（测试计量技术及仪器专业论文）嵌入式存储器内建自测试与内建自修复技术研究.pdf

i l 一 - ： 碡 土 n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s 刀始g r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nb u i l t - i ns e l f - t e s ta n db u i l t - i ns e l f - r e p a i r f o re m b e d d e dm e m o r y a t h e s i si n i n s t r u m e n t a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b y s uj i a nh u a a d v i s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rc h e nz ew a n g s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 56 舢050帅8il-哪y 语。 一 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：蕴童堡 日期：型! 呈：兰：! 呈 l 南京航空航天大学硕十学位论文 摘要 嵌入式存储器因其高带宽、低功耗、硅面积开销小等优点被广泛应用于片上系统( s o t ) ，预 计到2 0 1 4 年，嵌入式存储器在s o c 中的硅面积占有率将达到9 4 。应用嵌入式存储器的系统 对可靠性和稳定性的要求较高，因此研究嵌入式存储器的自测试、诊断和自修复技术具有重要 的理论意义与实用价值。 本文以嵌入式存储器内建自测试与内建自修复技术为研究内容，以提高片上系统的可靠性 与稳定性为目标。涉及到了嵌入式存储器故障的建模、测试与诊断实现以及采用高可靠性内建 冗余分析策略实现故障单元的自修复等方面，主要研究成果如下： 为有效定位和识别嵌入式静态随机访问存储器( s r a m ) 中的各种故障，改进s r a m 的设 计和生产流程，提出一种有效的m a r c h l 9 n ( n 表示存储器的深度) 测试算法。首先把故障注入 6 4 x 8 位的s r a m 中；然后将测试算法的读写操作转化为控制器的控制状态，并设计带诊断支 持功能的内建自测试( b i s t ) 模块；最后用该b i s t 模块测试注入的故障，并对测试数据进行比较 与合成，从而实现故障的测试和定位。通过对仿真实验结果的分析，得出了包括固定型故障、 开路故障、跳变故障、跳变耦合故障、幂等耦合故障、状态耦合故障和地址译码故障在内的故 障字典表，并由此得出各类故障所具有的不同的故障识别标志，最后给出了几种测试算法的时 间复杂度、故障诊断率及b i s t 面积开销。 为有效提高嵌入式s r a m 的可靠性，进而确保整个电子系统的可靠运行，通过对嵌入式 s r a m 故障分布特点的分析，采用了一种改进的存储器架构，采用列块修复与行单元修复相配 合的方法，并在此基础了上提山了二维冗余模块存在故障的内建冗余分析( b m a ) 策略，该策略 高效运用了设置的行修复寄存器与列修复寄存器，极大地提高了故障的修复率。通过1 6 x 3 2 位 s r a m 仿真实验验证了提出的内建冗余分析策略的可行性，有效的确保了系统在冗余模块和主 存储器都存在故障的情况下的高可靠运行。 在高可靠性内建冗余分析策略的基础上，实现了内建自修复系统，该系统主要由嵌入式存 储器阵列、内建自测试和高可靠性内建冗余分析三个部分组成。最后，通过仿真实验给出了系 统的仿真结果图，并给出了内建自修复系统各部分的技术指标及其面积开销。 以上所有电路均用v h d l 代码编程实现，在x i l i n x 的v i r t e x 2 系列f p g a 上利用x i l i n xi s e 集成的x s t 工具综合、布局布线及调用m o d e l s i ms e 6 0 a 软件进行时序仿真、验证。 关键词：嵌入式s r a m ；b i s t ；故障分辨率；b i r a ；故障修复率；内建自修复系统。 嵌入式存储器内建自测试与内建自修复技术研究 a b s t r a c t e m b e d d e dm e m o r i e sh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e dt ot h ef i e l do fs y s t e m o n - c h i p ( s o c ) ，b e c a u s e t h e r ea r em a n ya d v a n t a g e sr e g a r d i n ge m b e d d e dm e m o r i e s ，e g ，h i g hb a n d w i d t h ，l o wc o n s u m p t i o n a n dl o ws i l i c o na r