在经历了两个多月漫长而焦灼的等待后,那个牵动着芯启科技所有人神经的时刻,终于到来了!
一箱印着台积电(tSmc)醒目标志的、包装得异常严密的硬纸箱,由国际快递送达了观塘那间略显拥挤的办公室。箱子不大,却仿佛有着千斤重,里面装着的,是芯启科技的第一个孩子,是承载着整个公司希望的——“麻雀 Rev b”的首批工程硅片(Engineering wafers)!
消息传来,整个办公室瞬间沸腾了!
所有人都暂时放下了手中的工作,围拢过来,目光灼灼地盯着那个看似普通的纸箱,眼神中充满了激动、期待,还有一丝难以掩饰的紧张。这两个多月里,团队承受了太多的压力和煎熬,付出了无数的心血和汗水,成败在此一举!
林轩强压下内心的激动,亲自签收了包裹。他小心翼翼地打开层层保护包装,露出了里面几个黑色的、圆形的晶圆盒(wafer cassette)。透过透明的盒盖,可以看到里面叠放着的一片片闪烁着金属光泽的、薄薄的硅晶圆。每一片晶圆上,都整齐地排列着数百个微小的、肉眼几乎看不清的方形die(裸片),那就是他们日夜奋战的成果——“麻雀 Rev b”芯片!
“好了,都别围着了!”林轩深吸一口气,努力让自己的声音保持平静,“家俊哥,顾博士,验证组的同事,我们去实验室!”
核心技术团队的成员们立刻行动起来。他们穿上防静电服,戴上口罩和手套,小心翼翼地将一个晶圆盒捧进了那间经过简单改造、但也配备了必要设备的测试实验室。
接下来的步骤,繁琐而关键。
首先是晶圆测试(wafer Sort \/ wafer probe)。需要将整片晶圆固定在探针台(probe Station)上,然后用极其精密的探针,接触到每一个die上的测试焊盘(test pad),通过自动测试设备(AtE)运行预先编写好的测试程序,对每个die进行初步的功能和电参数筛选,标记出可能失效的die。
这个过程需要极高的精度和耐心。林轩和陈家俊、顾维钧等人轮流操作着那台半自动的探针台,眼睛紧盯着显微镜和AtE屏幕上跳动的数据。
初步测试结果很快出来了,有好消息,也有坏消息。
好消息是,整片晶圆上,大部分die都通过了基本的电气连接测试和简单的功能向量测试,没有出现大面积的、灾难性的制造缺陷。这至少证明,台积电的0.5微米工艺是可靠的,他们的设计在大的逻辑层面上没有致命错误。大家悬着的心,放下了一半。
坏消息是,通过初步筛选的“良品”die(Good die)的比例,似乎低于预期。在一片晶圆上,大约只有60%-70%的die能够通过所有基础测试,这意味着初始良率(Yield)并不算高。而且,即使是这些“良品”die,其某些关键电参数(如漏电流、工作频率的初步测试结果)也呈现出一定的离散性,暗示着可能存在一些设计或工艺上的边缘问题(marginality)。
“初始良率偏低是正常的,”林轩安慰着略显沮丧的陈家俊和顾维钧,“毕竟是新设计、新工艺的第一次流片。关键在于,我们要尽快找出导致不良的原因,以及评估那些通过初测的die,其性能是否真正达标。”
下一步是封装(packaging)。为了进行更全面的功能和性能测试,需要将通过初测的die从晶圆上切割下来(dicing),然后焊接到芯片基板上,用环氧树脂进行塑封,形成可以焊接到电路板上的、我们常见的芯片形态。
芯启科技目前还没有自己的封装产线,这项工作外包给了香港本地一家有合作关系的封装厂。他们加急将切割好的“良品”die送了过去。
又是几天焦急的等待。
第一批封装好的“麻雀 Rev b”工程样品(Engineering Sample, ES)终于送回了芯启科技的实验室!看着那些印着“xinqi tech”和“Sparrow Rev b”字样的、崭新的黑色芯片,每个人的心情都像是即将揭晓高考成绩的考生。
最后的审判时刻到了——芯片上板测试(bring-up & Validation)!
