解读FinFET存储器的设计挑战以及测试和修复方法

STAR 存储器系统可以确定故障位的物理 X 、 Y 坐标。缺陷可以分类（单个位、成对位、整列等），故障可以分类并最终精确定位到故障部位。注意，所有这些都由芯片外面的 STAR 存储器系统确定，而不是使用电子显微镜或其他更精细 / 昂贵的方式。

本文引用地址： //m.amcfsurvey.com/article/201808/385597.htm

　　图10：DesignWare STAR存储器系统：多层次精密诊断

开发为SoC用户（或存储器IP设计人员）带来高质量结果的工具和IP是一个漫长而持续的过程。从深入的存储器设计知识开始，早期接触多家代工厂的制程参数、大量的故障注入模拟、硅芯片特征化和精确的行为和结构模型，该过程可能需要三年以上。深入理解FinFET特有缺陷得到了对面积影响更小和测试时间更少的优化测试算法，外加对使缺陷易于显现的应力条件的认识。最后，所有这些知识全部结合在STAR存储器系统中用于创建自动插入、快速测试和使产出最大化。

FinFET为使用预先插入的一组可调度的存储器优化时序提供了更多的可能性。BIST多路复用器可随共享测试总线落实到位。这些测试总线可由定制数据通路创建者和处理器内核进行复用。Synopsys创立了多存储器总线（MMB）处理器来充分利用FinFET提供的可能性。MMB与映射到该总线上的所有缓存共享BIST/BISR逻辑，因此不再需要存储器包装器，减小了面积占用和功率消耗（图11）。

　　图11：搭建在传统STAR存储器系统处理器上的MMB处理器获得更高FinFET性能及更小面积

图12展示了一个SoC实例，其中部分存储器传统地使用STAR存储器系统，而CPU内核中的存储器则通过MMB处理器访问。MMB处理器不直接处理包装器，而是访问图12中红色方框代表的总线端口。MMB处理器从CPU RTL中读取信息，理解存储器细节和写入总线的配置，引起即时握手。

　　图12：STAR存储器系统MMB使用模型

维修故障

现代存储器同时具有行和列冗余性（图13）。检测到故障时，可以通过在非易失性存储器中记录问题和使用维修方案配置冗余列。STAR存储器系统通过缩小故障范围和确定置换出故障的方法来自动进行维修。这个过程可以对所有应力角进行优化，故障在一个应力角检出并扩大到下一个应力角，以此类推。

　　图13：使用行、列修复维持FinFET高良率

由于STAR存储器系统的自动化程度如此之高，诊断和修复可以按预定间隔在现场重复进行，比如系统上电时或按预定的时间长度。这种重复可以通过内建冗余性消除因老化而产生的故障。

负偏压温度不稳定性（NBTI）是FinFET最令人头痛的一个特殊老化问题（平面晶体管没有这样的问题）。NBTI主要与温度有关，会导致取决于FinFET工作温度范围的性能逐渐下降。

单粒子效应和纠错

不仅会发生可预测的错误，间歇性的软性错误也会发生。间歇性软性错误不需要用内建冗余性修复。它们一般是高能粒子引起的。随着位单元在较小的制程节点中靠得越来越近，单粒子效应（SEE）可能会影响不止一位，而多位缺陷必须检测并纠正。

为了应对此类错误，STAR存储器系统包含一个ECC编译器。该编译器不仅提供“经典”存储器ECC（一般允许检测多位错误），而且还能处理一位纠错。另一方面，该ECC编译器还能处理多位纠错。STAR存储器系统ECC编译器定义了相关的存储器配置，用ECC存储器取代了存储器（当然，它比需要的数据更宽：一个32位存储器的宽度约为40位）。然后用所有系统测试和修复逻辑包装该存储器。

　　图14：3D-IC中的外部存储器测试

外部DRAM或memory-on-logic呈现出一组新的挑战。利用硅通孔（TSV）或其他方法，DRAM的物理位置处在芯片上方，如图14所示。不过，外界不可以直接访问存储器，或者至少没有达到测试它们所需要的性能。如果它们使用高速接口的话（如DDR4、JEDEC Wide I/O或Micron的混合存储器立方体），测试工具无法轻易地拦截存储器与逻辑芯片之间的信号。相反，坐落在SoC上能够与芯片之外的DRAM交互的引擎则能以需要的高速度驱动这些接口。就像使用片上存储器一样，使用外部DRAM的SoC必须找出哪个存储器、哪一位或者芯片堆叠中的哪个互联失效及失效原因。STAR存储器系统能够满足这个要求并经常对其进行修复。

STAR层次化系统

所有FinFET SoC都包括存储器之外的其他模块。它们会有其他混合信号IP，如PCIe、USB、DDR、PLL等。所有这些接口都需要自测试，很多情况下，故障需要检测和维修。对快速I/O接口来说，维修意味着调整、校准和组帧。有些接口IP本身就包含存储器，使得测试和维修更加复杂化。这种复杂系统需要象STAR层次化系统（如图15所示）这样的全面测试和维修基础架构。

　　图15：DesignWare STAR层次化系统

STAR层次化系统是对STAR存储器系统的补充，可以测试、调试和纠正混合信号非存储器IP。作为一种层次化解决方案，STAR层次化系统能从次芯片级直至整个SoC取得IP及其测试向量，创建存取访问和接口，并在下一个级别上建立测试向量。

小结

如今Synopsys全面支持各种制程节点，包括14nm和16nm FinFET，而在10nm和7nm工艺上的工作也正在进行之中。利用从这些制程节点的测试芯片中获得的知识，STAR存储器系统的各项创新将继续提高针对嵌入式存储器的测试和诊断能力，同时增加了优化SoC良率的功能。

Synopsys还提供了STAR层次化系统，通过利用任何现有标准互连（如IEEE 1500）以及TAP控制器全面测试各种其他

混合信号和接口IP。

作者：Yervant Zorian博士，首席架构师兼研究员Synopsys