可测试性设计（DFT）实现：扫描链插入与边界扫描测试向量生成

在集成电路设计复杂度持续提升的背景下，传统功能测试方法面临覆盖率不足、故障定位困难等挑战。可测试性设计（DFT）通过在芯片中嵌入测试结构，显著提升了故障检测效率。本文聚焦扫描链插入与边界扫描测试向量生成两大核心技术，探讨其实现方法与工程应用。

一、扫描链插入：从功能电路到可测结构

扫描链（Scan Chain）通过将时序逻辑电路中的触发器替换为可扫描触发器（Scan Flip-Flop），将复杂电路转化为可逐级扫描的移位寄存器链。以32位RISC-V处理器核为例，其包含2000余个触发器，传统测试需为每个触发器设计独立测试向量，而扫描链插入后，仅需通过串行接口输入/输出测试数据，测试向量数量可减少90%以上。

关键实现步骤：

触发器替换：使用EDA工具（如Synopsys DFT Compiler）自动识别设计中的时序逻辑单元，将其替换为支持扫描功能的触发器。例如，在MIPS处理器设计中，通过TCL脚本批量修改RTL代码，将普通D触发器替换为MUX-D型扫描触发器：

verilog

// 原始D触发器  

always @(posedge clk) q <= d;  

// 替换为扫描触发器  

always @(posedge clk)  

   if (scan_en) q <= scan_in;  

   else q <= d;

扫描链连接：工具自动分析数据流拓扑，将分散的扫描触发器串联成单条或多条扫描链。某AI加速器项目通过优化链长分布，将最长扫描链长度从1200级压缩至800级，显著降低了测试时间。

时钟控制：插入扫描使能信号（scan_en）与测试时钟（tclk），实现功能模式与测试模式的切换。测试时，通过tclk逐级移入测试模式（Test Pattern），再移出响应数据（Response Data）。

二、边界扫描测试向量生成：从故障模型到向量优化

边界扫描（Boundary Scan，IEEE 1149.1标准）通过在芯片引脚处嵌入边界扫描单元（BSC），实现对板级互连的测试。其核心挑战在于生成高效测试向量，覆盖开路、短路等常见故障。

向量生成流程：

故障建模：基于互连拓扑构建故障模型，包括引脚间短路（Stuck-at-0/1）与开路（Bridging Fault）。例如，某FPGA板卡包含500个引脚，需生成覆盖全部25万种故障组合的测试向量。

向量压缩：采用算法（如GOLB算法）减少向量数量。实验数据显示，通过合并兼容故障模式，某通信芯片的测试向量从1200条压缩至300条，测试时间缩短75%。

ATPG工具应用：使用TetraMAX或FastScan等工具自动生成测试向量。以某汽车电子ECU为例，工具生成的向量可检测99.2%的引脚故障，故障覆盖率较手动设计提升40%。

三、工程实践：DFT在SoC设计中的应用

在某SoC项目中，DFT实现流程如下：

RTL级插入：通过Design Compiler的compile_ultra -scan命令，在综合阶段自动插入扫描链，插入率达98.7%。

形式验证：使用Formality验证扫描链插入前后的功能等价性，确保测试结构不影响正常工作模式。

测试向量生成：针对扫描链生成1024条测试向量，针对边界扫描生成256条向量，总测试覆盖率达99.5%。

ATE编程：将测试向量转换为ATE（Automatic Test Equipment）可识别的WGL格式，实现自动化测试。

结语

DFT技术通过扫描链插入与边界扫描向量生成，构建了从芯片级到板级的完整测试解决方案。随着AI加速、汽车电子等高可靠性领域的发展，DFT正朝着低功耗、高覆盖率方向演进。例如，IEEE 1687标准引入的内部JTAG（IJTAG）技术，进一步提升了嵌入式仪器的测试效率。未来，DFT将成为智能硬件设计的核心基础设施，推动芯片测试向自动化、智能化迈进。