e ao v e r h e a d ，e t c e m b e d d e dm e m o r i e sw i l lo c c u p yt h el a r g e s tp o r t i o no fas o c ( a p p r o a c h i n g9 4 b y2 0 1 4 ) b e c a u s et h es y s t e mw i t he m b e d d e dm e m o r i e sr e q u i r e sh i 曲r e l i a b i l i t y , t h et e c h n i q u e so fe m b e d d e dm e m o r ys e l f - t e s ta n ds e l f - r e p a i rh a v es i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri sr e s e a r c ho nb u i l t i ns e l ft e s ta n db u i l t - i ns e l f - r e p a i rt e c h n o l o g y f o re m b e d d e dm e m o r y , i no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e m sr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y r e l a t e dt ot h e e m b e d d e dm e m o r yf a u l tm o d e l i n g ，t e s t i n ga n dd i a g n o s i si m p l e m e n t a t i o na n dt h eu s i n go f h i g h - r e l i a b i l i t yb u i l t i nr e d u n d a n c ya n a l y s i ss t r a t e g y t oa c h i e v es e l f - r e p a i rf a u l tu n i t ，t h em a i n r e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： t h i sp a p e rp r o p o s e sa ne f f e c t i v em a r c h l 9 n ( nr e p r e s e n t st h ea d d r e s sn u m b e ro fm e m o r y ) t e s t a l g o r i t h mf o ra ne f f e c t i v e l yd e t e c t i n gf a u l t l o c a t i o n sa n di d e n t i f y i n gv a r i e t yf a u l tt y p e sw h i c h p r o d u c e si nt h ee m b e d d e ds t a t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ( s r a m ) ，c o n s e q u e n t l yi m p r o v i n gt h ed e s i g n a n dm a n u f a c t u r ep r o c e s so fs r a m f i r s t l y , f a u l t si n j e c t i o ni n t oa6 4 8 - b i ts r a m ；s e c o n d l y , r e a d a n dw r i t eo p e r a t i o n so ft h ea l g o r i t h ma l et r a n s l a t e di n t ot h es t a t e so fc o n t r o l l e r , a n dt h e nd e s i g na b u i l t - i ns e l f - t e s t ( b i s t ) w i t hd i a g n o s t i cs u p p o r tm o d u l e ；f i n a l l y , u s i n gt h eb i s tm o d u l et e s tt h e i n j e c t i o nf a u l t s ，t h e nc o m p a r i n ga n ds y n t h e s i z i n gt h et e s td a t a ，i no r d e rt oa c h i e v ef a u l t st e s t i n ga n d l o c a t i o n w h e na n a l y z i n gs i m u l a t