„Testen ist auf meine Stirn tätowiert“

Veröffentlicht am: 18 November 2020

Experte:

Erik Jan Marinissen PDEng. MSc.

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Als er studierte, hatte er nicht das geringste Interesse an Chips, geschweige denn an deren Test. Heute ist Erik Jan Marinissen eine Koryphäe auf dem Gebiet der IC-Tests und des Design-for-Test und unterrichtet sogar zu diesem Thema.

Als Erik Jan Marinissen im vergangenen Jahr erfuhr, dass er mit seinen Vorträgen zum Thema Design for Test auf der IEEE International Test Conference (ITC) zum meistzitierten ITC-Autor der letzten 25 Jahre geworden war, konnte er es kaum glauben. „Ich hatte eine Plenarsitzung beim Mittagessen übersprungen, um eine Präsentation vorzubereiten, die ich später am Tag halten wollte, als Passanten anfingen, mir zu gratulieren. Wofür, fragte ich sie. Sie erklärten mir, dass gerade bekannt gegeben worden war, dass ich der meistzitierte ITC-Autor der letzten 25 Jahre bin. Nun, dachte ich, das kann doch nicht stimmen. Natürlich hatte ich im Laufe der Jahre ein paar erfolgreiche Arbeiten vorgelegt, aber die Halbgötter der Testdisziplin – die Leute, zu denen ich aufschaue – waren mir sicher meilenweit voraus“, erzählt Marinissen.

Zurück zu Hause, machte sich Marinissen an die Arbeit. Er schrieb eine Software, die die Konferenzdaten durchforstete, um eine „Hitparade“ von Autoren und Artikeln zu erstellen. Das Ergebnis war eindeutig: Er war nicht nur der meistzitierte Autor, sondern sein Vorsprung vor seinen Vorbildern war auch noch recht groß. Dass die ITC das wichtigste wissenschaftliche Forum in seinem Fachgebiet ist, stand außer Frage: Marinissen ist eine Autorität in den Disziplinen Test und Design-for-Test (DfT) (siehe Einschub „Was ist Design-for-Test?“).

Kredit: Imec

Als er sich sicher war, dass es sich nicht um einen Fehler handelte, war Marinissen „extrem stolz. Ich habe im Laufe der Jahre einige Preise für die beste Zeitung gewonnen, aber sie spiegeln in der Regel die Mode des Augenblicks wider. Was in einem Jahr populär ist, ist es im nächsten Jahr vielleicht nicht mehr. Meine Analyse bestätigt das sogar: Nicht alle ausgezeichneten Arbeiten haben eine hohe Zitationsrate. Dass ich der meistzitierte Autor bin, zeigt, dass meine Arbeit den Test der Zeit überstanden hat; es ist wie eine Auszeichnung für mein Lebenswerk.“

Was ist Design-for-Test?
Ein moderner Chip besteht aus Millionen oder sogar Milliarden von Komponenten, und schon eine einzige Fehlfunktion kann den gesamten Chip ruinieren. Aus diesem Grund muss jede Komponente getestet werden, bevor der Chip verkauft werden kann. Sie wird ein- und ausgeschaltet, und es muss überprüft werden, ob sie ihren Zustand geändert hat.
Das Schwierige daran ist, dass Sie nicht jeden Transistor mit dem Multimeter messen können, wie Sie es z.B. bei einer Leiterplatte tun würden. Tatsächlich können Sie sie nur über die E/A erreichen, und ein Chip hat viel weniger E/A-Pins als interne Komponenten. Die größte Herausforderung beim Testen besteht in der Tat darin, mit dieser begrenzten Anzahl von Pins einen Weg zu jeder Komponente zu finden.
Diese Aufgabe ist unmöglich, ohne den Chip mit Funktionen auszustatten, die das Testen erleichtern. Normalerweise sind 5-10 Prozent der Siliziumfläche eines Chips nur dafür da, das Testen zu ermöglichen: Hinzufügen von Shift-Register-Zugriff auf alle funktionalen Flip-Flops, Dekomprimierung von Teststimuli und Komprimierung von Testantworten, On-Chip-Generierung von Teststimuli und entsprechenden erwarteten Testantworten für eingebettete Speicher. Design-for-test (DfT) bezieht sich in seiner engen Definition auf die On-Chip-Designmerkmale, die in das IC-Design integriert sind, um den Testzugriff zu erleichtern.
Umgangssprachlich wird der Begriff DfT jedoch auch verwendet, um alle Testentwicklungsaktivitäten zu bezeichnen. Dazu gehört die Erstellung der Teststimulusvektoren, die in aufeinanderfolgenden Taktzyklen auf die Eingangspins des Chips angewendet werden, und der erwarteten Testantwortvektoren, mit denen die Testausrüstung die tatsächlichen Testantworten vergleicht, die an den Ausgangspins des Chips ankommen. Die Chip-Hersteller lassen diese Programme auf automatischen Testgeräten in oder in der Nähe ihrer Fabriken laufen.