验证团队早已准备好了专门设计的测试验证板(Validation board)。这块电路板上集成了电源、时钟、存储器、音频接口、调试接口等所有必要的周边电路,可以将“麻雀”芯片的功能尽可能地模拟出来。
顾维钧亲自操刀,小心翼翼地将第一颗ES芯片焊接到验证板上。所有人都屏住了呼吸,围拢在测试台前。实验室里安静得掉根针都能听见。
连接好电源,打开示波器、逻辑分析仪、音频分析仪等各种测试设备。
“上电!”林轩下达了指令。
陈家俊按下了电源开关。
所有人的目光都死死地盯在测试设备和验证板的指示灯上。
几秒钟过去了,没有冒烟,没有异响!电源指示灯正常亮起!芯片的静态电流也在预期范围内!
“好!第一关过了!”陈家俊低呼一声,额头上已经渗出了细密的汗珠。
接下来,是更关键的功能测试。
连接JtAG调试接口,尝试读取芯片内部的Id寄存器。
“Id读取成功!”负责操作调试器的工程师兴奋地报告。这表明芯片内部最基本的数字逻辑和通信接口是工作的!
然后,加载测试程序,尝试让芯片内部的cpU内核运行起来,并访问外部存储器。
“cpU core启动正常!可以读写内存!”又一个好消息传来!
现场的气氛开始变得轻松起来,大家的脸上露出了笑容。看起来,这颗芯片的核心数字部分,问题不大!
然而,真正的考验,才刚刚开始。他们需要验证芯片的所有功能模块,特别是那些最复杂、也最容易出问题的部分——mp3解码、音频编解码器(Audio codec)、锁相环(pLL)、电源管理(pmU)。
测试程序开始运行mp3解码流程。将标准的mp3测试码流输入芯片,然后通过音频分析仪检测输出的模拟音频信号。
“解码……基本正常!但是……”负责音频测试的工程师眉头皱了起来,“输出信号的信噪比(SNR)好像比我们仿真结果要低一些,而且似乎存在一些微弱的高频噪声……”
顾维钧立刻凑到音频分析仪前,仔细观察着频谱图。“确实有噪声……而且底噪也比预期的要高。可能是dAc(数模转换器)的设计,或者电源部分引入了干扰。”
紧接着,对pLL模块的测试也发现了问题。在尝试将系统时钟锁定到设计目标的最高频率时,pLL出现了不稳定的抖动(Jitter),甚至在某些电压或温度条件下,会直接失锁(Loss of Lock)!这意味着芯片可能无法稳定运行在最高性能模式下。
“麻烦了……”顾维钧的脸色变得凝重,“pLL不稳定,整个芯片的时钟系统都会受影响。这个问题必须解决!”
随后,对电源管理单元(pmU)的测试也发现,其内部的dc-dc转换效率略低于设计目标,导致芯片在某些高负载工作模式下的功耗,可能比预期要高一些。
一个个问题被暴露出来。
刚刚还沉浸在“芯片点亮”喜悦中的团队,心情再次沉重起来。虽然没有发现致命的、导致芯片完全无法工作的硬伤,但这些暴露出来的性能瑕疵、稳定性问题,如果不能有效解决,将严重影响“麻雀 Rev b”的市场竞争力,甚至可能导致无法满足远大电子(哪怕是其最低)的要求!
第一次硅片测试的结果,就像是一份喜忧参半的成绩单。芯片“活了”,但“活得”并不完美,甚至可以说“病得不轻”。
林轩的内心,也经历了一次过山车。从最初的激动,到发现问题后的担忧,再到最后的冷静。他知道,这在芯片研发中其实是很常见的情况,第一次流片就能完美无瑕几乎是不可能的。关键在于,接下来的调试(debugging)工作!
“大家不要灰心!”林轩拍了拍手,将众人的注意力吸引过来,“第一次流片能点亮,核心数字逻辑基本没问题,这已经是一个巨大的成功了!相比那些第一次流片回来连基本功能都跑不通的公司,我们已经幸运很多了!”
“现在,我们面临的问题很明确:音频噪声、pLL不稳定、功耗偏高。”他指着白板上刚刚记录下的问题点,“这些都是硬骨头,但并非无法解决!接下来,我们要立刻成立调试攻关小组,由家俊哥、顾博士、志远牵头,集中所有资源和智慧,尽快找出这些问题的根源,并找到解决方案!”
“记住,我们没有多少时间了!”林轩的目光扫过每一位疲惫但眼神依旧坚定的战友,“远大的交货期限就在眼前!这场硬仗,才刚刚开始!打起精神来,我们一定能行!”
硅片归来,带来了希望,也带来了新的、更严峻的挑战。芯启科技的实验室里,一场与时间赛跑、与bug搏斗的“调试风暴”,即将猛烈上演。而那五万片订单的命运,就悬于这场风暴的结果之上。