Chương 1: TỔNG QUAN Có rất nhiều kỹ thuật được sử dụng để phát hiện lỗi trên các loại bộ nhớ, tuy nhiên kỹ thuật MBIST mang những đặc điểm ưu việt hơn nên đã được sử dụng nhiều hơn trong quy trình phát hiện lỗi trên bộ nhớ. Do đó, hướng nghiên cứu MBIST sẽ là một lĩnh vực mà được nhiều nhà khoa học tìm hiểu và nghiên cứu rộng rãi.1 Kỹ thuật BIST 1.1 Tầm quan trọng của việc kiểm tra bộ nhớ Theo đinh luật Moore’s, kích thước CMOS trong nghành công nghệ vi mạch đã ngày càng nhỏ dần đi: từ 130nm năm 2002,…, 65nm năm 2006, 45nm năm 2008,… 14nm năm 2014 và theo xu hướng chung thì có thể được phát triển để giảm xuống nữa trên nền công nghệ 10nm năm 2017. Tuy nhiên trái ngược với sự phát triển của kích thước CMOS, thì ngành công nghiệp vi mạch sẽ đối diện với 3 vấn đề lớn: + Trong cùng quy trình sản xuất, năng suất sản xuất ngày càng thấp đi + Các mô hình lỗi cũng như khả năng xảy ra lỗi xuất hiện ngày càng nhiều. + Ảnh hưởng nhiều tới sự thay đổi của quá trình hoạt động, điện áp và nhiệt độ của mỗi chip sau khi sản xuất.
Đáp ứng với nhu cầu hiện nay của người sử dụng và nhà sản xuất, các hệ thống điện tử sẽ thực thi nhiều ứng dụng sẽ đòi hỏi ngày càng cao khối lượng tính toán, các vi mạch bán dẫn sẽ có khối lượng xử lý ngày càng nhiều, do đó hệ thống sẽ yêu cầu dung lượng bộ nhớ lớn để đáp ứng kịp thời các yêu cầu về khối lượng tính toán. Theo xu hướng phát triển của ngành công nghệ vi mạch thì trong những năm 4-5 gần đây hầu hết diện tích trên vi mạch bị chiếm bởi 94% bộ nhớ. Trong lĩnh vực điện tử thì chất lượng vi mạch phụ thuộc vào diện tích phần bán dẫn sử dụng trên chip. Do đó theo định hướng phát triển của ngành vi mạch thì chất lượng của chip sau khi sản xuất sẽ phụ thuộc rất nhiều chất lượng của bộ nhớ, nghĩa là phần diện tích chiếm dụng nhiều trên chip.
Cho nên kích thước CMOS ngày càng giảm xuống thì số lỗi xuất hiện ngày càng nhiều, và đồng thời sẽ mở rộng thêm nhiều dạng mã lỗi mới xuất hiện khi các nhà thiết kế vi mạch có xu hướng cho ra đời nhiều kiến Trang 2 trúc bộ nhớ mới. Cho nên việc kiểm tra chất lượng bộ nhớ là một phần quan trọng trong việc đảm bảo sự hoạt động tốt sau khi sản xuất.2 Các mô hình kiểm tra bộ nhớ hiện tại a. Kỹ thuật MBOST Việc kiểm tra bộ nhớ từ bên ngoài MBOST (Memory Built Off Self test) là một phương pháp phổ biến trên thế giới để kiểm tra các thiết bị sau khi sản xuất, tuy nhiên đối với phương pháp này lại sẽ gặp phải một số nhược điểm khi kích thước CMOS ngày càng giảm đi: chi phí cao, chất lượng kiểm tra giảm dần, hạn chế việc truy cập tới các đường địa chỉ trực tiếp đến bộ nhớ.1- Kiến trúc kiểm tra MBOST Các thiết bị test MBOST sẽ được thiết kế một cách riêng biệt để kiểm tra thiết bị theo: cấu hình và dung lượng bộ nhớ, số cổng vào ra, mô hình tín hiệu hoạt động. Điều đó dẫn tới chi phí cho việc kiểm tra sẽ ngày càng nhiều nếu như có một sự thay đổi mặc dù chỉ là nhỏ trong quá trình sản xuất vì sẽ đòi hỏi các thiết bị phải được thiết kế và kiểm chứng lại lần nữa trước khi áp dụng vào thực tiễn.