Abwechslungsreich und interessant

Die Überprüfung der Berechnungen, die ihm eine prestigeträchtige Auszeichnung eingebracht haben, könnte man als Instinkt für jemanden bezeichnen, der sein Leben der Überprüfung von Dingen gewidmet hat, aber Marinissen und das Testen waren nicht gerade eine Liebe auf den ersten Blick. „Als Informatikstudent an der Technischen Universität Eindhoven hatte ich keine große Affinität zu Chips oder Elektrotechnik. Wir CS-Studenten haben eigentlich immer auf Elektroingenieure herabgesehen. Elektroingenieure sind nur dazu da, Fahrradlampen zu reparieren, scherzten wir immer. Ich bin mir aber sicher, dass sie ähnlich über uns dachten“, lacht Marinissen.

Das Testen schien Marinissen noch weniger attraktiv zu sein, aus Gründen, die seiner Meinung nach auch heute noch zutreffen. „Wenn Sie nicht viel über das Feld wissen, könnte es den Anschein haben, dass Tester diejenigen sind, die den Dreck anderer Leute wegräumen. Das ist einfach nicht sehr sexy. Beim IC-Design oder der Entwicklung von Prozesstechnologien ist es viel einfacher, die kreativen und innovativen Aspekte zu verstehen. Selbst heute treffe ich nur sehr selten Studenten, die von dem Moment an, in dem sie einen Fuß auf die Universität setzen, den Ehrgeiz haben, eine Karriere im Testen zu machen.“

Es bedurfte einer besonderen Wendung der Ereignisse, damit Marinissen bei den Tests landete. „Ich wollte meine Abschlussarbeit bei Professor Martin Rem machen, weil ich ihn im Allgemeinen mochte und weil er in Teilzeit im Philips Natuurkundig Laboratorium arbeitete, was es ihm ermöglichte, dort Abschlussarbeiten zu arrangieren. Wie die meisten Wissenschaftler in jenen Tagen wollte ich in dem berühmten Forschungslabor von Philips arbeiten. Aber zu meiner Enttäuschung hatte Professor Rem nur ein Projekt im Bereich Testen zur Verfügung. Ich sagte widerwillig zu, aber nur, weil ich mit dem Professor im Natlab arbeiten wollte.“

„Ich habe bald gemerkt, wie falsch ich mit dem Testen lag. Es ist tatsächlich ein vielfältiges und interessantes Gebiet! Sie müssen über Designaspekte Bescheid wissen, um DfT-Hardware implementieren zu können, über die Herstellung, um zu wissen, welche Art von Defekten Sie antreffen werden, und über Algorithmen, um effektive Testmuster zu erzeugen. Es ist wirklich komisch. Anfangs konnte ich mich für das Testen gar nicht weniger begeistern, aber inzwischen ist es mir auf die Stirn tätowiert.“

Stanzformen stapeln

Nachdem er 1990 sein Praktikum im Natlab beendet hatte, zog Marinissen kurz in Erwägung, bei Shell Research zu arbeiten, entschied aber, dass es sinnvoller sei, für ein Unternehmen zu arbeiten, dessen Kerngeschäft die Elektronik ist. Er bewarb sich beim Natlab, wurde eingestellt, absolvierte aber zunächst einen zweijährigen post-akademischen Designkurs. Nachdem er diesen abgeschlossen hatte, begann Marinissens Karriere 1992 ernsthaft.