i o nr e s u l t s ，af a u l td i c t i o n a r yi sc o n s t r u c t e df o rs t u c k a tf a u l t ， s t u c k - o p e nf a u l t ，t r a n s i t i o nf a u l t ，i n v e r s i o nc o u p l i n gf a u l t ，i d e m p o t e n tc o u p l i n gf a u l t ，s t a t ec o u p l i n g f a u l ta n da d d r e s sd e c o d e rf a u l t t h ef a u l td i c t i o n a r ys h o w st h a tf a u l t sh a v ed i f f e r e n tf a u l ts i g n a t u r e ， f i n a l l y , t i m ec o m p l e x i t y , d i a g n o s t i cr a t i oa n db i s th a r d w a r eo v e r h e a do fs e v e r a lt e s ta l g o r i t h m si s g i v e n i no r d e rt o e f f e c t i v e l yi m p r o v et h eh i g h e rr e l i a b i l i t yo fe m b e d d e ds r a m ，t h u se n s u r i n gt h e r e l i a b i l i t yo ft h ee n t i r ea e r o s p a c ee l e c t r o n i cs y s t e m s ，t h r o u g ha n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e d i s t r i b u t i o no ff a u l t so fe m b e d d e ds r a m ，t h em e t h o do fc o l u m nb l o c kr e p a i ra n dr o wr e p a i rw a s u s e do nt h eb a s i so f t h ei m p r o v e dm e m o r ya r c h i t e c t u r e a n db u i l t - i nr e d u n d a n c ya n a l y s i ss t r a t e g yw i m f a u l t si na2 - dr e d u n d a n c ym o d u l ew a sp r o p o s e d t h i ss t r a t e g ye f f i c i e n tu s eo ft h er o wr e p a i rr e g i s t e r a n dc o l u m nr e p a i rr e g i s t e ri no r d e rt oi m p r o v et h er e p a i rr a t e t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sf o rt h e6 4 8 - b i ts r a mp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo fb i r a ，w h i c ha l s u r e sr e l i a b l eo p e r a t i o no ft h es y s t e mi nt h e m a i nm e m o r ya n ds p a r em o d u l e se x i s tf a u l t s 1 l 一 南京航空航天大学硕士学位论文 t h eb u i l t - - i ns e l fr e p a i rs y s t e mi s g i v e no nt h eb a s e do fh i g h - r e l i a b i l i t yb u i l t i nr e d u n d a n c y a n a l y s i ss t r a t e g y , t h es y s t e mi sm a d eo f t h r e em a i lp a r t s ：t h ee m b e d d e dm e m o r ya r r a y , b u i l t i ns e l f - t e s t a n dh i g hr e l i a b i l i t yb u i l t i nr e d u n d a n c ya n a l y s i s f i n a l l y , t h es i m u l a t i