解讀FinFET存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)以及測(cè)試和修復(fù)方法

　　圖10：DesignWare STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)：多層次精密診斷

開(kāi)發(fā)為SoC用戶（或存儲(chǔ)器IP設(shè)計(jì)人員）帶來(lái)高質(zhì)量結(jié)果的工具和IP是一個(gè)漫長(zhǎng)而持續(xù)的過(guò)程。從深入的存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)知識(shí)開(kāi)始，早期接觸多家代工廠的制程參數(shù)、大量的故障注入模擬、硅芯片特征化和精確的行為和結(jié)構(gòu)模型，該過(guò)程可能需要三年以上。深入理解FinFET特有缺陷得到了對(duì)面積影響更小和測(cè)試時(shí)間更少的優(yōu)化測(cè)試算法，外加對(duì)使缺陷易于顯現(xiàn)的應(yīng)力條件的認(rèn)識(shí)。最后，所有這些知識(shí)全部結(jié)合在STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)中用于創(chuàng)建自動(dòng)插入、快速測(cè)試和使產(chǎn)出最大化。

FinFET為使用預(yù)先插入的一組可調(diào)度的存儲(chǔ)器優(yōu)化時(shí)序提供了更多的可能性。BIST多路復(fù)用器可隨共享測(cè)試總線落實(shí)到位。這些測(cè)試總線可由定制數(shù)據(jù)通路創(chuàng)建者和處理器內(nèi)核進(jìn)行復(fù)用。Synopsys創(chuàng)立了多存儲(chǔ)器總線（MMB）處理器來(lái)充分利用FinFET提供的可能性。MMB與映射到該總線上的所有緩存共享BIST/BISR邏輯，因此不再需要存儲(chǔ)器包裝器，減小了面積占用和功率消耗（圖11）。

　　圖11：搭建在傳統(tǒng)STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)處理器上的MMB處理器獲得更高FinFET性能及更小面積

圖12展示了一個(gè)SoC實(shí)例，其中部分存儲(chǔ)器傳統(tǒng)地使用STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)，而CPU內(nèi)核中的存儲(chǔ)器則通過(guò)MMB處理器訪問(wèn)。MMB處理器不直接處理包裝器，而是訪問(wèn)圖12中紅色方框代表的總線端口。MMB處理器從CPU RTL中讀取信息，理解存儲(chǔ)器細(xì)節(jié)和寫入總線的配置，引起即時(shí)握手。

　　圖12：STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)MMB使用模型

維修故障

現(xiàn)代存儲(chǔ)器同時(shí)具有行和列冗余性（圖13）。檢測(cè)到故障時(shí)，可以通過(guò)在非易失性存儲(chǔ)器中記錄問(wèn)題和使用維修方案配置冗余列。STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)通過(guò)縮小故障范圍和確定置換出故障的方法來(lái)自動(dòng)進(jìn)行維修。這個(gè)過(guò)程可以對(duì)所有應(yīng)力角進(jìn)行優(yōu)化，故障在一個(gè)應(yīng)力角檢出并擴(kuò)大到下一個(gè)應(yīng)力角，以此類推。

　　圖13：使用行、列修復(fù)維持FinFET高良率

由于STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)的自動(dòng)化程度如此之高，診斷和修復(fù)可以按預(yù)定間隔在現(xiàn)場(chǎng)重復(fù)進(jìn)行，比如系統(tǒng)上電時(shí)或按預(yù)定的時(shí)間長(zhǎng)度。這種重復(fù)可以通過(guò)內(nèi)建冗余性消除因老化而產(chǎn)生的故障。

負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性（NBTI）是FinFET最令人頭痛的一個(gè)特殊老化問(wèn)題（平面晶體管沒(méi)有這樣的問(wèn)題）。NBTI主要與溫度有關(guān)，會(huì)導(dǎo)致取決于FinFET工作溫度范圍的性能逐漸下降。

單粒子效應(yīng)和糾錯(cuò)

不僅會(huì)發(fā)生可預(yù)測(cè)的錯(cuò)誤，間歇性的軟性錯(cuò)誤也會(huì)發(fā)生。間歇性軟性錯(cuò)誤不需要用內(nèi)建冗余性修復(fù)。它們一般是高能粒子引起的。隨著位單元在較小的制程節(jié)點(diǎn)中靠得越來(lái)越近，單粒子效應(yīng)（SEE）可能會(huì)影響不止一位，而多位缺陷必須檢測(cè)并糾正。

