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1 26 년 4 월전자공학회논문지제 43 권 SD 편제 4 호 49 논문 26-43SD-4-7 효율적인고장진단을위한딕셔너리구조개발 (A New Dictionary Mechanism for Efficient Fault Diagnosis ) 김상욱 *, 김용준 **, 전성훈 **, 강성호 ** ( Sangwook Kim, Yongjoon Kim, Sunghoon Chun, and Sungho Kang ) 요 약 고장진단은고장이빈번히발생하는위치를파악하여공정상의문제점을해결할수있도록하는매우유용한기법이다. 그러나이경우일반적인고장검출을위한것보다훨씬많은고장에대한정보가필요하며, 이는딕셔너리라고하는형태로저장된다. 이때집적도가높은회로의경우고장에대한모든정보를포함한딕셔너리를구성하는것은매우비효율적인커다란딕셔너리크기를요구하게되어, 효과적인딕셔너리구조가필요하다. 본논문에서제안하는딕셔너리구조는고장에대한모든정보를포함하면서도크기가작은딕셔너리이며, 이는단일고착고장뿐아니라다중고장의경우에도적용이가능한효과적인딕셔너리구조이다. Abstract In this paper, a fault dictionary for fault locations is considered. The foremost problem in fault diagnosis is the size of the data. As circuits are large, the data for fault diagnosis increase to the point where they are impossible to be stored. The increased information makes it impossible to store the dictionary into storage media. In order to generate the dictionary, i.e. pass-fail dictionary some dictionaries store a portion of the information. The deleted data makes it difficult to diagnose fault models except single stuck-at fault. This paper proposes a new dictionary format. A new format makes a dictionary small size without deleting any informations. Keywords : fault diagnosis, dictionary, static diagnosis Ⅰ. 서론 반도체제조기술의발전으로작은칩안에천만개이상의게이트로구성된회로의구현이가능하게되었다. 하나의칩내에구현되는게이트개수의증가에의해테스트뿐아니라고장진단은점점어려워지고있다. 고장진단의경우, 회로의크기가점점커지면서고려되어야할고장의개수가증가에의한고장진단에사용되는데이터의증가와회로내에발생하는고장원인이다양해짐에따라고장진단의새로운방법론및자동 * 정회원, LG 전자 SIC 사업팀 SoC 설계그룹. (LG Electronics., System IC Team, SoC Design Group) ** 학생회원, *** 평생회원, 세대학교전기전자공학과. (School of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University) 접수일자 : 24년9월5일, 수정완료일 : 26년3월28일 화방안이요구되고있다 [,2]. 로직고장진단 (logic fault diagnosis) 은고장의원인을파악하기위해서회로의테스트결과를분석하여고장의위치를파악하는칩의생산에필수적인과정이다. 설계자에의해설계된회로는생산된후칩의불량여부를확인하기위해테스트를수행한다. 테스트에서통과된칩은제 3자에판매되고불량으로판별된칩은폐기되어진다. 따라서폐기되어지는칩의개수가적을수록더많은이득을얻을수있을뿐아니라생산단가가줄어제품의가격을줄일수있으므로제품의시장경쟁력은향상될수있다. 생산된회로에대한정상칩의개수를나타내는지표인수율을증가시키기위해서고장을내포한칩에대한고장진단이수행된다. 즉, 고장진단의목적은고장의원인을파악하여수리를통한판매와고장의재발생을방지하여수율을증가시킴 (295)
