕荩麄兿胝业剿?rdquo; “但是，當(dāng)收集老化數(shù)據(jù)時(shí)，從統(tǒng)計(jì)上發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)設(shè)備都不會(huì)出現(xiàn)老化故障。他們看到的另一件事是大量RMA（退貨授權(quán)）數(shù)據(jù)。如果返回了ADAS攝像機(jī)，您想知道為什么失敗，尤其是在閉環(huán)系統(tǒng)中。但是您需要一直收集到最終用戶級(jí)別的數(shù)據(jù)，然后將其與制造過(guò)程關(guān)聯(lián)起來(lái)。這在汽車中變得非常重要，在汽車中，您需要了解為什么傳感器在60 MPH時(shí)會(huì)失效。因此，您可以收集信息，反饋信息并進(jìn)行關(guān)聯(lián)。”

所有這些都增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并將測(cè)試過(guò)程延伸到了制造之外。

PDF Solutions全球技術(shù)銷售主管Keith Arnold說(shuō)：“測(cè)試的成本并不僅僅是增加，因?yàn)槟⒉粫?huì)總是增加芯片在ATE機(jī)器上花費(fèi)的時(shí)間。” “有很多您以前做不到的事情?，F(xiàn)在，您可以查看從鑄錠到成品的多個(gè)過(guò)程步驟。很少有人擁有可以利用此功能的系統(tǒng)，但它已經(jīng)發(fā)展到可以預(yù)測(cè)早期生命失敗以及每個(gè)模具在現(xiàn)場(chǎng)失效的可能性的程度。”

Arnold指出，在過(guò)去的幾年中，通過(guò)應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)，可以使用數(shù)據(jù)來(lái)了解缺陷的根本原因。“但是現(xiàn)在，如果您進(jìn)行物理故障分析，電氣故障分析和數(shù)據(jù)故障分析，則可以使用它們來(lái)預(yù)測(cè)何時(shí)發(fā)生故障。這只是冰山一角，您可以使用這些東西做什么。”

最終，這可以減少責(zé)任問(wèn)題并限制昂貴的退貨和召回次數(shù)，但這需要在系統(tǒng)級(jí)別上進(jìn)行計(jì)算。如果按計(jì)劃進(jìn)行，測(cè)試和分析成本仍將上升，但其他成本（例如老化）將下降。

盡管如此，這仍必須應(yīng)用于組成復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)千個(gè)組件，例如自動(dòng)駕駛汽車。單個(gè)封裝可以包含多個(gè)管芯，數(shù)百個(gè)IP塊，I / O，存儲(chǔ)器，各種類型的互連以及從保形膜到剛性基板以及各種類型的凸塊和焊球的不同材料的混合物。

包裝增加了這個(gè)問(wèn)題的另一個(gè)方面，因?yàn)榧词挂阎牧己霉苄疽部赡茉诎b過(guò)程中被損壞。盡管如此，大多數(shù)愿意花費(fèi)數(shù)億美元開發(fā)芯片的公司也希望通過(guò)縮短信號(hào)傳輸距離來(lái)最大化該性能。因此，盡管縮小功能為更多的處理元素提供了更大的空間，但在最先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)上，僅縮小功能并不能在功率和性能方面帶來(lái)顯著改善。

這是復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)更改成為重點(diǎn)的地方，它們?yōu)闇y(cè)試增加了又一個(gè)復(fù)雜度。

yieldHUB的收益管理專家Carl Moore表示：“測(cè)試所代表的成本比以前更高。” “如果您想到舊的餅圖，則成本是晶片，包裝和少量測(cè)試費(fèi)用。測(cè)試部分越來(lái)越大。您現(xiàn)在正在內(nèi)部測(cè)試數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)。這些設(shè)備也越來(lái)越大，并且隨著多芯片技術(shù)的發(fā)展，它們?cè)絹?lái)越高。同時(shí)，由于引腳會(huì)花費(fèi)金錢，因此存在一種趨勢(shì)，即最大程度地減少了引腳數(shù)量。”

這使得使用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)試變得更加困難，并且使得設(shè)計(jì)芯片變得更加困難，因此可以在這些測(cè)試中包含芯片的足夠區(qū)域。

芯片制造商正在采取一種不同的方法，而不僅僅是在工廠中同時(shí)進(jìn)行更多的測(cè)試。盡管整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)一直將重點(diǎn)從驗(yàn)證和軟件開發(fā)轉(zhuǎn)移到某些初始測(cè)試策略上，但在某些市場(chǎng)（例如汽車和服務(wù)器）中，并發(fā)趨勢(shì)正在向左和向右推動(dòng)測(cè)試。。

西門子業(yè)務(wù)部門Mentor的汽車測(cè)試市場(chǎng)經(jīng)理Lee Harrison表示：“在硬件測(cè)試方面，隨著汽車行業(yè)開發(fā)自己的AI，人工智能和汽車之間存在著巨大的交叉。” “我們可以在系統(tǒng)測(cè)試中運(yùn)行很多這樣的系統(tǒng)，其中您具有處理核心陣列，并且可以使整個(gè)過(guò)程保持運(yùn)行，以確保硬件正確。但是，對(duì)具有自動(dòng)駕駛功能的使用的需求也不斷增加，并且預(yù)計(jì)基礎(chǔ)技術(shù)的運(yùn)行時(shí)間將大大增加。同時(shí)，減少了汽車的循環(huán)時(shí)間。因此，您需要在系統(tǒng)中運(yùn)行測(cè)試，一個(gè)AI芯片中可能包含多達(dá)1,000個(gè)相同的處理核心。對(duì)于更大的AI芯片（將成為汽車的大腦），您還需要實(shí)施邏輯修復(fù)。我們已經(jīng)看到內(nèi)存修復(fù)，這代表了大多數(shù)芯片上的大量?jī)?nèi)容?，F(xiàn)在，使用AI芯片，您將需要在芯片的整個(gè)生命周期內(nèi)進(jìn)行核心級(jí)別的維修。”

