SDRAM器件单粒子功能中断测试

随着存储技术的不断发展，SDRAM经历了四个发展历程，从SDR SDRAM只使用了单边的时钟进行数据传输（在一个时钟周期内只发送一次命令和数据传输），到DDR SDRAM同时采用了时钟的双边沿进行数据传输（即在时钟的上升沿和下降沿同时进行数据传输），大大地提升了数据的传输速度和稳定性。DDR2 SDRAM也是同时采用双边沿进行数据传输，但是数据传输速率较DDR SDRAM快一倍，而DDR3 SDRAM比DDR2 SDRAM的数据存取速率又快一倍，达到了8 bit。从SDR SDRAM到DDR3 SDRAM，存储器的芯片频率越来越快，给单粒子效应的测试带来一定挑战。本节结合SDRAM单粒子效应的测试试验研究，概要叙述测试的一般原则和技术要求。

我们知道，随着现代电子器件和集成电路技术的不断发展，一个完整的可用SDRAM器件由控制部分和存储器单元两个主要模块组成。控制部分是一个复杂的处理器，其通过标准接口信号逻辑［如DDR3的断截（Stub）串行端接逻辑（SSTL-15）］处理带有差分信号的信息流。为了使SDRAM器件具有一定的存储功能，必须完成器件的初始化过程。首先，启动一系列通电例程，这包括应用时钟信号（大于400 Mbps）；当所有信号和电源信号稳定至少几百微秒时，应用一组可执行命令进行初始化。然后，启动第二组操作和软件调节，包括启用延迟锁相环（DLL），执行加载模式寄存器命令和执行刷新周期过程等。最后，当成功执行这些操作（通电和软件调节）后，则SDRAM器件“工作”为一个功能存储器。也就是说，SDRAM器件正常工作后，我们可以写入数据位，存储并读取它们。如果器件不工作，那么可以周期性通电（“Power Cycle），其相当于按顺序执行加电和软件调节。另外，在某些情况下，单独的软件调节（无须加电）可以有效地恢复器件的全部功能。

在SDRAM器件的单粒子功能中断测试中，首先要根据器件的特性和相关应用要求，设定测试设备硬件的组成部分，诸如常见的电源、数字信号测试与处理设备、DUT板的真空连接所需的接口及测控计算机等；其次是测试软件的设计，如测试算法、数据管理及处理方式；最后是系统的调试运行及优化。在测试硬件组成部分设计中，依据满足器件基本特性测试的要求，进行测试系统的设计和研制，或根据飞行任务“即飞即测”的测试方式，将待测器件DUT引出后进行测试。下面以对SDRAM器件EDS5104和EDS5108的单粒子效应（主要是针对单粒子功能中断）的测试为例进行说明。

图4-41为测试系统组成主要结构示意图，如图所示，测试系统中采用了高精度可控电源对DUT板、模块化数字测试系统板供电，测试板主要实现对SDRAM器件功能和参数测试，如可以基于商业上易于采购的FPGA评估板进行构建设计，其中一台计算机主要实现对程控电源（如HP6629A电源）的监控及对单粒子锁定的测量，另一台计算机主要与模块化数字测试系统板相连，实现对SDRAM器件单粒子效应（SEU、MBU及SEFI）的测量。测试系统中，DUT板必须保证与其他功能部件有足够距离的物理分离，以保证其他部件中的集成电路在重离子照射过程中不会受到影响。

在测试系统DUT板设计中，一般只考虑室温条件下的测试，如果要考虑温度的变化，则需对DUT板进行温度控制设计。在DUT设计中，应依据器件特性和相关应用要求设置相关电参数，如：偏置电压设为3.3 V；基于当前地址解锁采用32 bit的方式，对辐照数据模式进行地址设置；数据刷新速率为16 ms；工作频率为33 MHz；作业占空比约为5%。

图4-41　测试系统组成主要结构示意图

在具体软件测试设计中，主要是对SDRAM器件的数据形态和读写方式采用一定的方式进行测试，具体测试算法可以参照下面几条测试过程的要求进行设计，实现测试过程的数据获取和分析。如针对器件进行单粒子效应敏感性评估时，可以采用以下过程及算法进行数据的获取和收集：

（1）将数据加载到DUT中。

（2）重复读取被测器件。

（3）验证DUT保持有正确数据。

（4）开始照射。

（5）连续重复读取并存储DUT数据图像。

（6）一旦辐照完成，停止供束。

（7）连续回读，直到DUT中出现的错误数目保持不变。(www.xing528.com)

