Efficient Path Delay Test Generation with Boolean Satisfiability

This dissertation focuses on improving the accuracy and efficiency of path delay test generation using a Boolean satisfiability (SAT) solver. As part of this research, one of the most commonly used SAT solvers, MiniSat, was integrated into the path delay test generator CodGen. A mixed structural-functional approach was implemented in CodGen where longest paths were detected using the K Longest Path Per Gate (KLPG) algorithm and path justification and dynamic compaction were handled with the SAT solver. Advanced techniques were implemented in CodGen to further speed up the performance of SAT based path delay test generation using the knowledge of the circuit structure. SAT solvers are inherently circuit structure unaware, and significant speedup can be availed if structure information of the circuit is provided to the SAT solver. The advanced techniques explored include: Dynamic SAT Solving (DSS), Circuit Observability Don’t Care (Cir-ODC), SAT based static learning, dynamic learnt clause management and Approximate Observability Don’t Care (ACODC). Both ISCAS 89 and ITC 99 benchmarks as well as industrial circuits were used to demonstrate that the performance of CodGen was significantly improved with MiniSat and the use of circuit structure

Link-time smart card code hardening

This paper presents a feasibility study to protect smart card software against fault-injection attacks by means of link-time code rewriting. This approach avoids the drawbacks of source code hardening, avoids the need for manual assembly writing, and is applicable in conjunction with closed third-party compilers. We implemented a range of cookbook code hardening recipes in a prototype link-time rewriter and evaluate their coverage and associated overhead to conclude that this approach is promising. We demonstrate that the overhead of using an automated link-time approach is not significantly higher than what can be obtained with compile-time hardening or with manual hardening of compiler-generated assembly code

Testing for delay defects utilizing test data compression techniques

textAs technology shrinks new types of defects are being discovered and new fault models are being created for those defects. Transition delay and path delay fault models are two such models that have been created, but they still fall short in that they are unable to obtain a high test coverage of smaller delay defects; these defects can cause functional behavior to fail and also indicate potential reliability issues. The first part of this dissertation addresses these problems by presenting an enhanced timing-based delay fault testing technique that incorporates the use of standard delay ATPG, along with timing information gathered from standard static timing analysis. Utilizing delay fault patterns typically increases the test data volume by 3-5X when compared to stuck-at patterns. Combined with the increase in test data volume associated with the increase in gate count that typically accompanies the miniaturization of technology, this adds up to a very large increase in test data volume that directly affect test time and thus the manufacturing cost. The second part of this dissertation presents a technique for improving test compression and reducing test data volume by using multiple expansion ratios while determining the configuration of the scan chains for each of the expansion ratios using a dependency analysis procedure that accounts for structural dependencies as well as free variable dependencies to improve the probability of detecting faults. Finally, this dissertation addresses the problem of unknown values (X’s) in the output response data corrupting the data and degrading the performance of the output response compactor and thus the overall amount of test compression. Four techniques are presented that focus on handling response data with large percentages of X’s. The first uses X-canceling MISR architecture that is based on deterministically observing scan cells, and the second is a hybrid approach that combines a simple X-masking scheme with the X-canceling MISR for further gains in test compression. The third and fourth techniques revolve around reiterative LFSR X-masking, which take advantage of LFSR-encoded masks that can be reused for multiple scan slices in novel ways.Electrical and Computer Engineerin

