Разработка алгоритмического и программного обеспечения стандарта IEEE 1500 для тестирования гибкой автоматизированной системы в пакете кристаллов (стр. 5 из 7)
2.6 АЛМ для тестирования и ремонта SoC-памяти ГАС
В процессе производства и эксплуатации любых видов памяти, используемой в ГАС, необходимы гарантии ее соответствия техническим условиям. Для этого предусмотрено выполнение трех процедур:
1) Тестирование памяти, заключающееся в подаче тестовых воздействий, ориентированных на выявление определенных классов дефектов [5, 6];
2) В случае возникновения неисправности, необходима дополнительная процедура диагностирования, позволяющая определить место, причину и вид дефекта;
3) После определения множества дефектов, препятствующих выполнению функции памяти, необходимо активизировать процесс восстановления работоспособности – замену дефектных элементов избыточными резервными компонентами, изначально находящимися на силиконовом кристалле [9, 13].
Отсюда следует, что упомянутые действия ориентированы на повышение выхода годных изделий (Yield) без существенных дополнительных временных и материальных затрат. Для восстановления работоспособности необходим специальный механизм ремонта памяти путем замены дефектных компонентов на исправные из резерва силиконового кристалла.
Процедура тестирования, как правило, осуществляется с помощью BIST-блока (Built-In Self Test), который представляет аппаратный быстродействующий генератор тестовых наборов, а также анализатор (сигнатурный) реакций выходов памяти на тестовые последовательности. Анализ восстановления (Repair Analysis) заключается в определении возможности покрытия дефектных элементов памяти, существующими в наличии резервными компонентами. Модуль памяти представлен двумя частями:
1) Функциональные ячейки, которые непосредственно применяются для хранения данных и программ при использовании модуля в системе на кристалле;
2) Резервные или запасные ячейки, которые предназначены для восстановления работоспособности памяти в случае отказов функциональных ячеек.
Функциональные и резервные ячейки объединяются в столбцы и строки. При обнаружении дефекта строка (столбец), содержащая дефектный элемент, отключается от функциональной структуры ячеек памяти, а на ее место подключается строка (столбец) из резерва кристалла. Поскольку количество резервных компонентов ограничено, необходим специальный механизм, позволяющий эффективно распределять ресурсы восстановления работоспособности в целях обеспечения покрытия дефектных элементов памяти минимально возможным количеством избыточных столбцов и строк.
Описанная выше процедура поиска, может быть реализована как в качестве встроенного модуля восстановления работоспособности, так и внешнего – по отношению к кристаллу. Во втором случае, данные об ошибках поступают извне, обрабатываются и передаются контроллеру, обеспечивающему восстановление памяти. Это приводит к значительным потерям времени. Поэтому предпочтение отдается on-chip реализации модуля, когда данные об ошибках передаются непосредственно из BIST. Такой механизм носит название BIRA (Built-In Repair Analysis) [9, 11] – встроенный анализ восстановления работоспособности.
Ремонт памяти осуществляется с помощью отключения дефектных элементов (строк и столбцов матрицы) путем электрического плавления перемычек и подключения резервных. Процесс пайки может быть электрическим или лазерным [12]. Устройство электрической пайки имеет меньшие габаритные размеры, чем лазерной, и применяется чаще. Пайка перемычек выполняется с помощью набора инструкций, хранящихся в постоянной памяти внутри чипа (hard repair) или в оперативной памяти (soft repair) [9, 10, 13].
Soft repair имеет ряд преимуществ: при возникновении ошибки новая исправленная инструкция может быть легко записана в память; обеспечивается экономное использование площади кристалла и достаточная надежность [19].
Hard repair позволяет использовать упрощенный производственный тест и обеспечивает обнаружение ошибок, которые в силу определенных обстоятельств не могут быть зафиксированы при soft repair, например перегрев.
Структура процессов встроенного анализа и (soft repair) самовосстановления памяти – BISR (Built-In Self Repair) – [9 – 10] представлена на рис. 2.2.
1) Активизация чипа, заполнение регистра BISR нулевыми значениями.