o ns h o w st h es y s t e md i a g r a mo f t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dg i v e st h et e c b _ n i c a li n d i c a t o r so ft h ev a r i o u sp a r t so ft h eb u i l t - i ns e l fr e p a i r s y s t e m , a sw e l la st h eh a r d w a r eo v e r h e a d t h ew h o l ep r o p o s e db i s ta n db i s rc i r c u i t sw e r ed e s c r i b e db yv h d lc o d e t h e yw e r e s y n t h e s i z e d ，p l a c e da n d r o u t e db yt h es y n t h e s i st o o lx s to fx i l i n xi s e t h es i m u l a t i o n sw e r ed o n e b yx i l i n xi s eo r d e r i n gm o d e l s i ms e 6 0 as o f t w a r e t h ew h o l ed e s i g n e dc i r c u i t sw e r ev e r i f i e d t h r o u g hv i t e x 2f p g af a m i l yo f x i l i n x k e yw o r d s ：e m b e d d e ds r a m ；b i s t ；d i a g n o s t i cr a t i o ；b i r a ；r e p a i rr a t e ；b u i l t i n s e l f - r e p a i rs y s t e m 嵌入式存储器内建白测试与内建自修复技术研究 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 嵌入式存储器内建自测试与内建自修复概述。l 1 1 1 嵌入式存储器内建自测试技术l 1 1 2 嵌入式存储器内建自修复技术2 1 2 国内外研究现状及存在的技术难点4 1 2 1 国内外研究概况4 1 2 2 存在的技术难点5 1 3 嵌入式存储器内建自测试与内建自修复研究意义6 1 3 1s o c 的成品率优化流程。6 1 3 2 嵌入式存储器成品率对s o c 成品率的影响7 1 4 课题研究工作与论文组织结构。9 第二章嵌入式存储器内建自测试及其诊断实现研究1 0 2 1 嵌入式存储器b i s t 技术基本知识1 0 2 1 1 嵌入式存储器测试算法1 0 2 1 2 嵌入式存储器自测试系统基本结构1 l 2 1 3 嵌入式存储器常见故障模型1 1 2 2 测试算法及其诊断实现1 3 2 2 1m a r c h l 9 n 测试算法一1 3 2 2 2 带诊断支持功能的b i s t 模块1 4 2 2 3 故障诊断与结果分析1 5 2 2 4 故障字典表的实现1 7 2 3 结果与讨论1 8 2 3 1 测试算法及其诊断实现技术指标1 8 2 3 2 实验结果分析1 9 2 4 本章小结2 0 第三章高可靠性b i r a 策略及b i s r 系统设计实现研究2 1 3 1 嵌入式存储器内建自修复技术2 l 3 1 1 嵌入式存储器修复策略2 1 3 1 2 嵌入式存储器自修复系统基本结构2 3 嵌入式存储器内建自测试与内建自修复技术研究 3 2 改进d a 结构体系架构2 4 3 2 1d b l 和d w l 概念及其特点2 4 3 2 2d a 结构及其特点2 5 3 2 3 嵌入式存储器故障分布特点2 6 3 2 4 嵌入式s r a m 体系架构2 6 3 3 内建冗余分析策略。2 7 3 3 1 内建自修复流程2 7 3 3 2 内建冗余分析策略流程。2 8 3 3 3 实例验证2 9 3 3 4 冗余模块修复情况3 1 3 4 实验结果及分析3 2 3 4 1 仿真结果验证。3 2 3 4 2 面积开销及故障修复率计算3 2 3 4 3 内建冗余分析部分小结3 3 3 5 内建自修复设计实现及其仿真结果分析：3 4 3 5 1 内建自修复系统各信号的含义3 5 3 5 2b i s r 系统运行步骤与仿真结果分析。3 5 3 6 本章小结4 l 第四章总结与展望4 2 4 1 研究工作总结4 2 4 2 下一步工作建议4 2 参考文献4 4 致谢4 8 在学期间发表的学术论文。4 9 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图1 1 电路测试分析过程1 图1 2 存储器修复类型4 图1 3s o c 成品率优化流程7 图1 4 存储器在s o c 中的比重7 图1 5s o c 成品率提高与存储器修复的关系8 图2 1 存储器内建自测试基本结构图1 1 图2 2 内建自测试和静态存储器连接结构图。