REDUCING POWER DURING MANUFACTURING TEST USING DIFFERENT ARCHITECTURES

Power during manufacturing test can be several times higher than power consumption in functional mode. Excessive power during test can cause IR drop, over-heating, and early aging of the chips. In this dissertation, three different architectures have been introduced to reduce test power in general cases as well as in certain scenarios, including field test. In the first architecture, scan chains are divided into several segments. Every segment needs a control bit to enable capture in a segment when new faults are detectable on that segment for that pattern. Otherwise, the segment should be disabled to reduce capture power. We group the control bits together into one or more control chains. To address the extra pin(s) required to shift data into the control chain(s) and significant post processing in the first architecture, we explored a second architecture. The second architecture stitches the control bits into the chains they control as EECBs (embedded enable capture bits) in between the segments. This allows an ATPG software tool to automatically generate the appropriate EECB values for each pattern to maintain the fault coverage. This also works in the presence of an on-chip decompressor. The last architecture focuses primarily on the self-test of a device in a 3D stacked IC when an existing FPGA in the stack can be programmed as a tester. We show that the energy expended during test is significantly less than would be required using low power patterns fed by an on-chip decompressor for the same very short scan chains

Pseudofunctional Delay Tests For High Quality Small Delay Defect Testing

Testing integrated circuits to verify their operating frequency, known as delay testing, is essential to achieve acceptable product quality. The high cost of functional testing has driven the industry to automatically-generated structural tests, applied by low-cost testers taking advantage of design-for-test (DFT) circuitry on the chip. Traditional at-speed functional testing of digital circuits is increasingly challenged by new defect types and the high cost of functional test development. This research addressed the problems of accurate delay testing in DSM circuits by targeting resistive open and short circuits, while taking into account manufacturing process variation, power dissipation and power supply noise. In this work, we developed a class of structural delay tests in which we extended traditional launch-on-capture delay testing to additional launch and capture cycles. We call these Pseudofunctional Tests (PFT). A test pattern is scanned into the circuit, and then multiple functional clock cycles are applied to it with at-speed launch and capture for the last two cycles. The circuit switching activity over an extended period allows the off-chip power supply noise transient to die down prior to the at-speed launch and capture, achieving better timing correlation with the functional mode of operation. In addition, we also proposed advanced compaction methodologies to compact the generated test patterns into a smaller test set in order to reduce the test application time. We modified our CodGen K longest paths per gate automatic test pattern generator to implement PFT pattern generation. Experimental results show that PFT test generation is practical in terms of test generation time

High Quality Test Generation Targeting Power Supply Noise

Delay test is an essential structural manufacturing test used to determine the maximal frequency at which a chip can run without incurring any functional failures. The central unsolved challenge is achieving high delay correlation with the functional test, which is dominated by power supply noise (PSN). Differences in PSN between functional and structural tests can lead to differences in chip operating frequencies of 30% or more. Pseudo functional test (PFT), based on a multiple-cycle clocking scheme, has better PSN correlation with functional test compared with traditional two-cycle at-speed test. However, PFT is vulnerable to under-testing when applied to delay test. This work aims to generate high quality PFT patterns, achieving high PSN correlation with functional test. First, a simulation-based don’t-care filling algorithm, Bit-Flip, is proposed to improve the PSN for PFT. It relies on randomly flipping a group of bits in the test pattern to explore the search space and find patterns that stress the circuits with the worst-case, but close to functional PSN. Experimental results on un-compacted patterns show Bit-Flip is able to improve PSN as much as 38.7% compared with the best random fill. Second, techniques are developed to improve the efficiency of Bit-Flip. A set of partial patterns, which sensitize transitions on critical cells, are pre-computed and later used to guide the selection of bits to flip. Combining random and deterministic flipping, we achieve similar PSN control as Bit-Flip but with much less simulation time. Third, we address the problem of automatic test pattern generation for extracting circuit timing sensitivity to power supply noise during post-silicon validation. A layout-aware path selection algorithm selects long paths to fully span the power delivery network. The selected patterns are intelligently filled to bring the PSN to a desired level. These patterns can be used to understand timing sensitivity in post-silicon validation by repeatedly applying the path delay test while sweeping the PSN experienced by the path from low to high. Finally, the impacts of compression on power supply noise control are studied. Illinois Scan and embedded deterministic test (EDT) patterns are generated. Then Bit-Flip is extended to incorporate the compression constraints and applied to compressible patterns. The experimental results show that EDT lowers the maximal PSN by 24.15% and Illinois Scan lowers it by 2.77% on un-compacted patterns