2) Запуск контроллера BIST. Тестирование памяти и накопление информации о дефектных ячейках в регистре BIRA.
3) Передача информации о дефектных ячейках в регистр BISR для последующей перепайки.
4) Сканирование BIRA-регистров, содержащих статус восстановления, контроллером BIST для получения информации о дефектах.
Рисунок 2.2 – Схема встроенного анализа и восстановления памяти
5) Запуск контроллера пайки в режиме записи и передача из BISR инструкций восстановления.
6) Перезагрузка чипа. Запись в регистр BISR информации о пайке перемычек, замена дефектных строк и столбцов резервными компонентами.
7) Запуск контроллера BIST в целях повторного тестирования памяти и проверки правильности результата восстановления.
Функция цели Z данного исследования, исходя из современных достижений в области оперативного восстановления памяти, может быть сформулирована следующим образом: минимизация стоимости восстановления (аппаратурных затрат) модуля памяти M = | Mij | в процессе эксплуатации систем на кристаллах путем использования АЛМ минимизации покрытия множества дефектных ячеек памяти системой резервных элементов в условиях ограничений N на количество последних:
(2.27)где
– стоимость i-го варианта решения восстановления модуля памяти M = | Mij | с помощью минимального подмножества строк и столбцов 
резерва кристалла, покрывающего множество F дефектных ячеек памяти 
Далее рассматривается метод получения минимального покрытия на примере матрицы памяти с пятью дефектными ячейками [11], двумя резервными строками и одним столбцом (см. рис. 2.3).
Рисунок 2.3 – Матрица памяти с дефектными ячейками и резервом
Каждый резервный компонент (строка или столбец) способен восстановить работоспособность от одной до n дефектных ячеек, принадлежащих строке или столбцу.
Идея метода сводится к оптимальному замещению дефектных элементов матрицы памяти, путем решения задачи покрытия дефектов-столбцов резервом строк. Для иллюстрации метода первоначально предлагается воспользоваться матрицей покрытия заданных неисправностей F некоторым количество строк (это могут быть тестовые наборы, резервные строки) X, причем:
(2.28)Пусть задана матрица Y, имеющая вид
: 
Точное решение задачи покрытия неисправностей минимальным числом резервных строк памяти основывается на синтезе булевой функции, записываемой как конъюнкция дизъюнкций по конституентам единиц, соответствующих столбцам приведенной выше матрицы:
В данном случае аналитическая запись в виде булевой функции, представленной в виде КНФ, есть исходная модель, содержащая полное множество решений задачи покрытия, которая решается путем нахождения ДНФ. Для этого выполняется процедура преобразования КНФ в ДНФ путем перемножения всех термов. В результате эквивалентных преобразований, выполненных по правилам алгебры логики, получается булева функция, содержащая все возможные покрытия неисправностей, описанные с помощью четырех вариантов комбинаций строк:
Минимальное решение задачи покрытия содержит всего три резервных строки, с помощью которых покрывается 8 дефектов в матрице памяти:
Для использования предложенного метода восстановления работоспособности памяти, необходимо иметь в виду, что каждый дефект Fi в матрице памяти принадлежит как строке, так и столбцу. Поэтому преобразование топологической модели дефектов памяти к матрице покрытия неисправностей, заключается в присвоении каждому дефекту номеров строк и столбцов, которые искажаются данной неисправностью.
Для примера (рис. 2.4), где имеется 5 дефектных ячеек, покрываемых тремя столбцами и четверкой строк.
Рисунок 2.4 – Матрица памяти с дефектными ячейками
Преобразование трансформирует матрицу памяти к таблице покрытия, где левый столбец задает взаимно-однозначное соответствие между координатами дефекта, в номерах строк и столбцов матрицы памяти и строками покрытия неисправностей:
Иначе, топология матрицы памяти из двумерной метрики трансформируется в одномерную структуру строк, обладающими определенными покрывающими свойствами, относительно столбцов неисправностей.
Последующая запись булевой функции формирует логическое произведение дизъюнкций, записанных по конституентам единиц, соответствующих столбцам упомянутой выше матрицы
: 