1 4 图2 3 故障比较器延时一个时钟周期结构图1 5 图2 4m a r c h l 9 n 算法状态转移图1 6 图2 5 仿真时序图。1 7 图3 1 冗余行修复与冗余列修复策略结构图一2 2 图3 2 冗余整行和整列修复策略结构图2 2 图3 3 冗余块的修复策略图。2 3 图3 4 存储器自修复系统结构图。2 4 图3 5d b l 结构图2 4 图3 6d w l 结构2 5 图3 8d a 结构详细结构图2 6 图3 9s r a m 存储阵列架构2 7 图3 1 0 予字块架构2 7 图3 1 1 内建自修复流程2 8 图3 1 3 冗余行列修复情况3 1 图3 1 4 正常存取地址时序3 2 图3 1 6 冗余行测试数据输出结果图3 6 图3 1 7 数据比较和规整后冗余列输出结果3 6 图3 1 8 冗余分析后冗余行故障标志位结果图3 7 图3 1 9 冗余列测试输出数据结果图3 7 图3 2 0 数据比较和规整后冗余列输出结果图3 7 图3 2 1 冗余分析后冗余列故障标志位结果图3 8 图3 2 2 主存储器测试数据输出结果图3 8 嵌入式存储器内建白测试与内建自修复技术研究 图3 2 3 数据比较和规整后主存储器输出结果图3 9 图3 2 4 冗余分析后主存储器故障标志位结果图3 9 图3 2 5 冗余分析后正常存取地址映射情况4 0 图3 2 6 数据存取结果图4 0 ， 一 南京航空航天人学硕十学位论文 表清单 表2 1 故障类型及详细标记1 2 表2 2m a r c h l 9 n 算法故障字典表1 7 表2 3m a r c h 算法测试序列1 8 表2 4m a r c h 算法诊断实现系统各项技术指标1 9 表2 5 几种测试算法故障分辨率、时间复杂度及b i s t 面积开销1 9 表3 1 寄存器和标志位面积开销3 3 表3 2 故障修复率基准表3 3 表3 3 内建自修复系统主要技术指标4 l 嵌入式存储器内建自测试与内建自修复技术研究 x 简称 a t e b i r a b i s r b i s t d a d b l d r d w r l f s m h o i p i t r s r r s r a m s o c v h d l 注释表 英文全称 a u t o m a t i ct e s te q u i p m e r i t b u i l t i nr e d u n d a n c y - a n a l y s i s b u i l t i ns e l f - r e p a i r b u i l t - i ns e l f - t e s t d i v i d e da r r a ys t n j c t t t r e d i v i d e db i t - l i n es t r u c t u r e d i a g n o s t i cr a t i o d i v i d e dw o r d - l i n es t r u c t u r e f i n i t es t a t em a c h i n e h a r d w a r e o v e r h e a d i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y i n t e r n a t i o n a lt e c t l i l o l o g y r o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r s r e p a i rr a t e s t a t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y s y s t e m - o n c h i p v e r yh i g l ls p e e di n t e g r a t e dc i r c u i t h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e 中文全称 自动测试仪 内建冗余分析 内建自修复 内建自测试 行列分块结构 基于列块结构 故障诊断率 基于行块结构 有限状态机 面积开销 知识产权 国际半导体技术发展蓝图 故障修复率 静态随机存取存储器 片上系统 超高速集成电路 硬件描述语言 ， 扮。2 3 4 5 6 7 8 9 m n 屹 b h b 场 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 随着集成电路制造工艺的不断进步，以及基于i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 重用的设计方法革新， s o c ( s y s t e m - o n a - c h i p ) 日益成为i c 设计的主流之一。