Ngoài ra do xu hướng thay đổi kích thước CMOS cho nên tại mỗi thời điểm khác nhau của một công nghệ CMOS thì các thiết bị MBOST phải yêu cầu được thiết kế lại hoàn toàn cho phù hợp với các mô hình lỗi mới phát sinh tương ứng, đồng thời việc bảo trì và nâng cấp sẽ tốn khá nhiều chi phí phát sinh. Trang 3 Ngày nay các hệ thống đa phần đã được mở rộng lên tới hàng trăm bộ nhớ bên trong, cho nên với việc kiểm tra từ các thiết bị truy cập các bộ nhớ từ bên ngoài vào là điều khó thực hiện và tính kinh tế không cao. Ngoài ra các bộ MBOST muốn truy cập với bộ nhớ bên trong hệ thống cần phải kết nối với thông qua đường truyền khá dài và phải yêu cầu hoạt động với đúng tốc độ truyền dẫn, tuy nhiều điều này là không dễ thực hiện khi các cổng vào ra của bộ nhớ phải chia sẻ cho nhiều chức năng khác nhau dẫn đến kết quả sau khi test sẽ không ổn định, và làm giảm chất lượng kiểm tra. Kỹ thuật MBIST Việc kiểm tra chất lượng bộ nhớ bằng phương pháp MBOST có hiệu suất thấp do tốn chi phí cao, yêu cầu thiết kế riêng cho từng chip.
Do đó, theo xu hướng phát triển chung của các phương phát test (DFT) thì sẽ chuyển từ MBOST thành tự xây dựng mô hình test trên chính thiết bị nhớ (Memory Built In Self Test - MBIST). MBIST là một thành phần bên trong chip nên nó có thể giảm giá thành cho sản phẩm, MBIST cũng không yêu cầu việc nâng cấp hay bảo hành nên đã giảm được chi phí cho hệ thống, đồng thời muốn MBIST hoạt động với tốc độ cao thì có thể tái sử dụng các tần số hoạt động của bộ nhớ. Phần lõi (IP) của của kiến trúc MBIST có thể được tái sử dụng trên các bộ nhớ khác để tiết kiệm chi phí thiết kế, tính linh hoạt của kiến trúc MBIST khá cao khi nó có thể được sử dụng để kiểm tra trên nhiều cấp độ bộ nhớ khác nhau thông qua khối kiến trúc khối điều khiển của MBIST. MBIST giải quyết được tính phức tạp của hệ thống MBOST bằng cách cung cấp trực tiếp tín hiệu điều khiển cho quá trình kiểm tra trên bộ nhớ, sau đó thực thi và trả về kết quả sau khi kiểm tra, chính điều nay tiết kiệm được thời gian kiểm tra trên MBIST.
MBISR (Built In Self Repair) sẽ là một giải pháp nhằm tối ưu cho hệ thống nâng cao năng suất một cách tốt nhất cho hệ thống với khả năng tự động sửa lỗi tuy nhiên trước khi đó cần phải phát hiện vị trí lỗi trên hệ thống thông qua kiến trúc MBIST. Tuy nhiên theo chiều ngược lại, MBIST lại yêu cầu thêm: • Phần diện tích trên chip để dành riêng cho MBIST Trang 4 • Một số chân IO để giao diện với MBIST • Đòi hỏi người thiết kế phải có kinh nghiệm trong quá trình thiết kế phần cứng cho bộ nhớ Thường đặc trưng của kiến trúc MBIST là tích hợp chung với bộ nhớ nên sẽ có thời gian trễ để đi qua bộ phân kênh tín hiệu trên bộ nhớ, với thời gian tầm 200ps, đây sẽ là một vấn đề nếu người thiết kế không xem nó như là một yêu cầu của kiến trúc kiểm tra sẽ dẫn tới quá trình đọc ghi của bộ nhớ phát sinh lỗi. Kiến trúc BIST sẽ được thiết kế với các thuật toán cố định cho nên sau khi thực hiện công đoạn sản xuất chip thì rất khó để chỉnh sửa nếu muốn sử dụng các mô hình test mới để phát hiện ra lỗi mới, hay cần thiết là đi cấu hình lại thì việc này sẽ tốn thêm thời gian cho việc kiểm tra. Các yêu tố về timing và routing sẽ ảnh hưởng tới bộ nhớ khi có kèm theo MBIST, tuy nhiên vấn đề này có thể giải quyết được nhờ thực hiện đi layer với từ 6-8 lớp.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Kiến trúc vi mạch MBIST là hướng tiếp cận mới trong việc kiểm tra và đảm bảo chất lượng bộ nhớ trong qúa trình sản xuất, tuy nhiên ở mức độ nghiên cứu trong nước thì hầu như chưa có bài báo hay công trình khoa học hoàn chỉnh nào được công bố chính thức.