SoC Test: Trends and Recent Standards

The well-known approaching test cost crisis, where semiconductor test costs begin to approach or exceed manufacturing costs has led test engineers to apply new solutions to the problem of testing System-On-Chip (SoC) designs containing multiple IP (Intellectual Property) cores. While it is not yet possible to apply generic test architectures to an IP core within a SoC, the emergence of a number of similar approaches, and the release of new industry standards, such as IEEE 1500 and IEEE 1450.6, may begin to change this situation. This paper looks at these standards and at some techniques currently used by SoC test engineers. An extensive reference list is included, reflecting the purpose of this publication as a review paper

Evolution, Monitoring and Predicting Models of Rockburst: Precursor Information for Rock Failure

Load/unload response ratio predicting of rockburst; Three-dimensional reconstruction of fissured rock; Nonlinear dynamics evolution pattern of rock cracks; Bayesian model for predicting rockburs

Reductie van het geheugengebruik van besturingssysteemkernen Memory Footprint Reduction for Operating System Kernels

In ingebedde systemen is er vaak maar een beperkte hoeveelheid geheugen beschikbaar. Daarom wordt er veel aandacht besteed aan het produceren van compacte programma's voor deze systemen, en zijn er allerhande technieken ontwikkeld die automatisch het geheugengebruik van programma's kunnen verkleinen. Tot nu toe richtten die technieken zich voornamelijk op de toepassingssoftware die op het systeem draait, en werd het besturingssysteem over het hoofd gezien. In dit proefschrift worden een aantal technieken beschreven die het mogelijk maken om op een geautomatiseerde manier het geheugengebruik van een besturingssysteemkern gevoelig te verkleinen. Daarbij wordt in eerste instantie gebruik gemaakt van compactietransformaties tijdens het linken. Als we de hardware en software waaruit het systeem samengesteld is kennen, is het mogelijk om nog verdere reducties te bekomen. Daartoe wordt de kern gespecialiseerd voor een bepaalde hardware-software combinatie. Overbodige functionaliteit wordt opgespoord en uit de kern verwijderd, terwijl de resterende functionaliteit wordt aangepast aan de specifieke gebruikspatronen die uit de hardware en software kunnen afgeleid worden. Als laatste worden technieken voorgesteld die het mogelijk maken om weinig of niet uitgevoerde code (bijvoorbeeld code voor het afhandelen van slechts zeldzaam optredende foutcondities) uit het geheugen te verwijderen. Deze code wordt dan enkel ingeladen op het moment dat ze effectief nodig is. Voor ons testsysteem kunnen we met de gecombineerde technieken het geheugengebruik van een Linux 2.4 kern met meer dan 48% verminderen

Metodologia de monitorização do envelhecimento para aplicações de auto-teste embutido

