測試小型存儲(chǔ)器陣列的新方法

隨著半導(dǎo)體工藝不斷地進(jìn)步，那些原本存在芯片中的大型存儲(chǔ)器會(huì)轉(zhuǎn)變成數(shù)十或數(shù)百個(gè)小型的存儲(chǔ)器陣列，并且散布在芯片中各個(gè)角落。這些陣列有的是寄存器堆，F(xiàn)IFO，或者是在存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)中一些對(duì)性能要求較高的存儲(chǔ)器。針對(duì)這種類型的小型陣列，如果想要偵測出與速度相關(guān)的瑕疵以及固定邏輯(stuck-at)故障，其實(shí)并不是一件容易的事。
傳統(tǒng)上，測試數(shù)字集成電路可以采用功能性向量，或是由自動(dòng)測試向量生成(ATPG)工具所產(chǎn)生的向量。此類軟件工具主要為隨機(jī)邏輯生成基于掃描的測試向量，對(duì)于待測組件(DUT)的存儲(chǔ)器部分，卻無法提供測試方案。得依賴存儲(chǔ)器內(nèi)建自測試(BIST)的方法來測試寄存器。
尤其是那些采用先進(jìn)工藝的存儲(chǔ)器陣列，存在著許多難以預(yù)測的潛在瑕疵。傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器BIST方案會(huì)利用March或其它算法重復(fù)簡單的測試序列來偵測大部分的寄存器故障。在一種存儲(chǔ)器BIST方法中，DUT中的狀態(tài)機(jī)自身能產(chǎn)生和分析那些測試存儲(chǔ)器中的每一個(gè)地址所需用到的測試向量，免去了外部ATE機(jī)的測試工作。另一種方法，則是讓片上處理器來測試存儲(chǔ)器，其缺點(diǎn)在于通常得等到DUT設(shè)計(jì)接近完成的時(shí)候，才能判斷出這種方法的有效性。
由于會(huì)影響芯片的面積與性能，小型存儲(chǔ)器陣列通常并不適合增加存儲(chǔ)器BIST邏輯。那些地址空間很少但端口很多的存儲(chǔ)器尤其不適合BIST。因?yàn)橄鄬?duì)于陣列大小，存儲(chǔ)器端口數(shù)量對(duì)BIST控制電路規(guī)模的影響更大，所以，可能導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)BIST控制電路所需的門數(shù)甚至?xí)痛鎯?chǔ)器本身一樣大。同時(shí)，BIST還要求所有存儲(chǔ)器的輸入引腳都有一個(gè)多路選擇器來選擇BIST信號(hào)與系統(tǒng)信號(hào)。對(duì)多端口存儲(chǔ)器而言，多路選擇電路會(huì)引起布線擁擠，并且導(dǎo)致性能的嚴(yán)重下降。

圖1   宏測試采用向量轉(zhuǎn)換的技術(shù)，
在掃描單元與內(nèi)部宏單元，如嵌入式存儲(chǔ)器
陣列之間傳遞測試向量。

嵌入式存儲(chǔ)器測試方案
考慮到BIST對(duì)小型存儲(chǔ)器陣列造成的負(fù)面影響，一個(gè)簡單的選擇便是不去測試 — 但用戶極有可能會(huì)收到瑕疵品。或者，在辦公室里花更多的時(shí)間，為每一個(gè)存儲(chǔ)器陣列，手工生成完成測試算法所需的向量。好在還有一種更有效的選擇 ─ 那就是利用ATPG工具和待測組件的掃描儀單元，在每一個(gè)嵌入式存儲(chǔ)器的輸入端生成測試向量，并從輸出端得到響應(yīng)。這項(xiàng)新技術(shù)，有時(shí)候被稱為“向量轉(zhuǎn)換”，或者是“宏測試”(macro testing)(見圖1)。如此一來，工程師便可以運(yùn)用一組宏向量序列，來測試獨(dú)立的嵌入式模塊(也可以稱之為宏)。一些EDA 公司可以提供有此功能的軟件工具。這些工具可以把那些為獨(dú)立的嵌入式存儲(chǔ)器(宏模塊) 所設(shè)計(jì)的宏向量自動(dòng)轉(zhuǎn)化成芯片級(jí)掃描向量，并把結(jié)果傳送到掃描單元，供作驗(yàn)證之用。
宏測試完成嵌入式模塊所需的測試不需要附加測試邏輯電路。其次，最終的嵌入式存儲(chǔ)器掃描向量還可以像標(biāo)準(zhǔn)的阻塞掃描向量一樣，具有簡單的測試協(xié)議，因此能夠減少在產(chǎn)品測試機(jī)臺(tái)上向量的調(diào)試時(shí)間。有些公司應(yīng)用宏測試技術(shù)平行測試100多個(gè)存儲(chǔ)器。如此一來，宏測試掃描向量也不過是與最長的向量長度相同。這項(xiàng)技術(shù)可用于測試任何嵌入式模塊，即便是所謂的“黑盒子”(black box)。只要在模塊的I/O端定義向量，那么這些向量便可以傳遞通過外圍的邏輯電路。

