Fault models, test algorithms and embedded test techniques for DRAM circuits
Authors: Σφήκας Γεώργιος 
Published: September 2021

Τις τελευταίες δεκαετίες οι ηλεκτρονικές συσκευές έχουν γίνει αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινότητας. Αυτό οφείλεται κυρίως στη ραγδαία πρόοδο της τεχνολογίας κατασκευής Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων (Ο.Κ.), η οποία επιτρέπει τη σμίκρυνση των διαστάσεων των ηλεκτρονικών κυκλωματικών στοιχείων και την ολοκλήρωση όλο και περισσότερων ηλεκτρονικών διατάξεων σε μια μικρή επιφάνεια πυριτίου. Ως άμεσο αποτέλεσμα αυτής της προόδου, τα σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα συνδυάζουν εξαιρετικές επιδόσεις σε υπολογιστική ισχύ και αποθηκευτικό χώρο, φορητότητα και ικανοποιητική αυτονομία, ενώ ταυτόχρονα το χαμηλό κόστος τα κάνει προσιτά σε όλο σχεδόν το αγοραστικό κοινό. Η εξέλιξη της τεχνολογίας κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων υπήρξε σχεδόν σταθερή για αρκετές δεκαετίες. Ταυτόχρονα όμως διάφοροι παράγοντες που δυσχεραίνουν την περεταίρω πρόοδο αυτής της τεχνολογίας κάνουν ολο και περισσότερο αισθητή την παρουσία τους. Ένας από τους βασικότερους παράγοντες είναι η ραγδαία αύξηση της δυσκολίας Ελέγχου Ορθής Λειτουργίας των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Έλεγχος Ορθής Λειτουργίας (Ε.Ο.Λ.) είναι η διαδικασία που πραγματοποιείται στα ολοκληρωμένα κυκλώματα μετά την κατασκευή τους προκειμένου να διαπιστωθεί αν λειτουργούν σωστά και σύμφωνα με τις προδιαγραφές.Οι Δυναμικές Μνήμες Τυχαίας Προσπέλασης (Dynamic Random Access Memories – DRAMs) είναι ανάμεσα στα πιο κρίσιμα μέρη των σύγχρονων ψηφιακών συστημάτων γιατί παίζουν καθοριστικό ρόλο τόσο από πλευράς επιδόσεων όσο και από πλευράς αξιοπιστίας ενός συστήματος. Σε ότι αφορά την αξιοπιστία ενός ψηφιακού συστήματος, η αστοχία της κύριας μνήμης, η οποία είναι σχεδόν πάντα τύπου DRAM, είναι μια από τις συχνότερες αιτίες αστοχίας του συστήματος. Επομένως η αξιοπιστία των μνημών DRAM είναι κρίσιμη. Επιπρόσθετα, όπως συμβαίνει και με τους άλλους τύπους ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, τα προβλήματα αξιοπιστίας των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μνημών DRAM αυξάνονται με ρυθμό ταχύτερο ακόμα και από το ρυθμό που ακολουθεί η εξέλιξη της τεχνολογίας κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Κατά συνέπεια, η ανάγκη για ανάπτυξη νέων αποτελεσματικότερων και πιο αξιόπιστων αλγορίθμων Ε.Ο.Λ. μνημών DRAM είναι επιτακτική.Τα προβλήματα στον ΕΟΛ και στην αξιοπιστία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων οφείλονται κυρίως στη σμίκρυνση των διαστάσεων των στοιχειωδών κυκλωματικών στοιχείων. Στις DRAMs η σμίκρυνση των διαστάσεων των κυττάρων μνήμης, και των μεταξύ τους αποστάσεων επιφέρει ανεπιθύμητες επιδράσεις στη λειτουργία της μνήμης. Μία από τις σημαντικότερες είναι η αυξημένη αλληλεπίδραση μεταξύ γειτονικών κυττάρων μνήμης. Αυτή η αλληλεπίδραση μπορεί να προκαλέσει περίπλοκες εσφαλμένες συμπεριφορές οι οποίες συχνά είναι δύσκολο να εντοπιστούν κατά τη διάρκεια του Ε.Ο.Λ. καθώς πολύ συχνά εκδηλώνονται μόνο κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας (π.χ. όταν τα γειτονικά κύτταρα μνήμης βρίσκονται σε συγκεκριμμένη λογική κατάσταση).Η αλληλεπίδραση μεταξύ των γειτονικών κυττάρων σε DRAMs και τα προβλήματα που δημιουργεί στον Ε.