Dissertação de mestrado, Engenharia Eléctrica e Electrónica, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2013The high integration level achieved as well as complexity and performance enhancements in new nanometer technologies make IC (Integrated Circuits) products very difficult to test. Moreover, long term operation brings aging cumulative degradations, due to new processes and materials that lead to emerging defect phenomena and the consequence are products with increased variability in their behaviour, more susceptible to delay-faults and with a reduced expected lifecycle. The main objectives of this thesis are twofold, as explained in the following. First, a new software tool is presented to generate HDL (Hardware Description Language) for BIST (Built-In Self-Test) structures, aiming delay-faults, and inserted the new auto-test functionality in generic sequential CMOS circuits. The BIST methodology used implements a scan based BIST approach, using a new BIST controller to implement the Launch-On-Shift (LOS) and Launch-On-Capture (LOC) delay-fault techniques. Second, it will be shown that multi-VDD tests in circuits with BIST infra-structures can be used to detect gross delay-faults during on-field operations, and consequently can be used as an aging sensor methodology during circuits’ lifecycle. The discrete set of multi-VDD BIST sessions generates a Voltage Signature Collection (VSC) and the presence of a delay-fault (or a physical defect) modifies the VSC collection, allowing the aging sensor capability. The proposed Design for Testability (DFT) method and tool are demonstrated with extensive SPICE simulation using three ITC’99 benchmark circuits.O elevado nível de integração atingida, complexidade, assim como performances melhoradas em novas tecnologias nanométricas tornam os produtos em circuitos integrados tecnológicos muito difíceis de testar. Para além disso, a operação a longo prazo produz degradações cumulativas pelo envelhecimento dos circuitos, devido a novos processos e materiais que conduzem a novos defeitos e a consequência são produtos com maior variabilidade no seu funcionamento, mais susceptíveis às faltas de atraso e com um tempo de vida menor. Os principais objectivos desta tese são dois, como explicado em seguida. Primeiro, é apresentada uma nova ferramenta de software para gerar estruturas de auto-teste integrado (BIST, Built-In Self-Test) descritas em linguagens de descrição de hardware (HDL, Hardware Description Language), com o objectivo de detectar faltas de atraso, e inserir a nova funcionalidade de auto-teste em circuitos genéricos sequenciais CMOS. A metodologia de BIST utilizada implementa um procedimento baseado em caminhos de deslocamento, utilizando um novo controlador de BIST para implementar técnicas de faltas de atraso, como Launch-On-Shift (LOS) e Launch-On-Capture (LOC). Segundo, irá ser mostrado que testes multi-VDD em circuitos com infra-estruturas de BIST podem ser usados para detectar faltas de atraso grosseiras durante a operação no terreno e, consequentemente, pode ser usado como uma metodologia de sensor de envelhecimento durante o tempo de vida dos circuitos. Um número discreto de sessões BIST multi-VDD geram uma Colecção de Assinaturas de Tensão (Voltage Signature Collection, VSC) e a presença de uma falta de atraso (ou um defeito físico) faz modificar a colecção VSC, comportando-se como sensor de envelhecimento. O trabalho foi iniciado com o estudo do estado da arte nesta área. Assim, foram estudadas e apresentadas no capítulo 2 as principais técnicas de DfT (Design for Testability) disponíveis e utilizadas pela indústria, nomeadamente, as técnicas de SP (Scan Path), de BIST e as técnicas de scan para delay-faults, LOS e LOC. No capítulo 3, ainda referente ao estudo sobre o estado da arte, é apresentado o estudo sobre os fenómenos que provocam o envelhecimento dos circuitos digitais, nomeadamente o NBTI (Negative Bias Temperature Instability), que é considerado o factor mais relevante no envelhecimento de circuitos integrados (especialmente em nanotecnologias). Em seguida, iniciou-se o desenvolvimento do primeiro objectivo. Relativamente a este assunto, começou-se por definir qual o comportamento das estruturas de BIST e como se iriam interligar. O comportamento foi descrito, bloco a bloco, em VHDL comportamental, ao nível