叢紅艷，閆　華，胡　凱，張艷飛

（無錫中微億芯有限公司，江蘇無錫214072）

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一種基于Scanchain的Block RAM的MBIST設(shè)計方法

叢紅艷，閆華，胡凱，張艷飛

（無錫中微億芯有限公司，江蘇無錫214072）

摘要：基于March C+算法，設(shè)計了一種基于Scan chain的Block RAM為測試對象的串/并行BIST電路。在電路內(nèi)部自身生成測試向量，不需要外部施加激勵，并依靠自身決定得到測試結(jié)果是否正確。該電路既可以有效對Block RAM進行準確校驗和故障定位，又不會因BIST測試增加PAD的數(shù)量。最后，對設(shè)計方法結(jié)果進行了仿真驗證。

關(guān)鍵字：MarchC+算法；BIST電路；故障定位

1　引言

FPGA電路測試中，測試激勵的多種測試方法都有一定局限性，不能找出所有的故障，而且隨著設(shè)計規(guī)模和設(shè)計難度的增加，F(xiàn)PGA電路中Block RAM （BRAM）模塊在其中所占面積的比例也越來越大，使得FPGA可以存儲越來越復雜的程序和數(shù)據(jù)，這種趨勢不但增加軟硬件協(xié)同設(shè)計的難度，在芯片的成品率控制和故障檢測方面也引發(fā)了新的技術(shù)難題。因此，本文采用了一種基于Scan chain的內(nèi)建自測試Memory bist測試方法，完成對BRAM模塊故障的檢測和定位。雖然Memory bist電路會占用芯片面積，但是可以有效縮短測試時間，在BRAM模塊測試中起著很大的作用。

2 MBIST算法

目前，MBIST算法主要有5種，分別是MATS算法、MATS+算法、March B算法、March C算法、March C+算法。一般來說，沒有一種算法是限于一種特定結(jié)構(gòu)的，然而不同的算法卻限定了不同的故障類型[1]。一方面，面向圖形敏感故障而進行的周圍數(shù)據(jù)擾亂和API測試，這些算法對實際故障覆蓋率較低，而且測試時間很長。另一方面，面向耦合故障的算法可以提供出色的物理缺陷和實際故障覆蓋率且耗時短，因此耦合故障是一種很好的故障模型。選擇好故障模型,究竟采取哪種測試算法最能有效地檢測出Block RAM中的故障，需要對上述5種算法的故障覆蓋率做一個分析研究，如圖1所示。

圖1　各種算法的故障覆蓋率

從圖1可以看出，March C+算法故障覆蓋率最高，是一種很好的存儲器測試算法，因此根據(jù)Block RAM結(jié)構(gòu)的故障類型來確定采用March C+算法。

采用基于March C+算法把整個測試分成6個階段[2]：

（1）按照存儲器地址升序?qū)Υ鎯ζ髅總€地址位的存儲空間寫0操作；

（2）按照存儲器地址升序?qū)Υ鎯ζ髅總€地址位的存儲空間讀0寫1讀1操作；

（3）按照存儲地址升序?qū)Υ鎯ζ髅總€地址位的存儲空間讀1寫0讀0操作；

（4）按照存儲器地址降序?qū)Υ鎯ζ髅總€地址位的存儲空間讀0寫1讀1操作；

（5）按照存儲器地址降序?qū)Υ鎯ζ髅總€地址位的存儲空間讀1寫0讀0操作；

（6）按照存儲器地址降序?qū)Υ鎯ζ髅總€地址位的存儲空間讀0操作。

即可表示為：

（1）（寫0）↑；

（2）（讀0寫1讀1）↑；

（3）（讀1寫0讀0）↑；

（4）（讀0寫1讀1）↓；

（5）（讀1寫0讀0）↓；

（6）（讀0）↓。

由此可見，March C+算法是改進的March C算法，是對存儲器單元按照地址升序或降序逐個向存儲單元寫入測試向量，同時將響應(yīng)讀出，這個算法的故障覆蓋率高達95％，可以包括固定故障[3]、狀態(tài)轉(zhuǎn)換故障、尋址故障以及耦合故障[4]等。

3 MBIST設(shè)計與實現(xiàn)

18 kbit真雙口BRAM采用基于SMIC 40 nm工藝的Artisan Memory Compiler軟件編譯產(chǎn)生。由Artisan Memory Compiler產(chǎn)生的1 k×18 bit的Memory稱作BRAM18K，BRAM18K的Basic pins作為用戶實現(xiàn)BRAM邏輯功能的pins腳，BRAM18K的BIST Multiplexor pins與Mbist模塊連接關(guān)系如圖2所示。

圖2　Mbist模塊與BRAM 1k×18模塊端口對應(yīng)關(guān)系

在整個Mbist模塊電路中有4個外部輸入信號。分別是b_te，b_rst_n，b_clk，ram_read_out[17:0]信號，其中b_te為Mbist測試使能信號，高電平有效，表示電路進入測試模式。b_rst_n為Mbist復位信號，低電平有效。輸出信號為b_done，b_fail，b_done=1，表示測試已經(jīng)完畢，b_fail=1表示發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤，整個電路停止工作，b_fail=0表示芯片測試無錯誤。