2 5 효율적인고장진단을위한딕셔너리구조개발김상욱외 에있다. 따라서고장진단은수율을증가시키기위한칩의제조자들에게필수적인과정이다 [3]. 고장진단은정적고장진단 (static diagnosis) 과동적고장진단 (dynamic diagnosis) 의두가지방법으로분류될수있다 [5]. 정적고장진단은고장진단에필요한데이터를고장진단이전에생성하여저장한후, 고장진단동안에는저장된정보를이용하는방식이다. 동일회로에대한다양한고장회로에대한정적고장진단은추가적인정보의생성이아닌저장되어있는정보를이용하여수행된다. 따라서정적고장진단은고장진단의수행시간은짧은장점을가지고있으나생성된정보를저장하기위해많은저장공간을요구하는단점을가지고있다. 동적고장진단은고장진단을수행하는동안필요한정보를생성하여고장진단을수행하는방식이다. 동일회로에대한다양한고장회로에대한동적고장진단은각각의고장회로에대한선별된고장에대한정보를생성한후수행된다. 따라서동적고장진단은많은계산시간을요구는단점을가지고있으나데이터를저장하기위한저장공간을요구하지않는장점이존재한다. 고장딕셔너리 (fault dictionary) 는정적고장진단방식에서사용하는정보이다. 즉고장딕셔너리는회로의고장리스트내에존재하는고장이테스트동안유발하는에러들을기록해놓은것이다. 반도체의고집적화로인해회로의크기가증가되고이에따라고장리스트내의고장개수가증가하여딕셔너리의크기는처리할수없을정도로커지고있다. 실제생산되는칩에대한고장딕셔너리는현재의저장매체로는저장할수없을정도의크기를가질수있다. 따라서딕셔너리의가장큰문제점인딕셔너리의크기를줄이기위한연구가진행되고있다. 딕셔너리의크기를줄이기위해서딕셔너리를저장하기위한여러형태들이제안되고있다. 크기를작게하기위해서몇몇정보를저장하지않거나아니면저장하는데이터의구조를바꾸는다양한방식이제안되어왔다 [,2,4,5]. 딕셔너리의다른문제점으로는기존의연구들이딕셔너리의크기를줄이기위해단일고착고장의구별능력이없는정보를제거하는방식을사용함에따라그로인해발생되는다양한고장모델에대한고장진단이어려워지는문제를들수있다. 따라서단일고작고장모델만을이용하여생성된딕셔너리를이용하여다양한고장모델에대한고장진단을가능하게하고자하는연구들 [6,7] 에서기존의딕셔너리방식들은비효율 적인고장진단결과를보여준다. 따라서본논문에서는다양한고장모델을적용한고장진단에서필요한정보의손실없이딕셔너리의크기를줄이기위한효율적인딕셔너리를제안한다. 제안하는딕셔너리기법은테스트동안에고장에의해서유발되는모든에러를기록하면서크기를줄일수있는새로운딕셔너리저장방식이다. Ⅱ. 기존연구딕셔너리는회로의고장리스트내에존재하는고장에의해유발되는오류를기록하는것이다. 오류라는것은테스트패턴을회로에적용했을경우고장의없을때의출력과고장이있을경우의출력에서서로다른값을갖는부분이다. 즉고장을검출하는패턴과그패턴에의해고장이전파되는출력을의미한다. 고장딕셔너리를이용한고장진단방식의가장큰문제점중하나가바로딕셔너리의크기이다. 따라서딕셔너리의크기를줄이기위한여러형태의딕셔너리가연구되어왔다. [,2,4,5] 딕셔너리에저장되는데이터를줄이기위해모든딕셔너리저장방법은딕셔너리의구조에대해연구되어져왔다. 딕셔너리의구조는딕셔너리의내용과순서에따라결정된다. 일반적으로딕셔너리의구조는크게무손실압축딕셔너리 (lossless compacted dictionary) 와손실압축딕셔너리 (loss compacted dictionary) 로나눌수있다. 여기서손실압축딕셔너리의경우는고장딕셔너리에저장되지않은고장이나타났을경우고장진단시잘못된정보로인해고장진단에실패할수있으며고장진단의정확도 (resolution) 을떨어뜨리는단점이생긴다. 따라서딕셔너리의구조는고장진단을위해필요한메모리를줄이기위해서가장중요한요소라고할수있다. 이러한이유로이장에서는이전의다양한고장딕셔너리구조를살펴보고자한다. 가장일반적으로알려진딕셔너리는완전딕셔너리 (full dictionary) 와 pass/fail 딕셔너리다. 완전딕셔너리는모든테스트패턴에대해서모든고장에대한전체출력값을저장하는형식이다. 따라서고장시뮬레이션에서생성된모든정보를기록하기때문에많은저장공간을요구하는단점이있다. pass/fail 딕셔너리는출력의정보를없애고패턴에대한정보만을기록한형태이다. 즉각각의고장에대해서그고장을검출할수있는패턴에대한정보를가지고있지않기때문에크기 (296)