RTL (Register Transfer Level). Esta descrição foi então validada por simulação, utilizando a ferramenta ModelSim. Posteriormente, esta descrição comportamental foi sintetizada através da ferramenta Synopsys, com a colaboração do INESC-ID em Lisboa (instituição parceira nestes trabalhos de investigação), e foi obtida uma netlist ao nível de porta lógica, que foi guardada utilizando a linguagem de descrição de hardware Verilog. Assim, obtiveram-se dois tipos de descrição dos circuitos BIST: uma comportamental, em VHDL, e outra estrutural, em Verilog (esta descrição estrutural em Verilog irá permitir, posteriormente, fazer a simulação e análise de envelhecimento). A nova estrutura de BIST obtida é baseada no modelo clássico de BIST, mas apresenta algumas alterações, nomeadamente ao nível da geração de vectores de teste e no controlo e aplicação desses vectores ao circuito. Estas modificações têm como objectivo aumentar a detecção de faltas e permitir o teste de faltas de atraso. É composto por três blocos denominados LFSRs (Linear Feedback Shift Registers), um utilizado para gerar os vectores pseudo-aleatórios para as entradas primárias do circuito, outro para gerar os vectores para a entrada do scan path, e o último utilizado como contador para controlar o número de bits introduzidos no scan path. Relativamente ao controlador, este foi especificamente desenhado para controlar um teste com estratégia de test-per-scan (ou seja, um teste baseado no caminho de varrimento existente no circuito) e tem uma codificação de estados que permite implementar as estratégias de teste de faltas de atraso, Launch-On-Shift (LOS) e Launch-On-Capture (LOC). Na secção de saída do novo modelo de BIST, o processo de compactação usa o mesmo princípio do modelo tradicional, utilizando neste caso um MISR (Multiple Input Signature Register). Ainda relativamente ao primeiro objectivo, seguiu-se o desenvolvimento da ferramenta BISTGen, para automatizar a geração das estruturas de BIST atrás mencionadas, nos dois tipos de descrição, e automaticamente inserir estas estruturas num circuito de teste (CUT, Circuit Under Test). A aplicação de software deve permitir o manuseamento de dois tipos de informação relativa ao circuito: descrição do circuito pelo seu comportamento, em VHDL, e descrição do circuito pela sua estrutura, em Verilog. Deve ter como saída a descrição de hardware supra citada, inserindo todos os blocos integrantes da estrutura num só ficheiro, contendo apenas um dos tipos de linguagem (Verilog ou VHDL), escolhida previamente pelo utilizador. No caso dos LFSRs e do MISR, o programa deve permitir ao utilizador a escolha de LFSRs do tipo linear ou do tipo modular (também conhecidos por fibonacci ou galois), e deve também possuir suporte para automaticamente seleccionar de uma base de dados quais as realimentações necessárias que conduzem à definição do polinómio primitivo para o LFSR. Será necessário ainda criar uma estrutura em base de dados para gerir os nomes e o número de entradas e saídas do circuito submetido a teste, a que chamamos CUT, de forma a simplificar o processo de renomeação que o utilizador poderá ter de efectuar. Dar a conhecer ao programa os nomes das entradas e saídas do CUT é de relevante importância, uma vez que a atribuição de nomes para as entradas e saídas pode vir em qualquer língua ou dialecto, não coincidindo com os nomes padrão normalmente atribuídos. Relativamente às duas linguagens que o programa recebe através do CUT na sua entrada, no caso VHDL após inserir BIST o ficheiro final terá sempre uma estrutura semelhante, qualquer que seja o ficheiro a ser tratado, variando apenas com o hardware apresentado pelo CUT. No entanto, para o caso Verilog a situação será diferente, uma vez que o programa tem de permitir que o ficheiro final gerado possa surgir de duas formas dependendo da escolha desejada. A primeira forma que o software deve permitir para o caso Verilog é gerar um ficheiro contendo módulos, de uma forma semelhante ao que acontece no caso VHDL. No entanto, deve permitir também a obtenção, caso o utilizador solicite, de um ficheiro unificado, sem sub-módulos nos blocos, para que o ficheiro final contenha apenas uma única estrutura, facilitando a sua simulação e análise de envelhecimento nas etapas seguintes. Relativamente ao segundo objectivo, com base no trabalho