当测试测量改变时如何稳定时钟速度

人们普遍存在的一个误解是测试数据不是合格就是无效，但事实并非如此。 尽管功能固定的传统仪器仅将结果发送回测试系统的主机PC，但是仪器内部其实进行了大量看不见的信号处理。 仪器的处理器决定了测量速度。 这一点尤其适用于需要信号处理密集型测量的应用，如射频、声音和振动以及基于波形的示波器。

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例如，即使是市场上最快速的FFT频谱分析仪，实际花在信号采集的测量时间只有20％；剩下的超过80％的时间花在根据给定的算法处理信号。 如果按照这样算，5年前发布的工具花在信号处理的时间就更多了。 信号处理最高可占用95％的测量时间。 由于每年都投资全新的仪器产品组合并不现实，因此公司普遍都在使用过时的测试设备来测试现代的复杂设备。 结果，大多数测试部门面临着一个较大的性能缺陷：系统的处理能力无法满足其实际处理需求。

 

图2. 具有固定CPU的传统台式仪器存在成本高昂的性能缺陷。

模块化测试系统具有三个主要和独立的组成部分： 控制器、机箱和仪器。 控制器的工作方式类似于工业PC，并包含系统CPU。 这种方法的主要好处是可以采用最新的处理技术来替换CPU，同时保留测试系统的其他组件（机箱/背板和仪器）。 对于大多数情况，模块化测试系统可以在不更换仪器的同时升级处理性能，从而具有远超过传统仪器的使用寿命。

 

图3. 模块化系统可允许您以经济的方式升级CPU，提高处理性能。

模块化和传统仪器均依赖于处理器技术的进步来提高测试速度，但相比传统仪器，模块化系统的升级更为灵活和经济。

处理器市场的变化

2005年，Intel向主流市场推出了第一款多核处理器 - Intel® Pentium® D处理器。 习惯于利用不断提升的处理器速度的软件开发人员被迫开始考虑新的并行编程技术，以继续利用摩尔定律的优势。 正如Geoffrey Moore在《跨越鸿沟》一书中提到的，技术的普及随时间呈贝尔曲线，这个过程中包含了五个渐进的参与者状态： 创新者、早期使用者、早期多数使用者、晚期从众者、滞后者。 游戏和视频渲染等特定行业快速采用并行编程技术，而其他行业则相对较晚。

遗憾的是，，自动化测试工程师属于晚期从众者一类，当采用并行编程技术。 这可能是由于多种原因，但也许最大的原因是他们没有动力去重新设计多核处理器的软件架构。 到目前为止，大多数的自动化测试工程师们利用英特尔睿频加速等技术来提高四核处理器中每个内核的速度和减少顺序软件架构的测试时间，但这种技术正处于停滞不前的状态。 散热等许多因素阻碍了处理器速度的提升。 为了降低功耗以及提升性能，Intel和其他处理器制造商开始转向多核技术，比如Intel® Xeon®处理器具有八个逻辑内核。 这样便产生了具有与前一代处理器时钟速度相当的新一代处理器，但却具有更多的计算内核来处理数据。

可能采用多核处理器的应用

某些测试应用领域率先采用了多核处理器技术。 在2015年麦克林报告中，IC Insights研究人员对半导体市场的多个领域进行了研究，包括该市场的经济学。 他们在报告中指出：“对于部分复杂的芯片，测试成本可能高达总成本的50%，而且测试时间也在日益增加。” 他们还指出：“并行测试已经成为而且将继续成为降低成本的主要手段。”

类似的研究也表明，人类每天在处理多个任务活动时面临着低效问题，系统在并行执行测试时面临着开销问题。 在半导体测试中，测试经理使用测试系统的并行测试效率(PTE)来衡量其开销。 如果采用正确的测试软件架构，增加测试系统的可用处理内核可有效提高特定测试例程的PTE。 尽管测试经理在投资自动化测试系统时必须考虑多个因素，比如车间面积、每小时最佳零件处理量以及资本费用，但是提升系统的并行处理性能通常可提高PTE，进而对商业结果产生积极影响。

 

图4.多站点半导体测试系统中并行测试效率、每小时零件处理量以及站点数量之间的关系

但半导体行业并不是唯一采用并行测试的行业。 现在基本上找不到一次性测试设备数量低于四台的无线测试系统。 多核处理器也将影响任何需要测试设备的无线连接或蜂窝通信协议的行业。 目前正在研究5G和开发5G原型已经不是什么秘密，这一技术将远远超过目前射频仪器的带宽性能。 除了针对某个协议，在处理高带宽信号分析仪发回的所有数据之外，无线测试系统还必须并行测试多个协议。 例如，智能电话制造商除了要测试不久后即将发布的5G协议，也需要测试先前的大部分蜂窝技术，比如蓝牙、802.11以及任何其他连接协议。 而且一般来说，每个新通信协议的测试算法比之前的协议更消耗处理器。 正如多核处理器有助于提高半导体测试系统的PTE，提高处理内核与协议和待测设备之间的比例也可进一步减少测试时间。

 

图5. 无线通信协议的信号处理复杂性日益增加

应用软件

在测试测量中，软件已经从一个小角色演变主角。 基于上述CPU市场的变化，测试工程师在试图实现并行测试软件架构中面临着更加严峻的挑战。 如果使用C或C++等通用编程语言，正确实现并行测试技术往往需要员工们数以月计的开发时间。 现在产品上市时间已经成为最重要的指标，测试管理人员和工程师必须尽可能提高开发人员的生产力。 采用应用专用测试代码开发软件（例如NI LabVIEW）和测试管理软件（例如NI TestStand）可帮助商用软件公司的测试部门将并行处理和线程切换等行政工作移交给软件研发人员， 使得测试工程师能够将精力放在对设备测试最为重要的代码上。

为未来做好准备

过去十年设备的复杂性以超常的速度增长，而且丝毫没有放缓的迹象。 新一代蜂窝通信预计将于2020年实现。Gartner估计到2022年全球每个家庭都将拥有超过500个连接设备，而且到时传感器的尺寸很有可能比头发的直径还小。 消费者对高品质产品用户体验的预期不断增长，这迫使制造商竭尽全力设计和测试有竞争力的产品。 测试工程师必须测试这些产品，并确保它们的功能安全可靠。 为了经济地实现这一点，他们将需要采取以软件为中心的模块化方法来实现并行测试。 使用多核处理技术已不再是一种选择；而是保持经济可行性的必要手段。 剩下的唯一问题就是测试部门将如何改变其软件方法来利用多核技术的优势。