【導讀】隨著半導體工藝不斷地進步，那些原本存在芯片中的大型存儲器會轉變成數十或數百個小型的存儲器陣列，并且散布在芯片中各個角落。針對這種類型的小型陣列，如果想要偵測出與速度相關的瑕疵以及固定邏輯(stuck-at)故障，其實并不是一件容易的事。
傳統上，測試數字集成電路可以采用功能性向量，或是由自動測試向量生成(ATPG)工具所產生的向量。此類軟件工具主要為隨機邏輯生成基于掃描的測試向量，對于待測組件(DUT)的存儲器部分，卻無法提供測試方案。得依賴存儲器內建自測試(BIST)的方法來測試寄存器。
尤其是那些采用先進工藝的存儲器陣列，存在著許多難以預測的潛在瑕疵。傳統的存儲器BIST方案會利用March或其它算法重復簡單的測試序列來偵測大部分的寄存器故障。在一種存儲器BIST方法中，DUT中的狀態機自身能產生和分析那些測試存儲器中的每一個地址所需用到的測試向量，免去了外部 ATE機的測試工作。另一種方法，則是讓片上處理器來測試存儲器，其缺點在于通常得等到DUT設計接近完成的時候，才能判斷出這種方法的有效性。
由于會影響芯片的面積與性能，小型存儲器陣列通常并不適合增加存儲器BIST邏輯。那些地址空間很少但端口很多的存儲器尤其不適合BIST。因為相對于陣列大小，存儲器端口數量對BIST控制電路規模的影響更大，所以，可能導致實現BIST控制電路所需的門數甚至會和存儲器本身一樣大。同時，BIST還要求所有存儲器的輸入引腳都有一個多路選擇器來選擇BIST信號與系統信號。對多端口存儲器而言，多路選擇電路會引起布線擁擠，并且導致性能的嚴重下降。
圖1：宏測試采用向量轉換的技術
圖1 宏測試采用向量轉換的技術，在掃描單元與內部宏單元，如嵌入式存儲器陣列之間傳遞測試向量。
嵌入式存儲器測試方案
考慮到BIST對小型存儲器陣列造成的負面影響，一個簡單的選擇便是不去測試 — 但用戶極有可能會收到瑕疵品。或者，在辦公室里花更多的時間，為每一個存儲器陣列，手工生成完成測試算法所需的向量。好在還有一種更有效的選擇 ─ 那就是利用ATPG工具和待測組件的掃描儀單元，在每一個嵌入式存儲器的輸入端生成測試向量，并從輸出端得到響應。這項新技術，有時候被稱為“向量轉換”，或者是“宏測試”(macro testing)(見圖1)。如此一來，工程師便可以運用一組宏向量序列，來測試獨立的嵌入式模塊(也可以稱之為宏)。一些EDA 公司可以提供有此功能的軟件工具。這些工具可以把那些為獨立的嵌入式存儲器(宏模塊) 所設計的宏向量自動轉化成芯片級掃描向量，并把結果傳送到掃描單元，供作驗證之用。
宏測試完成嵌入式模塊所需的測試不需要附加測試邏輯電路。其次，最終的嵌入式存儲器掃描向量還可以像標準的阻塞掃描向量一樣，具有簡單的測試協議，因此能夠減少在產品測試機臺上向量的調試時間。有些公司應用宏測試技術平行測試100多個存儲器。如此一來，宏測試掃描向量也不過是與最長的向量長度相同。這項技術可用于測試任何嵌入式模塊，即便是所謂的“黑盒子”(black box)。只要在模塊的I/O端定義向量，那么這些向量便可以傳遞通過外圍的邏輯電路。
圖2：流水線處理能夠讓連續的讀/寫操作在連續的時鐘周期內完成
圖2 流水線處理能夠讓連續的讀/寫操作在連續的時鐘周期內完成，提供全速存儲器BIST功能。
嵌入式存儲器中的時序故障
如同一般的隨機邏輯，嵌入式存儲器也需要測試靜態故障和“實速”(at-speed)故障。由于存儲器BIST通常在系統時鐘下運行，因此也被稱之為實速存儲器BIST。然而，即使BIST控制邏輯利用系統時鐘來設定測試序列，卻需要數個時序周期去完成單獨的讀/寫操作。因此，實速存儲器BIST電路雖然采用系統時鐘頻率，其實并無法如同芯片在正常模式運作下那樣，執行讀寫周期。運用流水線(pipelining)讀寫操作，則可產生較為有效的測試，稱之為“全速”(full-speed) 存儲器BIST(見圖2)。簡言之，便是在連續的時鐘周期里，執行連續(back-to-back)的讀寫操作，如同在正常系統操作模式下的存儲器一般。
對于大型存儲器而言，測試那些與速度相關的故障時，全速存儲器BIST其實是個不錯的選擇。但是對于小型或時序要求很高的存儲器而言，同樣的測試方法可能會有問題。宏測試工具要把每組功能性向量轉換成掃描向量，所以每組向量的測試速度則必然變慢。不僅如此，有些嵌入式存儲器完全同步，并使用與掃描鏈相同的時鐘信號。當時鐘信號觸發其模塊時，掃描單元上先前的設定值便會被新值所取代。如此一來，便無法傳遞模塊輸出端的期待值。因此，傳統的宏測試方式無法適用于不具有門控時鐘的同步存儲器。
不過，同步宏測試可以解決這個問題。簡言之，便是執行連續的全速測試，而不需要重復載入掃描鏈。同步宏測試會決定掃描單元上用來產生第一個宏向量的值，并載入掃描鏈。同時，也會決定用來產生第二個宏向量的值，并且在掃描單元的輸入端以管道方式傳輸。當掃描鏈被載入時，不同的時鐘信號即可以實速觸發。如此一來，好幾組的全速向量便被傳送到模塊。全速測試可以不受干擾地應用于設計中的幾乎任一模塊。不僅如此，全速測試只用到功能邏輯電路，而非測試邏輯電路，因此，可以執行更接近實際狀況的全速測試。
結語
在實際測試中總是得面臨測試工具的成本，測試開發時間，測試機臺的時間，測試向量的調試時間，以及測試覆蓋率之間的考量與抉擇。宏測試是可以有效地對那些與日俱增的小型嵌入式模塊進行靜態與實速故障測試的工具。它甚至可以應用到較大的存儲器，透過芯片的功能邏輯，自動執行全速測試。