„Bei Philips habe ich mich vor allem mit dem Testen von Systems-on-Chip mit eingebetteten Kernen beschäftigt. Ein SoC kombiniert mehrere Kerne, wie z.B. Arm- und DSP-Mikroprozessorkerne, und das erhöht die Testkomplexität. Ich war an der Entwicklung des DfT für diesen Bereich beteiligt, der nun in den IEEE 1500 Standard für den Test eingebetteter Kerne aufgenommen wurde. Als der Standard 2005 verabschiedet wurde, sagten viele, es sei zu spät. Sie dachten, dass die Unternehmen bereits in ihren Gewohnheiten gefangen wären. Das war aber nicht der Fall. Langsam aber sicher ist IEEE 1500 zum Standard der Branche geworden.“

Marinissen ist zuversichtlich, dass dies auch bei einem anderen Standard der Fall sein wird, den er mitentwickelt hat. Daran hat er gearbeitet, nachdem er 2008 von Philips, dessen Halbleitersparte inzwischen als NXP ausgegliedert worden war, zu Imec in Leuven gewechselt war. Die Initiative für den IEEE 1838-Standard für die Testzugriffsarchitektur für dreidimensional gestapelte integrierte Schaltkreise hat er selbst ergriffen. Er führte jahrelang den Vorsitz der Arbeitsgruppe, die den Standard entwickelte, bis er seine maximale Amtszeit erreichte und jemand anderes das Ruder übernahm. Der Standard wurde letztes Jahr verabschiedet.

„Als ich bei Imec anfing, war das Stapeln von Chips ein heißes Thema. Vom Konzept her sind 3D-Chips den SoCs nicht unähnlich: mehrere Komponenten werden kombiniert und müssen zusammenarbeiten. Im Jahr 2010 hatte ich mir überlegt, wie der Standard aussehen sollte, ich hatte ein Papier darüber veröffentlicht und dachte: Lass uns diesen Standard schnell zusammenstellen. Diese Dinge dauern immer viel länger, als man will“, seufzt Marinissen.

Seine harte Arbeit hat sich jedoch ausgezahlt. Noch bevor der Standard endgültig verabschiedet wurde, erhielt der wissenschaftliche Direktor von Imec den IEEE Standards Association Emerging Technology Award 2017 „für seine Leidenschaft und Initiative bei der Schaffung eines 3D-Teststandards.“

Kredit: Imec

Durch die Folien blättern

Wie viele Forscher unterrichtet auch Marinissen gerne. Er nahm eine Stelle als Gastwissenschaftler an der TUE an, um Studenten zu betreuen, die sich – anders als er selbst in ihrem Alter – für DfT interessieren. Frühzeitig engagierte er sich auch für den Test- und DfT-Kurs im internen Schulungszentrum von Philips, dem Centre for Technical Training (CTT). „Ursprünglich wurde der Kurs größtenteils von Ben Bennetts, einem externen Lehrer, unterrichtet, aber ich übernahm ihn, als er 2006 in den Ruhestand ging. Ich erinnere mich, dass ich einen Kurs unterrichtet habe, als ich noch bei NXP war, aber danach jahrelang keinen einzigen mehr – obwohl Imec mir das erlaubte. Es gab einfach keine Nachfrage danach.“

„Dann, im Jahr 2015, wurde ich plötzlich gebeten, ihn zweimal in einem Jahr zu unterrichten. Seitdem gibt es etwa einmal im Jahr einen Kurs.“ Zu diesem Zeitpunkt war die Schulung „Test und Design-for-Test für digitale integrierte Schaltungen“ Teil des Angebots des unabhängigen High Tech Institute geworden, auch wenn es nicht überrascht, dass viele der Kursteilnehmer bei Unternehmen arbeiten, die aus Philips Semiconductors hervorgegangen sind. „Viele Teilnehmer haben einen Hintergrund im analogen Design oder Test und müssen sich zunehmend mit digitalen Komponenten beschäftigen. Ich nehme an, das ist verständlich, wenn man das umfangreiche Mixed-Signal-Fachwissen in der Brainport-Region bedenkt.“

„Ich bin zwar der Lehrer, aber es ist toll, in einem Raum mit so viel geballter Halbleitererfahrung zu sein. Ständig tauchen interessante und intelligente Fragen auf – oft solche, über die ich ein wenig schlafen muss, bevor ich eine gute Antwort habe. Es ist eine ziemliche Herausforderung, aber es macht mir sehr viel Spaß. Und ich kann mir vorstellen, dass die Studenten das auch tun. Ich bin mir sicher, dass sie herausfordernde Interaktionen dem Durchblättern meiner Powerpoint-Folien vorziehen.“

Der junge Erik Jan Marinissen hätte es nie geglaubt, als er zähneknirschend eine Aufgabe im Rahmen seines Studiums annahm und sein fundiertes DfT-Fachwissen in der Klasse vermittelte.