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标题: SOC中多片嵌入式SRAM的DFT实现方法 [打印本页]

作者: forsuccess 时间: 2014-8-30 23:03 标题: SOC中多片嵌入式SRAM的DFT实现方法

本文基于MBIST的一般测试方法来对多片SRAM的可测试设计进行优化，提出了一种通过一个MBIST控制逻辑来实现多片SRAM的MBIST测试的优化方法。
　　1 MBIST介绍
　　MBIST意即存储器内建自测试(Memory Build In Self Test)，是目前业界用来测试存储器的一种常见方法，其原理是通过多次反复读写SRAM来确定其是否存在制造中的缺陷。MBIST的EDA工具可针对内嵌存储器自动创建BIST逻辑，它支持多种测试算法的自动实现(常用算法为March C+)，并可完成BIST逻辑与存储器的连接。此外，MBIST结构中还可包括故障自动诊断功能，方便故障定位和特定测试向量的开发。MB-IST的基本结构如图1所示。

　　整个SRAM和MBIST控制逻辑构成的整体只是在原有SRAM端口的基础上增加了复位信号rst_n和bist_start信号(为高表示开始测试)两个输入信号，同时增加了test_dONe(为高表示测试完成)、fail_h(为高表示出现故障)、addr_er(fail_h为高时输出的故障地址有效)等三个输出信号。
　　2 多片SRAM的MBIST测试结构
　　基于SMIC 0.13um工艺的OSD (On Screen Display)显示芯片需嵌入地址位宽为8-bit、数据位宽为512-bit。即大小为256x512bit的SRAM来存储大量的客户定制字符。由于Artisan的SPSRAM Generator支持的SRAM模型的最大数据位宽为64 bit，故可通过8片大小为256×64 bit的SRAM来实现。
　　利用Mentor公司的MBIST Architect选取March3算法可产生两种MBIST结构。其一为每片256x64 bit的SRAM各生成一套MBIST逻辑，以构建MBIST并行结构，图2所示为其并行结构示意图。该方法可对所有MBIST的test_done(完成标志)进行“与”操作，以保证所有SRAM都测试结束;fail_h(失效标志)可进行“或”操作来实现(高有效)，只要有一个SRAM出现故障即停止测试，否则表明所有SRAM测试都通过。

　　第二种方法是针对256×64bit大小的SRAM只生成一套MBIST，然后通过附加的状态机和数字逻辑来对多片SRAM逐一进行测试，即构建如图3所示的MBIST串行结构。当所测的某一个SRAM出现故障即停止测试，若所有SRAM测试结束都未有error信号输出，则表明所有SRAM测试均通过。

3 结果比较
　　对于串行MBIST结构，在前端设计时需要考虑到所有SRAM的大小等情况，而多数设计中，嵌入的SRAM大小各不相同，所以，前端实现较复杂;复用同一套MBIST结构(如激励产生结构和比较电路等)虽然节省面积，但为了有利于时序收敛及绕线，往往需要SRAM靠近与之有逻辑关系的功能单元，但这会对芯片整体物理版图的设计带来一定束缚;SRAM数量较大时，逐一测试显然能使功耗降到最低，但可能导致测试时间增长，测试成本上升。
　　对于并行MBIST结构，由于SRAM各成体系，互不相扰，前后端实现都很容易，芯片测试时间短，但较之串行MBIST结构，则会增加芯片面积和功耗，而且其功耗还有可能超过电源网供电容限而导致芯片烧掉;
　　两种实现方法的结果比较如表1所列。

　　基于表1，该OSD芯片应采用并行MBIST结构。对多个不同大小的SRAM MBIST架构，采用串行MBIST结构可以大幅降低面积与功耗，但无论对于串测还是并测来说，随着数据位宽较大的SRAM (如位宽64 bit)数量的增多，与SRAM直接相连的逻辑会显著影响扫描测试的覆盖率。
　　4 MBIST对扫描测试覆盖率的影响
　　DFT设计有可控制性和可观测性两个基本原则，即对DFT设计要求所有输入逻辑是可控的和输出逻辑是可测的。不可控逻辑和不可测逻辑对测试覆盖率提出了很大的挑战。通常可以通过适当添加测试点的方式，使原来不可控和不可测的逻辑变化反映到扫描链上，使之变得间接可控和可观测，以提高整个芯片的测试覆盖率和测试效率。
　　Svnopsys公司的TetraMAX ATPG定义的故障覆盖率(fault coverage)如下：

　　若测试覆盖率较低，首先应分析DRC(design rule constraint)Violations，并尽量消除DRCViolations。再分析AU(ATPG untestable)报告，减少AU的数量。按照模块层次来报告测试覆盖率时，应找到覆盖率低的模块重点分析。该项目的AU报告中和RAM有关的部分占了很大一部分。RAM自测试模块的测试覆盖率只有6%。分析工具把RAM当做black box，由于这些SRAM的数据位很宽，故SRAM数据端口不可控和不可测的逻辑(称为阴影逻辑)更多，芯片的测试覆盖率也更低。给RAM加旁路(bypass)逻辑，测试模式下将输入和输出连起来，可使原来不可控和不可观测的逻辑变化反映到扫描链上，使之变得间接可控和可观测，从而提高整个芯片的测试覆盖率。RAM的输入比输出多，故可用XOR连接。对于XOR/XNOR门，为了将故障响应从它的一个输入传播到它的输出，可根据方便程度设置所有其他的输入为0或1。而对于AND/NAND门，为了将系统的故障响应从它的一个输入传播到它的输出，则必须通过将其他输入设置为l来实现，其中“l”对于AND/NAND门是一个非控制值。同理，“0”对于OR/NOR门也是一个非控制值。图4所示是旁路RAM的电路示意图。图中，多路选择器由test_mode信号控制，与RAM的输入输出连接的逻辑可测，RAM模块的测试覆盖率可提高到98.3%，相应的整个芯片的测试覆盖率提高了4个百分点。

　　由此可见，MBIST结构可直接实例化地用在数字设计部分。该系统的功能逻辑部分含有万余寄存器，为了提高测试覆盖率添，加几个寄存器及很少组合逻辑作为测试点后，即可将测试覆盖率提高且不会增加太大的面积开销，因而这种方法是很有效率的。如果前期设计时就能考虑这种测试结构，DFT设计过程中就会减少反复，减少测试设计周期。
　　5 结束语
　　本文基于一个实际项目，分别用常用的并行与串行两种方式来实现MBIST的构架，并对其开销进行了定量与定性讨论，结果是对于不同的设计，应当灵活构建测试结构以达到设计目的。对于在嵌入式存储器数量较少，位宽较小的情况下，MBIST对扫描测试覆盖率的影响并不明显，易被人们忽视，一旦这种影响显著发生，比较高效的方法是插入旁路电路，这样，在提高覆盖率的同时也不会增加太大的面积开销。可见，对于一个嵌入多片SRAM的SOC进行DFT设计时。应从多维度灵活处理，折中考虑。

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