SOC中多片嵌入式SRAM的DFT实现方法

SOC中多片嵌入式SRAM的DFT实现方法

多片嵌入式SRAM的测试一般由存储器内建自测试MBIST设计来完成。为了迎接多片SRAM的测试给DFT设计带来的挑战。文中以一款基于SMIC O．13um工艺的OSD显示芯片为例，从覆盖率、面积、测试时间、功耗等方面分析了多片SRAM的MBIST设计，提出了一种可实现多片SRAM的快速高效可测试设计实现方法。

O 引言
    随着集成电路的发展，越来越多的ASIC和SoC开始使用嵌入式SRAM来完成数据的片上存取功能。但嵌入式SRAM的高密集性物理结构使得它很容易在生产过程中产生物理故障而影响芯片的良率，所以，SRAM的测试设计显得尤为重要。对于单片或者数量很小的几片嵌入式SRAM，常用的测试方法是通过存储器内建自测试MBIST来完成，实现时只需要通过EDA软件选取相应的算法，并给每片SRAM生成MBIST控制逻辑。但现实中，大型ASIC和SoC设计常常需要使用很多片SRAM，简单采用这种MBIST方法会生成很多块MBIST控制逻辑，从而增大芯片面积，增加芯片功耗，甚至加长芯片测试时间。
    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。