一輛自動(dòng)駕駛汽車(chē)以每小時(shí) 35 英里的速度駛向路口，其激光雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)到前方有障礙物。能否精準(zhǔn)測(cè)出與障礙物的距離是 165 英尺還是 167 英尺，將決定車(chē)輛能否及時(shí)平穩(wěn)制動(dòng)。多出來(lái)的這 2 英尺，可能就是安全與災(zāi)難的分界線。

這種精度的測(cè)量依賴于精密的模擬技術(shù)，它連接了數(shù)字處理與我們的物理世界。

高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、放大器、電壓基準(zhǔn)源及其他模擬集成電路 (IC)，旨在以前所未有的準(zhǔn)確性捕捉真實(shí)世界的信號(hào)，如溫度、濕度、電壓、電流、距離和位置。這些模擬芯片在電路板上協(xié)同工作，提供系統(tǒng)級(jí)的精度，使數(shù)字系統(tǒng)能夠做出智能決策。

然而，在芯片協(xié)同工作之前，必須使用比芯片本身更尖端的先進(jìn)測(cè)試設(shè)備，對(duì)其性能和精度進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證。自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng) (ATE)、高分辨率示波器、數(shù)字萬(wàn)用表及其他工具，依靠先進(jìn)的半導(dǎo)體器件來(lái)驗(yàn)證下一代電子產(chǎn)品的性能。一旦出現(xiàn)任何失誤，制造商就可能面臨高昂的產(chǎn)品失效損失、安全隱患，更重要的是，會(huì)失去消費(fèi)者的信任。

永不止步的精度追求

“半導(dǎo)體行業(yè)正朝著柵極長(zhǎng)度 1.5nm 的晶體管邁進(jìn)。打個(gè)比方，兩個(gè)硅原子之間的間距約為 0.23nm，所以這個(gè)距離大約相當(dāng)于原子間距的五倍。這簡(jiǎn)直令人難以置信。”——TI 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與時(shí)鐘產(chǎn)品副總裁Karthik Vasanth

隨著半導(dǎo)體達(dá)到原子級(jí)的精度，高分辨率測(cè)試設(shè)備也必須變得同樣尖端。工程師們持續(xù)設(shè)計(jì)測(cè)試設(shè)備，使其每一代都能測(cè)量更寬的帶寬、更快的信號(hào)和更高的分辨率。

NI 的 ATE 核心配置提供完全可定制的機(jī)架，使工程師能夠構(gòu)建高性能、標(biāo)準(zhǔn)化的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)

Robert Manion 在 Emerson 旗下的 National Instruments (NI) 親身見(jiàn)證了這一演進(jìn)歷程。作為半導(dǎo)體解決方案測(cè)試與測(cè)量部門(mén)的總經(jīng)理，他的公司使用 TI 的精密 IC 來(lái)檢測(cè)幾年前難以測(cè)量甚至無(wú)法測(cè)量的性能變化。

Robert 表示：“從亞 2nm 工藝研究到硅驗(yàn)證、特性分析以及大批量生產(chǎn) ATE，NI 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是測(cè)試全球最先進(jìn)的半導(dǎo)體。要實(shí)現(xiàn)如此廣泛的測(cè)試覆蓋，我們必須集成頂尖的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和精密模擬組件。結(jié)合我們測(cè)試平臺(tái)中不斷發(fā)展的 AI 技術(shù)，我們?nèi)缃衲馨l(fā)現(xiàn)數(shù)年前完全無(wú)法捕捉的器件特性。這將可以幫助芯片制造商加速學(xué)習(xí)周期，并更有信心地將每一代新器件推向市場(chǎng)。”

精度要求

Karthik 表示：“設(shè)計(jì)人員總會(huì)選擇性能最優(yōu)、最可靠的元件，他們不會(huì)在基礎(chǔ)精度規(guī)格上妥協(xié)。”這一現(xiàn)實(shí)推動(dòng)了持續(xù)創(chuàng)新，因?yàn)?TI 從兩個(gè)角度都面臨著需求：既是芯片制造商，又是設(shè)備使用者。

例如，放大器的精度已實(shí)現(xiàn)大幅提升。如今的精密放大器能夠檢測(cè)到的電信號(hào)，比十年前所能達(dá)到的精度要高出 100 倍。

“即使是像放大器這樣簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體元件，也正通過(guò)其高精度和高準(zhǔn)確性改變世界。”——TI 放大器副總裁 Prajkta Vyavahare

如今的測(cè)試測(cè)量設(shè)備需要性能極其穩(wěn)定的精密放大器，其偏差必須保持在微伏級(jí)別，并且還要實(shí)現(xiàn)超低噪聲。例如，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器必須足夠靈敏，能在 1500 萬(wàn)個(gè)正常測(cè)量值中檢測(cè)出一個(gè)有缺陷的測(cè)量值——同時(shí)還要每秒處理超過(guò) 10 億個(gè)樣本。而電壓基準(zhǔn)源則需提供幾乎零漂移的電壓輸出，從而使測(cè)試設(shè)備能夠在無(wú)需校準(zhǔn)的情況下長(zhǎng)時(shí)間使用，并助力開(kāi)啟精準(zhǔn)度的新時(shí)代。

測(cè)試測(cè)量在推動(dòng)器件進(jìn)步中扮演著重要角色。Prajkta 表示：“一旦設(shè)計(jì)和制造出半導(dǎo)體，目標(biāo)就是需要確保它滿足為其設(shè)定的每一項(xiàng)性能指標(biāo)。測(cè)試不僅是為了驗(yàn)證，更能讓我們對(duì)設(shè)計(jì)充滿信心。”

這些性能要求也催生了一個(gè)半導(dǎo)體制造商與設(shè)備制造商之間的良性循環(huán)，推動(dòng)著整個(gè)行業(yè)發(fā)展。Karthik 表示：“每一款達(dá)到這種精度的產(chǎn)品在出廠前都必須經(jīng)過(guò)測(cè)試。這是先決條件。測(cè)試設(shè)備必須始終比它所測(cè)量的產(chǎn)品更精確，這促進(jìn)了半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和測(cè)試技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新。”

高精度感知是實(shí)時(shí)工業(yè)診斷的基礎(chǔ)

永無(wú)止境的征程

這種對(duì)精度的不懈追求適用于任何需要更精確測(cè)量的應(yīng)用。電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)需要精密放大器來(lái)精確測(cè)量充電電流和電壓，以避免危險(xiǎn)故障發(fā)生。數(shù)據(jù)中心的人工智能 (AI) 芯片在部署到服務(wù)器之前，需要通過(guò)測(cè)試來(lái)排查微小的缺陷。

半導(dǎo)體的進(jìn)步將持續(xù)賦能自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備，使其具備增強(qiáng)的 AI 能力，能夠預(yù)測(cè)故障并實(shí)時(shí)做出決策。集成度的突破將帶來(lái)更小、更可靠的測(cè)試系統(tǒng)，幫助制造商提高質(zhì)量、加快產(chǎn)品上市速度并擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。

Prajkta 表示：“最終，只有解決實(shí)際的工程問(wèn)題才可以認(rèn)為是成功。當(dāng)測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員告訴我們，我們的產(chǎn)品解決了他們的難題，那就說(shuō)明我們真正實(shí)現(xiàn)了高精度。”