s o c 芯片通常包含以下模块：c p u 核、嵌 入式存储器、d s p 核、片上总线、各种外设以及a d c d a c 等，有时甚至包括r f 模块，然而 随着s o c 集成度与复杂度的日益提高，s o c 芯片将转变成以嵌入式存储器为主体，s o c 高度的 复杂性必将给测试和修复带来了极大的挑战。 1 1 嵌入式存储器内建自测试与内建自修复概述 1 1 1 嵌入式存储器内建自测试技术 测试技术不仅对集成电路生产很重要，而且对电路的设计也非常关键。测试好坏直接影响 电路系统的性能、稳定性和可靠性。测试的含义是指在研制、生产和使用集成电路时，对其主 要电学特性、功能的一种测量和检验。测试，一方面用来判断产品质量的好坏，合格与否；另 一方面则是要取得一些重要的数据，为改进工艺、设计方法、提高产品质量等服务。 电路设计和制造的正确与否，需要一套规范的描述术语和检查、分析方法，这就是电路测 试研究的主要内容。电路测试的过程为：建立描述电路“好”或“坏”的模型，设计出能检验 电路“好”或“坏”的测试数据，把设计好的数据加到被检验的电路上，观察被检验电路的输 出结果，最后分析与理想的结果是否一致，判断是否有故障。如图1 1 所示为电路产品的测试 分析过程。产品测试采用的模型是故障模型，被测试电路称为被测电路，对被测电路产生测试 数据的方法和过程为测试生成，产生的测试数据称为测试图形，把测试图形施加到被测电路的 过程称为测试施加，测试图形施加后，被测电路的输出称为测试响应，检查电路实际的测试响 应与理想的测试响应是否一致的过程称为测试响应分析。简单地说，测试就是指将一定的激励 信号加载到被测电路的输入引脚，然后输出引脚得到检测到的电路响应，并将检测到的电路响 应与期望的响应相比较以判断电路是否存在故障的过程。 图1 1 电路测试分析过程 嵌入式存储器内建自测试与内建自修复技术研究 嵌入式存储器的测试类型分为：性能测试、特征测试、功能测试和电流测试【1 1 。性能测试 既有直流参数测试和交流参数测试，主要是检查这些参数是否达到设计要求。特征测试则采用 重复的测量序列来对电路进行测试。存储器的功能测试包括测试图形的生成，对自动测试设备 的测试施加和测试结果分析。功能测试可能在集成电路级完成，也可能在存储阵列级和板级完 成。为了加快测试速度，存储器自测试越来越受到重视。电流测试被用来测试随机存取存储器 的故障，然而随着存储器规模的扩大，其测试效果将越来越不理想。 嵌入式存储器的测试最早是通过外部专门的设备完成测试图形施加、测试响应的获取，甚一 至测试分析的过程，这个设备就是自动测试装置( a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ，a t e ) 。由于嵌入式 存储器与外部直接连接的输入输出管脚很少甚至没有，导致可控性和可观性降低，所以对于嵌一 入式存储器来说，传统的存储器测试方法的测试过程长，测试时间复杂度高，故障检测率低。 随着存储器的复杂度和集成度日趋提高，存储器容量不断增加，集成度、速度的快速发展，使 得测试数据变得越米越庞大，传统的测试生成方法难以满足测试要求并且远远超越了a t e 的速 度和处理能力。内建自测试的方法恰恰解决了上述的问题，被广泛应用于集成电路的可测性设 计中，例如逻辑内建自测试、存储器内建自测试等。 将测试图形生成、测试施加、测试分析用硬件电路完成，并把这些电路嵌入到芯片内部， 成为电路设计的一部分，这就是内建自测试( b u i l t i ns e l f - t e s t ，b i s t ) t 2 l 。b i s t 是嵌入式存储器测 试应用最为广泛和成熟的方法，2 0 世纪8 0 年代，b i s t 开始应用于嵌入式存储器当中，早期的 工作主要侧重于测试算法的改进方面及b i s t 测试向量的研究。例如1 9 8 9 年d a v i d 等人提出的 伪随机测试方案【3 】，但这种方法不能检测模式敏感故障，存储器规则的结构特征需要规则的测 试向量。 当前的存储器b i s t 主要采用确定性测试向量，如m a r c h 钡t j 试方法中使用规则测试向量。有限 状态机和微代码是产生确定性测试向量的两项重要技术，但是有限状态机只能产生预先确定的 测试向量，使可编程有限状态机的灵活性也受到一定的限制，修改测试向量就需要重新设计 b i s t 电路。微代码b i s t 是一种可编程b i s t ，可以容易地修改测试向量，但是相对于有限状态机， 它的面积开销较大。本文采用有限状态机的方法产生测试向量以减少b i s t 的面积开销。 1 1 2 嵌入式存储器内建自修复技术 r 1 1 2 1 容错与避错技术原理 妒 提高数字系统可靠性有两条途径：避错和容错【4 1 。避错技术就是通过采用正确的设计和质 量控制方法尽量避免把故障引入系统，试图构造出一个不包含故障的系统，但这往往无法实现， 一旦系统发生故障，则需通过容错技术消除故障的影响。 容错是故障容忍的简称。它是指当出现某些硬件故障或软件错误时，系统仍能执行规定的 2 南京航空航天大学硕十学位论文 功能，并且执行结果也不包含系统中故障所引起的差错5 1 ，即屏蔽故障的影响。容错的基本思 想是在系统体系结构上精心设计，利用附加资源的冗余技术以达到掩蔽故障、维持系统继续正 常运行的目的。 