anterior já efectuado em metodologias para detectar faltas de delay em circuitos com BIST, foi definida uma metodologia de teste para, durante a vida útil dos circuitos, permitir avaliar como vão envelhecendo, tratando-se assim de uma metodologia de monitorização de envelhecimento para circuitos com BIST. Um aspecto fundamental para a realização deste segundo objectivo é podermos prever como o circuito vai envelhecer. Para realizar esta tarefa, sempre subjectiva, utilizou-se uma ferramenta desenvolvida no ISE-UAlg em outra tese de mestrado anterior a esta, a ferramenta AgingCalc. Esta ferramenta inicia-se com a definição, por parte do utilizador, das probabilidades de operação das entradas primárias do circuito (probabilidades de cada entrada estar a ‘0’ ou a ‘1’). De notar que este é o processo subjectivo existente na análise de envelhecimento, já que é impossível prever como um circuito irá ser utilizado. Com base nestas probabilidades de operação, o programa utiliza a estrutura do circuito para calcular, numa primeira instância, as probabilidades dos nós do circuito estarem a ‘0’ ou a ‘1’, e numa segunda instância as probabilidades de cada transístor PMOS estar ligado e com o seu canal em stress (com uma tensão negativa aplicada à tensão VGS e um campo eléctrico aplicado ao dieléctrico da porta). Utilizando fórmulas definidas na literatura para modelação do parâmetro Vth (tensão limiar de condução) do transístor de acordo com um envelhecimento produzido pelo efeito NBTI (Negative Bias Temperature Instability), o programa calcula, para cada ano ou tempo de envelhecimento a considerar, as variações ocorridas no Vth de cada transístor PMOS, com base nas probabilidades e condições de operação previamente definidas, obtendo um novo Vth para cada transístor (os valores prováveis para os transístores envelhecidos). Em seguida, o programa instancia o simulador HSPICE para simular as portas lógicas do circuito, utilizando uma descrição que contém os Vth calculados. Esta simulação permite calcular os atrasos em cada porta para cada ano de envelhecimento considerado, podendo em seguida calcular e obter a previsão para o envelhecimento de cada caminho combinatório do circuito. É de notar que, embora a previsão de envelhecimento seja subjectiva, pois depende de uma previsão de operação, é possível definir diferentes probabilidades de operação de forma a estabelecer limites prováveis para o envelhecimento de cada caminho. Tendo uma ferramenta que permite prever como o circuito irá envelhecer, é possível utilizá-la para modificar a estrutura do circuito e introduzir faltas de delay produzidas pelo envelhecimento por NBTI ao longo dos anos de operação (modelados pelo Vth dos transístores PMOS). Assim, no capítulo 5 irá ser mostrado que testes multi-VDD em circuitos com infra-estruturas de BIST podem ser usados para detectar faltas de atraso grosseiras durante a operação no terreno, podendo em alguns casos identificar variações provocadas pelo envelhecimento em caminhos curtos, e consequentemente, estes testes podem ser usados como uma metodologia de sensor de envelhecimento durante o tempo de vida dos circuitos. Um número discreto de sessões BIST multi-VDD geram uma Colecção de Assinaturas de Tensão (Voltage Signature Collection, VSC) e a presença de uma falta de atraso (ou um defeito físico) faz modificar a colecção VSC, comportando-se como sensor de envelhecimento. O objectivo será, especificando, fazer variar a tensão de alimentação, baixando o seu valor dentro de um determinado intervalo e submetendo o circuito a sucessivas sessões de BIST para cada valor de tensão, até que o circuito retorne uma assinatura diferente da esperada. Este procedimento de simulação será feito para uma maturidade de até 20 anos, podendo o incremento não ser unitário. Na realidade os circuitos nos primeiros anos de vida em termos estatísticos não sofrem envelhecimento a ponto de causar falhas por esse efeito. As falhas que podem acelerar o processo de envelhecimento estão relacionadas com defeitos significativos no processo de fabrico mas que ainda assim não são suficientes para no início do seu ciclo de vida fazer o circuito falhar, tornando-se efectivas após algum tempo de utilização. Os métodos e ferramentas propostos de DfT são demonstrados com extensas simulações VHDL e SPICE, utilizando circuitos de referência