本設(shè)計中BRAM以36 kb為基本單元共用一個bist，144 kb串/并行測試，Bram1k×36支持A port bist功能，其簡化關(guān)系如圖3所示。

圖3　Mbist模塊與BRAM 1k×36模塊簡化對應(yīng)關(guān)系

其中MBIST模塊的test_ctrl_in信號來自Scan chain信號，各個Scan chain信號既可以串聯(lián)成一個Scan chain，也可以并聯(lián)起來，其串或并行測試的機理圖如圖4所示。

圖4　Scan chain控制MBIST結(jié)構(gòu)圖

首先在Bbist_shift信號有效、Bbist_scanclk上升沿的條件下，數(shù)據(jù)由Bbist_tdi輸入到Mbist使能模塊中，產(chǎn)生Mbist測試使能信號Mbist_en，Mbist復位信號Mbist_rst，Mbist時鐘信號Mbist_clk，控制一部分的Mbist工作，測試完成后結(jié)果由Bbist_tdo輸出。本設(shè)計中BRAM以36 kb為基本單元共用一個bist，u0模塊的輸出信號bbist_tdo連接到u1模塊的輸入信號bbist_tdi，u1模塊的輸出信號bbist_tdo連接到u2模塊的輸入信號bbist_tdi，u3模塊的輸出信號bbist_tdo作為測試完成后的輸出結(jié)果，最終可實現(xiàn)4個36 kb BRAM同時并行或串行測試。測試過程中，等待bist_done_u（0，1，2，3）=1信號時，bbist_shift信號拉低，如果bist_fail_u（0，1，2，3）=0，輸出Test_pass_u（0，1，2，3）表示芯片測試無錯誤；否則，Test_fail_u(0，1，2，3)表示芯片測試發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤。整個Memory BIST結(jié)構(gòu)簡單清楚，使用方便。

4　仿真驗證

采用基于verilog行為級描述的RTL代碼Bist_dp_Bram_1kX36.v，建立整個仿真驗證環(huán)境，利用Cadence公司仿真工具NC進行設(shè)計仿真驗證。其中圖5為March C+算法，圖6為Block RAM的MBIST設(shè)計結(jié)果。

從圖5的仿真結(jié)果可以看出，March C+算法根據(jù)存儲器的故障類型來確定算法，data_test [35:0]、ram_read_out[35:0]交替進行寫0、寫1、讀0、讀1操作。

圖5　March C+算法

從圖6的仿真結(jié)果可以看出，測試信號b_done=1表示測試結(jié)束，b_fail=0表示BRAM沒有故障存在，整個設(shè)計是正確的。

圖6　Block RAM的MBIST設(shè)計結(jié)果

5　小結(jié)

本文采用March C+算法應(yīng)用于MBIST可以對雙端口BRAM進行串或并行測試，且檢測的速度很快，該BIST結(jié)構(gòu)簡單易用，不需要外部施加激勵，并向系統(tǒng)返回測試結(jié)果，增加了整個測試的靈活性，能夠滿足大規(guī)模FPGA電路BRAM的測試需要，實現(xiàn)對BRAM的準確檢測和故障定位，并且DC綜合面積是36 kB BRAM面積的1％，并不影響整個芯片的面積，從而達到了預想的結(jié)果。

參考文獻：

[1]申志飛，梅春雷.基于March C+改進算法的Mbist設(shè)計[D].合肥工業(yè)大學，2011.

[2]殷景華.基于March C+算法的存儲器內(nèi)建自測設(shè)計與仿真[D].哈爾濱理工大學，2009.

[3] PRINCE B. Semiconductor memories [M]. New York: John Wilry,1991.

[4] VAND G. Using march test to test SRAM [J]. IEEE Design &Test ,1993,10(1):8-14.

叢紅艷（1983—），女，山東威海人，碩士，工程師，研究方向為千萬門級FPGA設(shè)計與驗證。

A Design of MBIST Based on Scan Chain Block RAM

CONG Hongyan, YAN Hua, HU Kai, ZHANG Yanfei
（East Technologies, Inc, Wuxi 214072, China）

Abstract：In the paper, the algorithm based on March C+ designing a serial/parallel BIST of Based onScan chain dual port Block RAM. The cirtuit generate the test vector, not require an external stimulus, and rely on their own decisions and get the test result is correct, the circuit notonly can be effective for BRAM accurately check and fault location, but also cannot increase the number of PAD. Finally, the paper show the system simulation.

Keywords:the algorithm based on March C+; BIST cirtuit; fault local

作者簡介：

收稿日期：2016-1-28

中圖分類號：TN402

文獻標識碼：A

文章編號：1681-1070（2016）04-0021-03