圖2  流水線處理能夠讓連續(xù)的讀/寫操作在連續(xù)的
時(shí)鐘周期內(nèi)完成，提供全速存儲(chǔ)器BIST功能。

嵌入式存儲(chǔ)器中的時(shí)序故障
如同一般的隨機(jī)邏輯，嵌入式存儲(chǔ)器也需要測試靜態(tài)故障和“實(shí)速”(at-speed)故障。由于存儲(chǔ)器BIST通常在系統(tǒng)時(shí)鐘下運(yùn)行，因此也被稱之為實(shí)速存儲(chǔ)器BIST。然而，即使BIST控制邏輯利用系統(tǒng)時(shí)鐘來設(shè)定測試序列，卻需要數(shù)個(gè)時(shí)序周期去完成單獨(dú)的讀/寫操作。因此，實(shí)速存儲(chǔ)器BIST電路雖然采用系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，其實(shí)并無法如同芯片在正常模式運(yùn)作下那樣，執(zhí)行讀寫周期。運(yùn)用流水線(pipelining)讀寫操作，則可產(chǎn)生較為有效的測試，稱之為“全速”(full-speed) 存儲(chǔ)器BIST(見圖2)。簡言之，便是在連續(xù)的時(shí)鐘周期里，執(zhí)行連續(xù)(back-to-back)的讀寫操作，如同在正常系統(tǒng)操作模式下的存儲(chǔ)器一般。
對(duì)于大型存儲(chǔ)器而言，測試那些與速度相關(guān)的故障時(shí)，全速存儲(chǔ)器BIST其實(shí)是個(gè)不錯(cuò)的選擇。但是對(duì)于小型或時(shí)序要求很高的存儲(chǔ)器而言，同樣的測試方法可能會(huì)有問題。宏測試工具要把每組功能性向量轉(zhuǎn)換成掃描向量，所以每組向量的測試速度則必然變慢。不僅如此，有些嵌入式存儲(chǔ)器完全同步，并使用與掃描鏈相同的時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)其模塊時(shí)，掃描單元上先前的設(shè)定值便會(huì)被新值所取代。如此一來，便無法傳遞模塊輸出端的期待值。因此，傳統(tǒng)的宏測試方式無法適用于不具有門控時(shí)鐘的同步存儲(chǔ)器。
不過，同步宏測試可以解決這個(gè)問題。簡言之，便是執(zhí)行連續(xù)的全速測試，而不需要重復(fù)載入掃描鏈。同步宏測試會(huì)決定掃描單元上用來產(chǎn)生第一個(gè)宏向量的值，并載入掃描鏈。同時(shí)，也會(huì)決定用來產(chǎn)生第二個(gè)宏向量的值，并且在掃描單元的輸入端以管道方式傳輸。當(dāng)掃描鏈被載入時(shí)，不同的時(shí)鐘信號(hào)即可以實(shí)速觸發(fā)。如此一來，好幾組的全速向量便被傳送到模塊。全速測試可以不受干擾地應(yīng)用于設(shè)計(jì)中的幾乎任一模塊。不僅如此，全速測試只用到功能邏輯電路，而非測試邏輯電路，因此，可以執(zhí)行更接近實(shí)際狀況的全速測試。

結(jié)語
在實(shí)際測試中總是得面臨測試工具的成本，測試開發(fā)時(shí)間，測試機(jī)臺(tái)的時(shí)間，測試向量的調(diào)試時(shí)間，以及測試覆蓋率之間的考量與抉擇。宏測試是可以有效地對(duì)那些與日俱增的小型嵌入式模塊進(jìn)行靜態(tài)與實(shí)速故障測試的工具。它甚至可以應(yīng)用到較大的存儲(chǔ)器，透過芯片的功能邏輯，自動(dòng)執(zhí)行全速測試。