為了應(yīng)對(duì)此類錯(cuò)誤，STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)包含一個(gè)ECC編譯器。該編譯器不僅提供“經(jīng)典”存儲(chǔ)器ECC（一般允許檢測(cè)多位錯(cuò)誤），而且還能處理一位糾錯(cuò)。另一方面，該ECC編譯器還能處理多位糾錯(cuò)。STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)ECC編譯器定義了相關(guān)的存儲(chǔ)器配置，用ECC存儲(chǔ)器取代了存儲(chǔ)器（當(dāng)然，它比需要的數(shù)據(jù)更寬：一個(gè)32位存儲(chǔ)器的寬度約為40位）。然后用所有系統(tǒng)測(cè)試和修復(fù)邏輯包裝該存儲(chǔ)器。

　　圖14：3D-IC中的外部存儲(chǔ)器測(cè)試

外部DRAM或memory-on-logic呈現(xiàn)出一組新的挑戰(zhàn)。利用硅通孔（TSV）或其他方法，DRAM的物理位置處在芯片上方，如圖14所示。不過(guò)，外界不可以直接訪問(wèn)存儲(chǔ)器，或者至少?zèng)]有達(dá)到測(cè)試它們所需要的性能。如果它們使用高速接口的話（如DDR4、JEDEC Wide I/O或Micron的混合存儲(chǔ)器立方體），測(cè)試工具無(wú)法輕易地?cái)r截存儲(chǔ)器與邏輯芯片之間的信號(hào)。相反，坐落在SoC上能夠與芯片之外的DRAM交互的引擎則能以需要的高速度驅(qū)動(dòng)這些接口。就像使用片上存儲(chǔ)器一樣，使用外部DRAM的SoC必須找出哪個(gè)存儲(chǔ)器、哪一位或者芯片堆疊中的哪個(gè)互聯(lián)失效及失效原因。STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)能夠滿足這個(gè)要求并經(jīng)常對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。

STAR層次化系統(tǒng)

所有FinFET SoC都包括存儲(chǔ)器之外的其他模塊。它們會(huì)有其他混合信號(hào)IP，如PCIe、USB、DDR、PLL等。所有這些接口都需要自測(cè)試，很多情況下，故障需要檢測(cè)和維修。對(duì)快速I/O接口來(lái)說(shuō)，維修意味著調(diào)整、校準(zhǔn)和組幀。有些接口IP本身就包含存儲(chǔ)器，使得測(cè)試和維修更加復(fù)雜化。這種復(fù)雜系統(tǒng)需要象STAR層次化系統(tǒng)（如圖15所示）這樣的全面測(cè)試和維修基礎(chǔ)架構(gòu)。

　　圖15：DesignWare STAR層次化系統(tǒng)

STAR層次化系統(tǒng)是對(duì)STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)的補(bǔ)充，可以測(cè)試、調(diào)試和糾正混合信號(hào)非存儲(chǔ)器IP。作為一種層次化解決方案，STAR層次化系統(tǒng)能從次芯片級(jí)直至整個(gè)SoC取得IP及其測(cè)試向量，創(chuàng)建存取訪問(wèn)和接口，并在下一個(gè)級(jí)別上建立測(cè)試向量。

小結(jié)

如今Synopsys全面支持各種制程節(jié)點(diǎn)，包括14nm和16nm FinFET，而在10nm和7nm工藝上的工作也正在進(jìn)行之中。利用從這些制程節(jié)點(diǎn)的測(cè)試芯片中獲得的知識(shí)，STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)的各項(xiàng)創(chuàng)新將繼續(xù)提高針對(duì)嵌入式存儲(chǔ)器的測(cè)試和診斷能力，同時(shí)增加了優(yōu)化SoC良率的功能。

Synopsys還提供了STAR層次化系統(tǒng)，通過(guò)利用任何現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)互連（如IEEE 1500）以及TAP控制器全面測(cè)試各種其他

混合信號(hào)和接口IP。

作者：Yervant Zorian博士，首席架構(gòu)師兼研究員Synopsys