3 26 년 4 월전자공학회논문지제 43 권 SD 편제 4 호 5 면에서는가장작은장점이있으나고장진단의정확도가많이떨어진다는단점이있다. 위의완전딕셔너리와 pass/fail 딕셔너리의단점을보완하기위해여러가지압축딕셔너리들이연구되었다. Pomeranz와 Reddy는 greedy 알고리듬을이용한압축딕셔너리를제안하였다 [4,5]. 이압축딕셔너리는크기를줄이기위해공간 (space) 과시간 (time) 압축을하였다. 이방법으로고착고장에대한고장진단의정확도를떨어뜨리지않으면서딕셔너리의크기를줄였으나완전딕셔너리에비해다양한고장모델에대한고장진단의정확도가떨어진다는단점이있다. 또한 Boppana et al, Chess 와 Larrabee는트리 (tree) 딕셔너리구조를제안하였다 [2,]. 이트리딕셔너리는고장이존재하는회로에대한예상되는응답값을트리구조로저장하는방식이다. 트리구조의노드는각각의테스트패턴에대한고장의응답으로구별된다. 트리구조는벡터기반의트리 (vector based tree) 와출력기반의트리 (output based tree) 로나눌수있다. 벡터기반의트리는노드의수가적은장점을가지고있으나트리의구조가규칙적이지않아트리의구조를저장해야하는단점이존재하고출력기반의트리는트리구조는규칙적이나노드의개수가너무많아노드를인코딩하기위해많은비트가요구되는단점이존재한다. 최근에는 Lavo와 Larrabee가출력압축시그너쳐 (output compacted signature) 를가진 pass/fail 딕셔너리를제안하였다. 이방법은기존의 pass/fail 딕셔너리에서구별이안되는고장들을구별할수있는정보를약간더해줌으로써고장진단의정확도를높이는방법이다. 하지만이방법은손실압축딕셔너리방법이기때문에손실압축딕셔너리가갖는고장진단정확도가떨어진다는단점을여전히지니고있다. Ⅲ. 제안하는딕셔너리구조기존의딕셔너리저장방식은단일고착고장에대한고장구별능력이없는정보를삭제함으로써딕셔너리크기를줄이는방식이었다. 이러한기존의방식은고장의구별능력이없는정보를찾는복잡한과정으로인해딕셔너리를생성하기위한계산시간이증가하는문제점을가지고있다. 또한단일고착고장만을고려한데이터의삭제는단일고착고장을제외한다양한고장모델에대한고장진단을어렵게하고있다. 그림 은하나의고장에대한완전한정보를기록한 완전딕셔너리의예이다. 각열은각각의출력에서테스트벡터에대한 pass() 와 fail() 의응답값을나타내고있다. 제안하는무손실압축방법을쉽게설명하기위해완전딕셔너리에포함된정보들을다음과같이정의한다. 정의 : 시간정보 (Time information) 시간정보는고장이언제발견되는지에대한정보이다. 테스터는각테스트패턴들을순서대로가해주기때문에어떤패턴에서고장이전파되는지를쉽게알수있다. 정의 2: 공간정보 (Space information) 공간정보는고장이어디서발견되는지에대한정보이다. 각고장은특정경로를통해출력단으로전파되기때문에공간정보는고장이전파되는출력단에대한정보이다. 완전딕셔너리에서각고장을위한고장검출을위한데이터는위에서정의한시간정보와공간정보로구성된다. 고장리스트에 N f 의고장과 N v 의테스트벡터와 N o 개의출력이있다면완전고장딕셔너리를저장하기위한총비트수는 N f N v N o 이다. 따라서회로의복잡도가증가할수록완전딕셔너리의크기는기하급수적으로증가하게된다. 물론정확한고장진단을수행하 Space infomation O O2 O3 O4 O5 Time information V V2 V3 V4 V5 V6 V7 O6 O7 : pass : fail 그림. 하나의고장에대한완전딕셔너리 Fig.. The full dictionary about a fault. (297)
4 52 효율적인고장진단을위한딕셔너리구조개발김상욱외 V V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 O O2 O3 O4 O5 O6 O7 O8 O9 PF OC 번고장에대한 PF ( 패턴의개수 ) 번고장에대한 OC ( 출력의개수 ) 번고장에대한 Dictionary ( 패턴의개수 + 출력의개수 ) 번고장에대한 Dictionary2 (PF 의 의개수 * OC 의 의개수 ) a) 딕셔너리 (c7.dic) b) 딕셔너리 2(c7.2dic) 그림 3. 제안된딕셔너리의예 Fig. 3. An example of proposed dictionary. 