Các đề tài chỉ dừng lại ở cấp độ báo cáo chuyên đề, đồ án tốt nghiệp. Trên thế giới, do những ưu điểm của kiến trúc MBIST mang lại nên nó đã được nghiên cứu sâu rộng trên khía cạnh khác nhau, theo xu hướng hiện nay thì các đề tài nghiên cứu tập trung phát triển các giải thuật mới hoặc chỉnh sửa các giải thuật hiện có hiện tại để đa dạng hóa giải thuật trong việc xử lý như bảng khảo sát 1. [13] tập trung trong việc chỉnh sửa và ứng dụng thuật toán March C - để đi phát hiện ra các lỗi xuất hiện trên bộ nhớ của hệ thống nhúng. [14] tiếp cận các thuật toán March sau khi được chỉnh sửa nhỏ bên trong giải thuật để ứng dụng lên kiến trúc MBIST microcode.
Đa phần các giải thuật kiểm tra liên quan tới giải thuật March đã phát hiện được các lỗi như bên dưới.1 - Thống kê về các nghiên cứu MBIST từ 2005-2013 Năm Hội nghị Tên bài báo Bộ nhớ Giải thuật kiểm tra 2006 IEEE International Low Power SoC RAM - Modification Symposium on Memory BIST March C Defect and Fault- Tolerance in VLSI Systems 2005 System Theory, A System for Embedded - March LR 2005. Automated Built-In Single port - March Y Proceedings of the Self-Test of and dual Thirty-Seventh Embedded Memory port RAM: Southeastern Cores in System-on- synchronou Symposium on Chip s and asynchrono us 2006 ISOCC 2006 A New BIST RAM - March C, Architecture for Word - March AB Oriented Memory - APNPSF test algorithm 2012 International Journal Design of Improved DRAM, March Y of Soft Computing Built-In-Self-Test SRAM, and Engineering Algorithm (8n) for ROM (IJSCE) Single Port Memory 2012 Department of A Multibackground RAM March 76N Computer Science March Test for Static and Neighborhood Engineering,"Gheorg PatternSensitive he Asachi" Faults in Random- Technical University Access Memories of Iași, Romani 2011 International Journal Comparative RAM, March BDN, of Scientific & Simulation of MBIST ROM March Y, Engineering using MarchTest March SS, Research, Algorithms March C-, March AB, March RAW, March LR 2010 2nd International MBIST design and RAM and March17n Conference on implementation of a ROM Signal Processing H.264/AVC video Systems ( decoder chip 2008 2008 International A Programmable RAM, March X, C-, SoC Design Memory BIST for ROM A, B, Zerro Conference Embedded One Memory Trang 6 2011 A Novel Access EEPROM March C and Scheme for Online March SS Test in RFID Memories 2011 International Area Overhead and RAM March X, C-, Conference on Power Analysis of A, B, Zerro Communication March Algorithms for One, LA, AB, Technology and Memory BIST Y System Design 2011 2012 International Journal Modified March C - RAM March C of Electrical and Algorithm for modification Computer Embedded Memory Engineering Testing 2013 International Journal High Speed FSM- RAM March C+ of Computer Science based programmable algorithm and Mobile Memory Built-In Self- Computing Test (MBIST) Controller 2009 Industrial An overview of RAM March SS Electronics & microcode-based and Applications, 2009. FSM-based ISIEA 2009. IEEE programmable Symposium on memory built-in self test (MBIST) controller for coupling fault detection Bảng 1.