ในอุตสาหกรรมวงจรรวมดิจิทัล (Digital Integrated Circuits หรือ ICs) ความทนทานและความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ถือเป็นหัวใจสำคัญของอุตสาหกรรมที่ไม่อาจละเลยได้ การทดสอบวงจรหลังการผลิตเป็นขั้นตอนสำคัญที่ช่วยรับประกันว่าสินค้าสามารถทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบ แต่ด้วยความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นของวงจรดิจิทัลในปัจจุบัน การออกแบบที่มุ่งเน้นการทดสอบตั้งแต่ต้นกระบวนการ หรือที่เรียกว่าการออกแบบเพื่อการทดสอบ (Design for Test:DFT) ได้กลายมาเป็นส่วนสำคัญในกระบวนการออกแบบ IC

แนวคิดการออกแบบเพื่อการทดสอบได้มุ่งเน้นแค่การทำให้การตรวจสอบวงจรง่ายขึ้นเท่านั้น แต่ยังช่วยลดต้นทุนการผลิต เพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการ และช่วยให้สินค้าผ่านการทดสอบได้ในอัตราสำเร็จที่สูงขึ้น การออกแบบวงจรที่รองรับการทดสอบ DFT ยังช่วยให้นักพัฒนาสามารถรับรู้ถึงจุดบกพร่องในวงจรได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งช่วยให้การแก้ไขปัญหาเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นและลดความล่าช้าในกระบวนการผลิต

การออกแบบเพื่อการทดสอบ คืออะไร?

การออกแบบเพื่อการทดสอบ หรือที่เรียกในภาษาอังกฤษว่า Design for Test (DFT) หมายถึงแนวทางการออกแบบวงจรให้สามารถรองรับการทดสอบได้ง่ายขึ้น โดยเพิ่มฟีเจอร์และโครงสร้างเฉพาะเข้าไปตั้งแต่ขั้นตอนแรกของการออกแบบ ช่วยให้การตรวจหาความผิดพลาดในกระบวนการผลิตและการทำงานของวงจรทำได้รวดเร็วและมีคุณภาพยิ่งขึ้น การใช้ DFT ยังช่วยลดความซับซ้อนของการทดสอบและลดความผิดพลาดจากการผลิตลงได้

ฟีเจอร์สำคัญของ DFT

1. Scan Chains: เพิ่มโครงสร้างพิเศษเพื่อเชื่อมฟลิปฟลอปในวงจรเข้าด้วยกัน ทำให้ง่ายต่อการตรวจสอบสถานะของแต่ละฟลิปฟลอป

2. Built-In Self-Test (BIST): ทำให้วงจรสามารถตรวจสอบความผิดพลาดด้วยตัวเอง โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์เสริมจากภายนอก

3. Boundary Scan: เทคนิคสำหรับตรวจสอบการเชื่อมต่อระหว่างวงจรบนบอร์ด เหมาะสำหรับวงจรที่มีความหนาแน่นสูง

4. Memory Test Logic: เพิ่มวงจรสำหรับตรวจสอบหน่วยความจำ เช่น RAM และ ROM เพื่อป้องกันข้อผิดพลาดในการจัดเก็บและเรียกใช้ข้อมูล

ความสำคัญของ DFT ในอุตสาหกรรม

1. ลดต้นทุนการผลิต: การออกแบบที่รองรับ DFT ช่วยลดทรัพยากรและเวลาที่ใช้ในกระบวนการทดสอบ ทำให้ตรวจสอบข้อผิดพลาดได้ตั้งแต่ต้น ลดการสูญเสียจากการผลิตชิ้นส่วนที่มีข้อบกพร่อง

2. เพิ่มคุณภาพสินค้า: DFT ช่วยให้ตรวจจับข้อผิดพลาดได้แม่นยำขึ้น ทำให้ผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการทดสอบมีคุณภาพสูง

3. รองรับวงจรที่ซับซ้อน: DFT ช่วยให้นักออกแบบสินค้าสามารถจัดการและทดสอบวงจรที่มีความซับซ้อน เช่น SoC (System on Chip) ได้ง่ายขึ้น