根据研究内容，容错技术分为硬件容错技术和软件容错技术两类。硬件容错技术的目的是 屏蔽硬件故障，确保系统硬件发生故障情况下也能继续正常运行。软件容错的目的是屏蔽软件 故障，恢复因为软件错误而影响运行进程。尽管软件容错技术对于瞬时干扰引起的硬件故障也 能起到一定的屏蔽作用，但是它与专门以软件手段实现的容错方法并不相同。 本文研究的嵌入式存储器自修复属于硬件容错技术的范畴。 ( 1 ) 硬件容错技术的研究内容 硬件容错技术的研究内容包括故障测试及诊断技术、冗余技术和系统重组及恢复技术这三 个方面吲【6 1 。 1 ) 故障测试的目的是告知系统是否发生了故障。故障诊断则是在故障测试的基础上进一步 告知系统中哪里发生了故障，实现故障定位。故障测试和诊断是实现容错的基础。 2 ) 冗余技术是以增加冗余资源为代价来换取可靠性，是系统在发生故障时仍能维持正常功 能的基本方法。根据冗余资源的不同，通常有硬件冗余、软件冗余、信息冗余、时间冗余之分。 3 ) 重组是指在测试、诊断出故障后，用备用模块替换失效模块，或者切除失效模块，改变 拓扑结构，实现系统各部分的重新组合。恢复是指在重组后，使系统操作回到故障测试点或初 始状态重新开始。 ( 2 ) 硬件容错技术的分类 根据对故障处理的方式不同，硬件容错技术可分为故障测试与诊断、故障屏蔽和动态冗余 三类【5 1 。 故障测试与诊断不提供对故障的容忍，仅发出故障告警或提供故障定位功能；故障屏蔽( 也 叫静态冗余) 采用一定数量的冗余资源，在故障影响到模块输出端以前，通过隔离或校正来消除 其影响，能容忍故障但不给出故障警告，当冗余耗尽时系统才会产生错误输出；动态冗余是最 复杂的一类容错技术，通过故障测试、故障定位及系统重组与恢复实现容错。故障屏蔽和动态 冗余都是建立在基于冗余技术的基础上的。另外，实现在线故障诊断的系统也存在某种形式的 冗余。 嵌入式存储器的自修复技术依靠故障诊断机制和重构机制进行容错，存储器容错方法属于 动态冗余。 1 1 2 2 嵌入式存储器修复类型 早期的嵌入式存储器具有自测试功能但不具备自修复能力。最早在1 9 6 4 年，就有人发表了 3 嵌入式存储器内建自测试与内建自修复技术研究 有关半导体存储芯片的冗余电路的论文m 。所谓的存储器修复技术就是采用一定的算法找到故 障单元的位置，并用冗余的单元替换故障单元。嵌入式存储器的修复方法可以使用外部测试仪、 修复仪，即用激光和熔丝等对其进行修复刚9 1 ，还可以采用内建自修复技术1 0 1 。 存储器修复所依赖的因素有多种，因此可以依据不同的因素划分修复类型f 1 。按照修复方 式划分可以分为硬修复、软修复、联合修复和累积修复，如图1 2 所示。 ， 图1 2 存储器修复类型 硬修复需要有永久的存储结构来存储修复信息，即使是断电以后信息也不会丢失。这种修 复在每次上电的时候不需要再测试和地址数据重构。 软修复在每次上电的时候如果测试到失效就会发出修复信号，但这种方法不能把所有类型 的故障都测试出来，尤其是特殊条件下( 例如高电压、高温度或者是老化环境) 的测试。如果想 获得更好的修复效率可以和硬修复相结合。软修复是可以在不同时间测试到不同故障的在线修 复方式。 联合修复是结合软硬修复的最佳方式。在封装之前进行硬修复，软修复则既可以随后进行 也可以封装后在线进行。 累积修复使用可编程的非易失性熔丝盒来存储修复数据，每次修复时采用前次的修复结果 作为此次测试修复周期的开始，这种全面修复是一次性修复无法完成的，其修复率最高。 也可以按照修复的对象把修复类型划分为面向字的修复和面向位的修复。面向字的修复一 般是利用冗余行修复，面向位的修复即可以用冗余行也可以用冗余列，还可以根据嵌入式存储 器的类型划分为针对随机存取存储器的修复、针对只读存储器的修复和针对闪存的修复等。 1 2 国内外研究现状及存在的技术难点 一 1 2 1 国内外研究概况 国外对存储器测试和修复技术的研究起步比国内早，研究的也比较深入。但近年来，国内 各大高校和研究机构对其相关技术的研究也越来越重视。目前定期举办的主要国际会议有：超 大规模集成电路测试国际会议( v l s it e s ts y m p o s i u m ，v t s ) 、国际测试会议( i n t e m a t i o n a lt e s t c o n f e r e n c e ，i t c ) 、超大规模集成电路的设计、自动化和测试国际会议( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo n v l s i d e s i g n ，a u t o m a t i o na n d t e s t ，v l s i d a t ) 等，吸引了很多研究有关存储器测试和修复技术的 4 南京航空航天大学硕士学位论文 个人和机构进行技术交流，极大地促进了存储器测试和修复技术研究的发展和进步。下面是近 年来有关存储器测试和修复技术的重要国内外研究单位及其主要成果： ( 1 ) 代夫特技术大学信息技术系和系统计算机工程实验室。它对存储器的故障模型和测试方 法有比较深入的研究。1 9 9 8 年建立了一整套双端口存储器的故障模型并总结了采用m a r c h 算法 对其测试的各种条件1