딕셔너리 딕셔너리2 그림 2. 제안된딕셔너리의구조 Fig. 2. Proposed dictionary. 기위해서완전딕셔너리의고장정보는반드시필요하지만, 이를위하여필요한딕셔너리의크기가너무나크다면이는감당할수없는정도에이를수있다. 따라서고장에대한모든데이터를가지고있으면서도딕셔너리의크기를획기적으로줄일수있는새로운무손실압축딕셔너리의형식은반드시필요하며, 본장에서는이를제안한다. 본논문에서제안하는딕셔너리는딕셔너리 과딕셔너리 2의두가지딕셔너리로구성되어있다. 이는고장증후가발생되지않는패턴의정보를기록하지않음으로써최소한의딕셔너리크기를통하여정보를저장할수있다. 우선딕셔너리 은입력패턴과출력에대한간단한 pass-fail 딕셔너리에의해서제공된다. 패턴과출력에대한 pass-fail 딕셔너리는패턴을저장하기위한비트의개수와출력을저장하기위한비트의개수의합으로 2차원정보를저장하기위해서필요한정보보다적은데이터를요구한다. 이를통해서고장검출은충분히가능하나, 고장진단을하기위해서는딕셔너리 만으로는불가능하다. 따라서각고장에대한시간및공간의 2차원정보가필요하며, 이는딕셔너리 2를통하여저장한다. 딕셔너리 2의 2차원정보는딕셔너리 파일에서 의값을가진패턴과출력의해당정보만기록함으로써만들어진다. 따라서제안된딕셔너리는작은크기의딕셔너리를통하여고장진단이가능한 2차원정보를저장하는 방식이다. 그림 2는제안하는딕셔너리구조의예이다. 그림 2에서 O에서 O9는회로의출력핀을나타낸다. 즉 9개의출력을가지는회로의경우를나타내며 V에서 V9는각각테스트벡터를나타낸다. 따라서 V 벡터를입력으로가한경우이의출력은 인것이다. 이러한방식으로구성된전체딕셔너리를모두저장하는것은매우비효율적이므로딕셔너리 에서는이에대한 pass-fail 여부만을저장하여필요한공간을최대한줄인다. 그러나 pass-fail 정보는고장의존재여부를확인할수있을뿐이에대한진단을수행하는것은불가능하므로, 완전딕셔너리에서실제로필요한부분만을저장한다. 즉, 그림 2에서보는것과같이 pass-fail 정보중공통적으로 을가지는부분에대한부분만을딕셔너리 2에저장하는것이다. 그림 2의예는하나의고장을삽입한예를나타낸것으로써실제로는그림 2와같은정보를고장의개수만큼가져야하므로상당한저장공간이필요하게된다. 그림 3은 C7 bench 회로에대하여적용된제안된딕셔너리의예를보여주고있다. 딕셔너리 은하나의고장에대해서는, 패턴의개수와출력의개수를합한수만큼의데이터를필요로한다. 딕셔너리 에서회로와회로에대한테스트패턴이결정된경우딕셔너리 의사이즈는고정되며, 이는고장의개수 ( 패턴의개수 + 출력의개수 ) 와같다. 딕셔너리 2의크기는딕셔너리 에서값이 인패턴과출력에해당하는 2 차원정보를기록하기때문에고장시뮬레이션의결과에의해서결정된다. (298)
5 26 년 4 월전자공학회논문지제 43 권 SD 편제 4 호 53 Ⅳ. 실험결과제안된딕셔너리의성능평가는 ISCAS 85 벤치마크마크회로에대한실험을통하여이루어졌으며, 실험에사용된테스트패턴은 Synopsys사의 TetraMax ATPG를이용하여생성하였다 [9,]. 고장딕셔너리의크기를결정하는요소인고장의개수, 출력의개수와테스트패턴의개수를표 에나타내었다. C 언어로구현된고장시뮬레이션을이용하여예상되는고장에대한테스트응답을제안된방식으로저장된딕셔너리의크기를표 2에나타내었다. 제안된딕셔너리는고장에대한모든정보를가지고있으므로, 그크기에대한비교는완전딕셔너리의크기와비교하였다. 표 2를통해서제안된딕셔너리는회로의특성에따라완전딕셔너리의크기대비 2% 에서 23% 정도의크기를가지고있음을확인할수있다. 또한, C535 나 C267과같이출력의개수가많고테스트패턴의개수가많은회로의경우제안된딕셔너리에의한압축률이훨씬향상된다. 이는제안된딕셔너리의경우고장이전파되는출력의개수와고장이검출되는테스트패턴의개수가상대적으로작기때문이다. 따라서회로에대한테스트패턴및출력의개수가증가할수록제안된딕셔너리의크기는완전딕셔너리에비해훨씬작아진다는결론을얻을수있다. 이는회로의복잡도및크기가증가하면서생기는현상으로제안된딕셔너리는큰회로에대해적용가능한형태의딕셔너리가될수있음을보여준다. 표 3은기존의딕셔너리와의크기비교를나타낸다. 제안된딕셔너리는데이터의삭제를통한압축방식인공간압축방식보다크기가작은것을볼수있다. 공간압축방식은고장간의구별을가능하게하는정보들만의기록으로크기를줄인방식이다. 