4. เพิ่มความสเถียรในระยะยาว: ด้วยการแก้ไขข้อผิดพลาดตั้งแต่ต้น ผลิตภัณฑ์ที่ผ่าน DFT มีความเสถียรสูง และลดโอกาสที่จะล้มเหลวได้เมื่อใช้งานจริง

กระบวนการออกแบบ DFT

1. การวางแผน: กำหนดว่าฟีเจอร์ DFT ใดจะถูกนำไปใช้ในวงจร เช่น Scan Chains หรือ BIST

2. การรวมเข้ากับวงจร: เพิ่มโครงสร้าง DFT ลงในวงจร เช่น เชื่อมฟลิปฟลอปผ่าน Scan Chains

3. การจำลองและวิเคราะห์: ทดสอบว่าฟีเจอร์ที่เพิ่มเข้ามาช่วยตรวจจับข้อผิดพลาดได้อย่างมีประสิทธิภาพหรือไม่

4. การทดสอบจริง: ใช้เครื่องมือเช่น Automatic Test Equipment (ATE) เพื่อประเมินความถูกต้องของวงจร

ความท้าทายในการออกแบบ DFT

1. ความซับซ้อนของวงจรขนาดใหญ่: เช่น SoC ที่รวมหลายฟังก์ชัน การเพิ่ม DFT อาจซับซ้อนและเสี่ยงต่อข้อผิดพลาด

2. พื้นที่วงจรเพิ่มขึ้น: ฟีเจอร์ DFT เช่น Scan Chains หรือ BIST อาจทำให้วงจรมีขนาดใหญ่ขึ้น ส่งผลต่อต้นทุนและประสิทธิภาพ

3. การใช้พลังงานสูงขึ้น: โครงสร้าง DFT อาจเพิ่มการใช้พลังงาน โดยเฉพาะในระหว่างการทดสอบ

4. ข้อผิดพลาดที่ตรวจจับได้ยาก: เช่น Timing Errors หรือ Crosstalk ที่อาจต้องใช้เทคนิคขั้นสูง เช่น Path Delay Test

แนวทางแก้ไขปัญหาในการออกแบบ DFT

เพื่อจัดการกับความท้าทายในการออกแบบ Design for Test (DFT) อย่างมีประสิทธิภาพ มีแนวทางและกลยุทธ์ที่สามารถนำไปปรับใช้ได้ดังนี้

1. การใช้เครื่องมืออัตโนมัติ (DFT Automation Tools)

ซอฟต์แวร์ออกแบบอัตโนมัติ เช่น Synopsys DFTMAX หรือ Cadence Modus ช่วยลดความยุ่งยากในการเพิ่มโครงสร้าง DFT ลงในวงจร

- เครื่องมือเหล่านี้ช่วยประเมินความเหมาะสมของโครงสร้าง DFT และตรวจสอบว่าตรงตามข้อกำหนดทางเทคนิค

2. การเพิ่ม Built-In Self-Test (BIST)

BIST เป็นฟีเจอร์ที่ทำให้วงจรสามารถตรวจสอบข้อผิดพลาดได้ด้วยตัวเอง โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์ทดสอบภายนอก

- ลดค่าใช้จ่ายในการทดสอบหลังการผลิต

- เหมาะสำหรับวงจรที่ต้องใช้งานในพื้นที่ห่างไกล หรือที่มีข้อจำกัดในการใช้อุปกรณ์ทดสอบ

3. การใช้ Multi-Domain DFT

สำหรับวงจรที่มีขนาดใหญ่และซับซ้อน การแบ่งโครงสร้าง DFT ออกเป็นหลายโดเมนช่วยให้การจัดการทรัพยากรมีประสิทธิภาพมากขึ้น

- เช่น การแยก DFT สำหรับหน่วยประมวลผล หน่วยความจำ และอุปกรณ์ต่อพ่วง เพื่อให้การทดสอบในแต่ละส่วนง่ายขึ้น

4. การออกแบบร่วมกับการทดสอบ (Co-Design for Testability)

การรวมกระบวนการออกแบบวงจรและการทดสอบเข้าด้วยกันตั้งแต่ต้น ช่วยลดปัญหาความไม่เข้ากันระหว่างโครงสร้าง DFT และวงจรหลัก