Ο.Λ. προσεγγίζονται σε αυτή τη διατριβή με δύο διαφορετικές μεθοδολογίες. Στην πρώτη ακολουθούμε ένα υπάρχον μοντέλο σφαλμάτων που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ γειτονικών κυττάρων μνήμης, το NPSF. Βασιζόμενοι σε αυτό το μοντέλο αναπτύσσουμε ένα νέο αλγόριθμο Ε.Ο.Λ. ο οποίος επιτυγχάνει μείωση κόστους Ε.Ο.Λ. σε χρόνο εφαρμογής κατά 57.7% σε σχέση με υπάρχοντες αλγορίθμους που καλύπτουν τα ίδια σφάλματα. Ταυτόχρονα προτείνουμε αλγορίθμους που καλύπτουν τις περιπτώσεις όπου τα NPSF σφάλματα συνδυάζονται με την επίδραση της Γραμμής Δεδομένων (Bit-Line influence) και της χωρητικής σύζευξης μεταξύ των Γραμμών Ενεργοποίησης (Word-Line capacitive coupling). Στη δεύτερη μεθοδολογία αναπτύσσουμε ένα νέο μοντέλο σφαλμάτων, το Μοντέλο Σφαλμάτων Διαρροών και Μεταβάσεων Γειτονιάς (Neighborhood Leakage and Transition Fault – NLTF), το οποίο στοχεύει συγκεκριμμένους γνωστούς μηχανισμούς αλληλεπίδρασης. Ο αλγόριθμος Ε.Ο.Λ. που προκύπτει από το νέο μοντέλο μειώνει το κόστος σε χρόνο εφαρμογής κατά 87% σε σχέση με υπάρχοντες αλγορίθμους Ε.Ο.Λ. που καλύπτουν τα ίδια σφάλματα.Άλλη μια δυσκολία στον Ε.Ο.Λ. των DRAM μνημών είναι το γεγονός ότι ακόμα και το πιο απλό κατασκευαστικό ελάττωμα μπορεί να προκαλέσει περίπλοκη εσφαλμένη συμπεριφορά, η οποία συχνά θα είναι δύσκολο να ανιχνευθεί κατά τη διάρκεια των διεργασιών Ε.Ο.Λ. Ο κύριος λόγος που συμβαίνει αυτό είναι ότι οι DRAM μνήμες είναι στην πράξη αναλογικά (και όχι ψηφιακά) ηλεκτρονικά κυκλώματα. Προσομοιώσεις της λειτουργίας μιας DRAM με σφάλμα αντιστατικού ανοιχτοκυκλώματος (resistive open defect) οι οποίες παρουσιάζονται στην παρούσα διατριβή καταδεικνύουν αυτή την περίπλοκη συμπεριφορά. Επιπρόσθετα παρατηρήθηκε και αναλύθηκε για πρώτη φορά ένα νέο φαινόμενο, η συσσώρευση φορτίου (charge accumulation) το οποίο επηρρεάζει σημαντικά τη διαδικασία Ε.Ο.Λ. Βασισμένοι στα ερευνητικά μας αποτελέσματα προτείνουμε ένα νέο χαμηλού κόστους αλγόριθμο Ε.Ο.Λ. ο οποίος παρέχει βελτιωμένη κάλυψη των σφαλμάτων ανοιχτοκύκλωσης. Μιά από τις πιο ελκυστικές λύσεις στον Ε.Ο.Λ. είναι ο ενσωματωμένος αυτοέλεγχος (Built In Self Test – BIST), ο οποίος έχει κερδίσει μεγάλο ενδιαφέρον τις δύο τελευταίες δεκαετίες. Σε αυτή την κατεύθυνση αναπτύξαμε ένα κύκλωμα ενσωματωμένου αυτοελέγχου το οποίο χρησιμοποιεί τον αλγόριθμο Ε.Ο.Λ. του NLTF μοντέλου σφαλμάτων. Η λειτουργικότητα του κυκλώματος επιβεβαιώθηκε μέσω προσομοιώσεων. Αυτή η υλοποίηση του NLTF αλγορίθμου καταδυκνείει πως είναι δυνατό να ενσωματωθούν σε κύκλωμα ενσωματωμένου αυτοελέγχου αποτελεσματικά και με χαμηλό κόστος σε επιφάνεια πυριτίου ακόμα και περίπλοκοι αλγόριθμοι Ε.Ο.Λ.Τέλος, μιά από τις πιο ελκυστικές λύσεις στον Ε.Ο.Λ. είναι ο ενσωματωμένος αυτοέλεγχος (Built In Self Test – BIST), ο οποίος έχει προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον τις δύο τελευταίες δεκαετίες. Σε αυτή την κατεύθυνση αναπτύξαμε ένα κύκλωμα ενσωματωμένου αυτοελέγχου DRAM το οποίο υλοποιεί τον αλγόριθμο Ε.Ο.Λ. για το NLTF μοντέλο σφαλμάτων. Η λειτουργικότητα του κυκλώματος επιβεβαιώθηκε μέσω προσομοιώσεων. Αυτή η υλοποίηση του NLTF αλγορίθμου κατέδειξε πως είναι εφικτό να ενσωματωθούν σε κύκλωμα ενσωματωμένου αυτοελέγχου, αποτελεσματικά και με χαμηλό κόστος σε επιφάνεια πυριτίου, περίπλοκοι αλγόριθμοι Ε.Ο.Λ. για κυκλώματα μνημών DRAM.