고장간의구별을할수있는정보를알아내기위해서는구별할수없는고장의예상응답을검사해야하는과정이필요하다. 나무구조의딕셔너리는고장시뮬레이션에의해서생성된예상되는고장응답을나무구조로변경하여완전딕셔너리의모든정보를나무구조로저장하는방식이다. 제안된딕셔너리는완전딕셔너리의모든정보를가지고있는나무구조의딕셔너리보다모든회로에대해서작은것을볼수있다. 단일고착고장에대한고장구별능력이없는정보의삭제방식인공간압축방식에대해서도일부회로를제외한제안된딕셔너리의크기가작은것을볼수있다. 따라서제안된 표. 실험대상회로 Table. Benchmak circuits. 회로 출력수고장의테스트패턴개수랜덤결정합계 Coverage C % C % C % C % C % C % C % C % C % C % 표 2. 제안된딕셔너리의크기 Table 2. Proposed dictionary size. 회로 완전딕셔너리 (bit) 제안된딕셔너리 (bit) 제안된제안된전체크기딕셔너리 딕셔너리2 제안된딕셔너리 / 완전딕셔너리 C ,4 44,2 2,977 65,77.23 C499,68, 76,5 8,75 256, C88 2,694,2 28,2 53,7 8, C355 5,462,28 22,86 5, ,33.34 C98 7,994,25 366,52 434,89 8,69. C267 63,698,6 823,9 26,59,83,249.7 C354 8,87,36 927,26 78,662,635, C535 37,968,6,772,485,255,4 3,27, C6288 9,375,36 539,7 465,957,5,657.7 C ,258,232 3,56,66 3,9,24 6,66,63.23 표 3. 기존의딕셔너리와의크기비교 Table 3. Comparison of dictionary sizes. 회로 공간압축나무구조제안된 [5] [2] 딕셔너리 C C C C C C C C C C 평균압축률 딕셔너리는회로의크기가큰회로에대해서좋은성능을보이는것을볼수있다. Ⅴ. 결론 반도체산업의발전으로고장진단의문제점은점점 (299)
6 54 효율적인고장진단을위한딕셔너리구조개발김상욱외 증가하고있다. 회로의집적도에따른고장진단에사용되는데이터의증가와고장원인의다양화가고장진단의문제점이다. 딕셔너리를이용한고장진단은딕셔너리를구성하는많은데이터에의해서고장진단에많은제한점을가지고있다. 딕셔너리의저장가능성에의해서고장진단을수행해야하는회로의크기가제한될것이다. 따라서딕셔너리의크기를줄이기위한여러방식이제안되었다. 기존의방식은데이터의삭제를통한딕셔너리의크기를줄이는방식이다. 딕셔너리의크기를줄이기위한데이터의삭제는다양한고장원인에대한고장진단을어렵게한다. 본논문에서는고장진단을위한효율적인딕셔너리의구조를제안하였다. 논문에서제안하는딕셔너리는데이터의손실없이딕셔너리의크기를줄일수있는장점을가지고있는것을실험을통해확인하였다. 제안된딕셔너리는완전딕셔너리의 23% 에서 2% 정도의크기로모든정보를기록할수있다. 제안된딕셔너리는회로의크기가켜질수록딕셔너리의압축률이높은것을볼수있다. 즉출력의개수와패턴의개수의증가에대한제안된딕셔너리의증가율은높지가않기때문에큰회로에대한적용인가능하다. 일부회로에대해서는기존의다른딕셔너리보다크기가클수있으나이것은제안된딕셔너리의모든정보를가지고있기때문이다. 완전딕셔너리의모든정보를가지는장점은단일고착고장을이외의고장에대한고장진단의정확도를높을수있기때문에다양한고장진단에효율성을높일수있다. 또한딕셔너리를줄이기위한알고리듬이기존의방식보다간단하여딕셔너리의생성에요구되는계산시간이적은장점을가지고있다. & Test of Computers, August, 989 pp [4] I. Pomeranz and S. M. Reddy, "On the Generation of Small Dictionaries for Fault Location", Proceedings of IEEE/ACM International conference on Computer-Aided Design, November 8-2, 992, pp [5] I. Pomeranz, S. M. Reddy, "On dictionary-based fault location in digital logic circuits", IEEE Transactions on Computers, January, 