（8）重新写入DUT。

（9）重新读取DUT，以确定写入的数据是否正常。

（10）以其他数据形态的方式重复（8）和（9）。

通常，在SDRAM器件的单粒子功能中断测试中，针对单粒子翻转的测试系统稍加改进就可以实现对单粒子功能中断的测试。如在SDRAM器件EDS5104和EDS5108的单粒子翻转测试中添加一个移位缓冲区，来跟踪最后的N个地址中出现错误的地址数量，并在其中N个地址出现错误时，强制执行对SEFI的恢复；其次附加对出现SEFI的报告算法，以及增加在读取操作期间关闭数据写入的能力等。由于SEFI是基于单粒子翻转来识别的，所以了解算法对非SEFI的单粒子翻转的敏感性尤为重要。在许多情况下，SDRAM单元只在一个方向发生单粒子翻转，但棘手的是，发生翻转的方向并不容易确定，或者需要额外的复杂化设计。单粒子功能中断测试系统应当具有的基本优点是，具有快速识别和检测SEFI的能力，且具有最小的错误检测结果。一般来说，在对一个器件进行单粒子效应敏感性试验测试中，往往难以获得器件完整的功能图，或者应用中并没有使用器件的完整功能。因此，有些设计目标的实际实现程度是未知的，一般为了测试结果的可应用性或为设计师们提供防护设计数据参考，通常需要对测试流程进行说明，针对SDRAM器件的单粒子功能中断测试流程如图4-42所示，测试流程主要是实现对SDRAM器件的读写循环过程。

图4-42　表示测试算法工作的流程图

（该流程图只是一般流程示意，并不代表每一种测试情况。主要测试循环部分包括电流监测、最大传递、测试操作符及允许退出循环的看门狗操作等）

实际上，由单粒子翻转造成的功能中断并不是唯一的单粒子功能中断类型，有关试验测试表明，现代先进电子器件和集成电路（如SDRAM）发生单粒子功能中断时呈现出一种高电流状态，在测试系统设计时应当考虑到这一点。或者在测试系统试验调试中，如果测试过程中观察到这一点，应当对测试系统进行修改完善，因为这些高电流状态的准单粒子功能中断（因为它们并不总是自行恢复）在测试程序没有运行时更容易发生。如果将高电流状态（非单粒子锁定）也归纳为一种单粒子功能中断，则测试系统需实现对这种状态的恢复处理和计数功能。

在单粒子功能中断测试中，在重离子照射时，一般情况下DUT板需要放置于真空室里，所以DUT板设计中必须考虑与数字测试板之间的连接问题。图4-43给出了一个测试设备连接示意图，被测试器件位于测试DUT板上，测试器件的供电采用40针带状电缆通过供电电源（HP6629）提供，通过电源测控计算机，采用标准的电源控制程序对供电电源进行操作、监控和记录。例如，在100 ms的时间内，测控系统可以实现对供电电源（HP6629）的检测和关闭；试验中，首先设定单粒子锁定阈值电流大小，如果试验过程中发现锁定阈值电流大小设置不合理，则应逐渐调节设置合理的锁定阈值电流大小。例如，在SDRAM器件EDS5104和EDS5108的单粒子效应试验中，设定的初始锁定阈值电流大小为50 mA，但由于其他虚假的非单粒子锁定事件的干扰，使测试过程受到影响，最后，经过逐步调节测试及优化，将锁定阈值电流大小设定为500 mA。

图4-43　测试设备连接示意图

测试信号及控制信号由数字测控计算机通过数字PCI输入/输出卡提供，该数字卡也通过40针带状电缆连接到测试器件。所有信号（包括时钟）都是测试计算机所产生。由于数字输入/输出卡的性质，这些信号通常不规则，在某些情况下，信号之间有100 ms的死区时间。考虑到这一点，试验安排中，完全刷新大约需要50 ms的时间，而且仅是基于行地址的刷新方式。对这些信号间隔的粗略研究表明，典型刷新事件不可能超过250 ms。就SDRAM器件EDS5104和EDS5108而言，其特性参数是在70℃时为64 ms。使用每10℃两倍的降额，预计刷新时间为1 s时，能满足室温下正常工作。试验过程中观察到，在250 ms间隔的情况下，器件工作是适应的。

上面针对SDRAM器件EDS5104和EDS5108介绍了测试的基本要求，实际上，在测试现代SDRAM发生的单粒子功能中断时，一个最主要的测试问题是大宽带需求，这种需求是在下载所有详细错误信息（时间、逻辑地址、位号），并在每个读取周期之内对其处理时所必需的。为了获得错误的详细信息和足够的统计信息，在离子照射期间，可以选择执行两组测试运行模式，一种模式是在离子低注量率情况下的运行，这时候允许从测试仪下载所有错误详细信息；另一种模式是高注量率情况下的运行，只允许从测试仪下载错误数目。