- การวางแผนโครงสร้างที่รองรับ DFT ควบคู่กับการพัฒนาวงจรหลัก ช่วยปรับปรุงการทำงานโดยรวมและลดข้อขัดแย้งที่อาจเกิดขึ้น

การประยุกต์ใช้ DFT ในอุตสาหกรรมต่าง ๆ

Design for Test (DFT) ถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมที่ต้องการความแม่นยำสูงและความน่าเชื่อถือในทุกขั้นตอนการทำงาน ดังนี้

1. อุตสาหกรรมยานยนต์

ระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติ (Autonomous Driving) และระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ (ADAS) จำเป็นต้องมีการทดสอบวงจรอย่างละเอียด เพราะข้อผิดพลาดเล็กน้อยอาจนำไปสู่ผลกระทบร้ายแรง

- DFT ช่วยในการตรวจสอบการทำงานของเซ็นเซอร์และหน่วยประมวลผล เพื่อเพิ่มความปลอดภัยและเสถียรภาพในระบบ

2. อุตสาหกรรมการบินและอวกาศ

ความน่าเชื่อถือในวงการนี้ถือเป็นสิ่งสำคัญที่สุด เนื่องจากความผิดพลาดเพียงเล็กน้อยอาจก่อให้เกิดความเสียหายใหญ่หลวง

- การใช้ Built-In Self-Test (BIST) ช่วยลดเวลาและค่าใช้จ่ายในการทดสอบวงจร ขณะเดียวกันยังรับรองความแม่นยำ

3. อุตสาหกรรม IoT และสมาร์ทอุปกรณ์

อุปกรณ์ IoT และสมาร์ทอุปกรณ์ส่วนใหญ่มักมีข้อจำกัดด้านขนาดและพลังงาน ทำให้ DFT เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการตรวจสอบและแก้ไขข้อผิดพลาด

- การใช้ Boundary Scan ช่วยตรวจสอบการเชื่อมต่อระหว่างวงจรได้ง่าย แม้ในอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กและซับซ้อน

4. อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

ในการผลิตไมโครชิปที่ซับซ้อน เช่น CPU หรือ SoC (System on Chip) DFT ช่วยให้ตรวจสอบข้อผิดพลาดในทุกขั้นตอนของการผลิต

- Scan Chains เป็นฟีเจอร์สำคัญที่ช่วยวิเคราะห์สถานะของวงจรในระหว่างการทดสอบและแก้ไขข้อผิดพลาดที่พบ

บทสรุป

การออกแบบเพื่อการทดสอบ (Design for Test:DFT) เป็นกระบวนการสำคัญที่ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือ ความทนทาน และคุณภาพให้กับวงจรรวมดิจิทัล โดยมุ่งเน้นการลดต้นทุนการผลิตและยกระดับประสิทธิภาพในกระบวนการทดสอบ อย่างไรก็ตาม DFT ยังต้องเผชิญกับปัญหาที่หลากหลาย เช่น ความซับซ้อนของวงจร การเพิ่มพื้นที่ในวงจร และการใช้พลังงานที่สูงขึ้น ซึ่งต้องจัดการด้วยกลยุทธ์และเทคนิคที่เหมาะสม

ด้วยเทคโนโลยีที่ก้าวหน้า เช่น Built-In Self-Test (BIST), Scan Chains, และ DFT Automation Tools นักออกแบบสามารถสร้างโครงสร้าง DFT ที่ตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรมได้อย่างมีประสิทธิภาพ การผสมผสานระหว่างการออกแบบวงจรที่คำนึงถึงการทดสอบและการพัฒนากลยุทธ์ที่แม่นยำช่วยให้ผลิตภัณฑ์มีคุณภาพสูง รองรับการใช้งานในระบบที่ซับซ้อนและมีความต้องการความน่าเชื่อถือในระดับสูงสุดในยุคดิจิทัล

แนวทางนี้ไม่เพียงช่วยให้ผลิตภัณฑ์ตอบโจทย์ด้านคุณภาพ แต่ยังช่วยลดความเสี่ยง เพิ่มเสถียรภาพ และยกระดับมาตรฐานในหลากหลายอุตสาหกรรม ตั้งแต่ยานยนต์ การบินและอวกาศ ไปจนถึง IoT และเซมิคอนดักเตอร์ในอนาคตอีกด้วย

‍