997, pp [6] S. D. Millman, E. J. McCluskey, and J. M. Acken, "Diagnosing CMOS bridging faults with stuck-at fault dictionaries" Proceedings of International Test Conference, September -4, 999, pp [7] B. Chess, D. B. Lavo, F. J. Fergeson and T. Larrabee. "Diagnosis of realistic bridging faults with single stuck-at information", Proceedings of IEEE/ACM International Conference on Computer-Aided Design, November 5-9, 995, pp [8] B. Chess and T. Larrabeee, "Creating Small Fault Dictionaries", IEEE Transactions on Computer-Aided Design, March, 999, pp [9] F. Brglez and H. Fujiwara, A neutral netlist of combinatorial benchmark circuits and a target translator in FORTRAN, In Int. Symposium on Circuits and Systems, Special Session on ATPG and Fault Simulation, 985. [] TetraMaxReference Manual. Release 24. 2, Synopsys Inc., Mountain View, CA, 24. 참고문헌 [] V. Boppana, W. K. Fuchs, "Fault Dictionary Compaction By Output Sequence Removal", Proceedings of International Confernece on Computer-Aided Design, November 6-, 994, pp [2] V. Boppana, I.Hartanto, W. K. Fuchs. "Full Fault Dictionary Storage Based on Labeled Tree Encoding", Proceedings of 4th VLSI test Symposium, May, 996, pp [3] J. A. Waicukauski and E. Lindbloom, "Failure Diagnosis of Structured VLSI", In IEEE Design (3)
7 26 년 4 월전자공학회논문지제 43 권 SD 편제 4 호 55 저자소개 김상욱 ( 정회원 ) 2년 8월연세대학교공과대학전기공학과학사졸업. 23년 8월연세대학교공과대학전기전자공학과석사졸업. 현재 LG 전자 SIC 사업팀 SoC 설계그룹. < 주관심분야 : SoC 설계, SoC 테스트 > 전성훈 ( 학생회원 ) 22년 8월연세대학교공과대학전기공학과학사졸업. 25년 8월연세대학교공과대학전기전자공학과석사졸업. 현재연세대학교전기전자공학과박사과정. < 주관심분야 : Logic BIST, Functional Test> 김용준 ( 학생회원 ) 22 년 2 월연세대학교공과대학전기공학과학사졸업. 24 년 2 월연세대학교공과대학전기전자공학과석사졸업. 연세대학교 IT 사업단연구원. 현재연세대학교전기전자공학과박사과정. < 주관심분야 : SoC 설계, SoC 테스트 > 강성호 ( 평생회원 ) 986 년 2 월서울대학교공대제어계측공학과학사졸업. 988 년 5 월 The University of Texas at Austin 전기및컴퓨터공학과석사졸업. 992 년 5 월 The University of Texas at Austin 전기및컴퓨터공학과박사졸업미국 Schlumberger 연구원. 미국 Motorola 선임연구원. 현재연세대학교전기전자공학과교수. < 주관심분야 : SoC 설계, SoC 테스트 > (3)
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