這是一種認(rèn)識(shí)，即在安全關(guān)鍵型應(yīng)用中，一個(gè)AI系統(tǒng)中有成千上萬(wàn)個(gè)內(nèi)核，即使在某個(gè)時(shí)候，即使雜散的alpha粒子對(duì)晶體管造成損壞，也會(huì)出問(wèn)題。關(guān)鍵是要通過(guò)持續(xù)的測(cè)試和監(jiān)視來(lái)了解何時(shí)發(fā)生這種情況，并能夠立即故障轉(zhuǎn)移到備用處理器或晶體管。在系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，所有這些都必須反復(fù)進(jìn)行監(jiān)視和測(cè)試。

但是出于更積極的原因，也正在應(yīng)用測(cè)試。在由1000個(gè)相同的處理元素組成的數(shù)組中，也可以在任何時(shí)候分配計(jì)算負(fù)載，以使電路的老化過(guò)程變得均勻?？梢猿掷m(xù)測(cè)試這些電路，并根據(jù)需要進(jìn)行校正。

哈里森說(shuō)：“有時(shí)您希望所有1,000個(gè)內(nèi)核都達(dá)到峰值使用率。” “但是，如果您降低到10％，則不希望全部都放在骰子的左上角。因此，您可以制作一個(gè)棋盤圖案，并嘗試盡可能延長(zhǎng)組件的壽命。不過(guò)，您不希望所有內(nèi)容都多余，因?yàn)槿绻?00個(gè)額外的核心，則會(huì)降低系統(tǒng)的效率。也許您從故障率100％的系統(tǒng)降低到看不見故障的90％的性能。”

要了解這已經(jīng)變得多么復(fù)雜，請(qǐng)考慮EAG實(shí)驗(yàn)室的情況，該實(shí)驗(yàn)室同時(shí)測(cè)試材料和芯片故障。

EAG客戶經(jīng)理丹尼爾·沙利文（Daniel Sullivan）說(shuō)：“至少我們有1.5億美元用于設(shè)備。” “我們有大約100或120種不同的技術(shù)。如果您開始談?wù)摷夹g(shù)內(nèi)部的細(xì)微變化，則可能有200種技術(shù)。”

找出缺陷的原因可以使每個(gè)缺陷花費(fèi)數(shù)千美元。與閑置晶圓廠的成本相比，這顯得微不足道，但是每天的成本可能高達(dá)數(shù)百萬(wàn)美元。因此，找出問(wèn)題出在哪里，例如材料的純度受到破壞，可以節(jié)省大量資金。這就是在這種情況下愿意支付更多測(cè)試費(fèi)用的意愿，以及制造方面出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)的緊迫感。

“這些機(jī)器的價(jià)值不等，但對(duì)于某些機(jī)器來(lái)說(shuō)，每臺(tái)機(jī)器的價(jià)值可能在150萬(wàn)到200萬(wàn)美元之間，” Sullivan說(shuō)。“他們還擁有博士學(xué)位。誰(shuí)已經(jīng)做了30年了，研究技術(shù)并弄清楚發(fā)生了什么。然后他們從中立的第三方那里獲得正式報(bào)告。所以博士必須去找他的小販說(shuō)：‘您在其中輸入x y，z。您不應(yīng)該這樣做。”他們說(shuō)，“哦，不，那是您的考驗(yàn)。您剛剛做好了。’那是事情來(lái)臨的時(shí)候。我們被視為無(wú)私的第三方。因此，有些公司為您提供了幫助。‘我以為應(yīng)該是別的東西，合同說(shuō)的是事實(shí)。如果錯(cuò)的話，您欠我1億美元。如果您說(shuō)對(duì)了，我就倒閉了。’所以您需要該第三方，因?yàn)檫@兩個(gè)人不會(huì)互相信任。另外，如果您有一個(gè)從事該行業(yè)很長(zhǎng)時(shí)間的專家，他們可以與雙方交談，‘嘿，我以前見過(guò)這個(gè)。問(wèn)題看起來(lái)像這樣，測(cè)試顯示了這個(gè)問(wèn)題，因此這可能是問(wèn)題的原因。他們倆都認(rèn)為，與其戰(zhàn)斗，不如去嘗試解決問(wèn)題。但是在很多時(shí)候，有人在加工某些東西或正在開發(fā)某些產(chǎn)品，并且系統(tǒng)中存在一些污染，他們認(rèn)為這沒什么大不了的。”

測(cè)試成本在幾十年來(lái)首次再次上升，但是目前很難評(píng)估多少是必不可少的，可以削減的，以及可以用測(cè)試結(jié)果和持續(xù)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)來(lái)完成的其他工作在過(guò)去完成。如果測(cè)試費(fèi)用占制造成本的25％，但它將責(zé)任成本降低了30％，那就是可觀的節(jié)省。另一方面，如果測(cè)試成本上升而責(zé)任成本保持不變或上升，則需要確定該過(guò)程。

現(xiàn)在說(shuō)這將如何在一系列新市場(chǎng)中發(fā)揮作用還為時(shí)過(guò)早。但是，很清楚的是，與半導(dǎo)體歷史上的任何時(shí)候相比，持續(xù)監(jiān)控提供的洞察力將為供應(yīng)鏈的更多部分提供更多信息?，F(xiàn)在的問(wèn)題是，該行業(yè)是否會(huì)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中找到足夠的價(jià)值來(lái)繼續(xù)增加投資，這可能需要數(shù)年的時(shí)間才能決定。

作者：-蘇珊·蘭博（Susan Rambo）