芯片片上SRAM存储概略及生成使用实践（中）

在上一篇中，一起了解了片上SRAM的基本构造和结构，在本篇中，通过一些具体的Memory Compiler，一起深入的了解SRAM的具体特点和不同构成，闲话少说，Let’s go！
在这里插入图片描述
对于设计一个SRAM，除过最基本的核心部件（memory array ）意外，在对SRAM进行的构件中还有多个部件需要添加，有了这些必要的封装，SRAM才可以提供一个友好的使用环境，提供给用户使用。

两种结构：Register File vs. memory array

常规的时序逻辑确实也具备了memory的存储方法，如果使用一种特殊的布局方式，可以模拟类似于register的高速的pipe级别的访问，同一个周期可以完成两次读和一次写操作（这里需要内部的读写冲突控制，产生先读后写操作）
在这里插入图片描述

这样的结构体和通常的memory array的bit cell结构体略有不同，带来的好处是在bitline的cap值和同样大小的memory array会有减小，可以有效降低访问memory cell时间，提升memory 速度。但是相应的当RF的容量逐步扩大，这种通过结构体降低cap的方法，会变得越来越不明显，所以RF的速度优势只限制在小容量的memory 上。
在近现代的工艺上（60nm 以及以下），RF也是使用bitcell进行构建，所以从bitcell上来看，RF和常规的memory array的基础期间是一样大的，这个从T家的SRAM 文档中可已看出来。
在这里插入图片描述

SRAM的结构框图

一个可操作控制的SRAM通常具有丰富的接口控制，这里呈现出一个简单T家的SRAM框图
在这里插入图片描述

可以看到这里的接口控制管脚，远远多于简单的memory array的控制需求，具体每一个管脚的配置用途详见下表

管脚	方向	描述	分类
VDD	输入	外围控制器件供电	电源地
VDDM	输入	memory array供电	电源地
VSS	输入	memory array和外围器件接地	电源地
A[*]	输入	地址输入	功能
D[*]	输入	数据输入	功能
BWEB[*]	输入	位写控制	功能
CEB	输入	片选	功能
WEB	输入	写控制	功能
REDENIO	输入	列修复冗余控制	功能
Q[*]	输出	memory array 数据输出	功能
FADIO[*]	输入	失效位地址控制	BIST测试
DM[*]	输入	BIST数据输入	BIST测试
AM[*]	输入	BIST地址输入	BIST测试
BWEBM[*]	输入	BIST位写控制	BIST测试
CEBM	输入	BIST片选	BIST测试
WEBM	输入	BIST写控制	BIST测试
BIST	输入	BIST控制	BIST测试
DSLP	输入	deep sleep模式：memory array访问禁止，但是memory数据会被保存	低功耗控制
SD	输入	shut down：关断全部memory array和绝大部分外设逻辑	低功耗控制
PUDELAY_SD	输出	shutdown 输出标记，用于指引低功耗策略	低功耗
PUDELAY_DSLP	输出	deepsleep 输出标记，用于指引低功耗策略	低功耗
DSLPLV	输入	deepsleep模式下retention diode的bypass控制	低功耗
TSEL pin : WTSEL[]/RTSEL[]	输入	时序微调	测试
TSEL pin : WTSEL[]/RTSEL[]	输入	时序微调	测试
TSEL pin : WASEN	输入	写辅助使能	测试
TSEL pin : WASSEL[*]	输入	写辅助微调	测试

除去常见的地址、数据、读写等功能类别，还可以根据场景分为以下几类

电源地：毋庸置疑的必选项，但是由于通常的memory cell都很大，通常都在100um * 100um的区域范围，所以电源的连接要比这的两三句描述更为复杂。主要是供电需求。此外VDDM和VDD 也无需完全一样，可以分布来自不同的power source，这样可以构建dual rail的memory，提供更多的低功耗控制可能。
可以看到memory的PG pin 非常密集，主要分布早中间部分，这也是功耗大户memory array分布集中的地方
BIST测试： Built-in self-test,，顾名思义，这个是对memory 的物理存储特性进行的自测和错误标记，在遇到错误数据的时候，可以使用内部bypass/mux的方式，将正确地数据读取、写入到其他的地方。这里的BIST是给memory使用，通常也叫做MBIST。所有和BIST测试相关的管脚，都是可以MBIST逻辑，对memory进行强制管控。
测试：TSEL pin主要用于良率微调的时候进行使用，在每一批wafer回片以后，进行机台测试，对于不同批次的产品可能在性能上会有些许不同，通过测试项目提取出来合理的调整值，储存到芯片的efuse之中，在芯片上电后，efuse的内容可以被相应逻辑读取并对memory 进行微操作，确保芯片使用正常。PS：这个微调很小，不建议在功能模式下进行调整和使用
低功耗：基于memory的使用场景，memory 可以分为shut-down、deep-sleep和normal模式。譬如本级模块是一个可关断domain，在关断std-cell逻辑之前，需要对于memory的SD/DSLP进行拉高（使能），让memory进入到不同的工作模式以节省功耗。PS：如果在DSLP模式下，VDDM掉电，memory的内容会丢失

在这里插入图片描述

SRAM 冗余修复（redundancy repair）

在正常的SARM上，可能会有一定的bitcell的失效比率，基于不同的情形，可以分为column和row类型的bitcell损坏，譬如下图
在这里插入图片描述
这里的bit_i (第i列)的bitcell有损坏，这个时候，所有写入到bit_i的数据依次右移，直至bit_n-1移动到redun_1列，这个时候，可以通过redun_1避免整块memory的失效。
对应的，row and column redundancy 可以使用下图进行描述，
在这里插入图片描述

MBIST

MBIST是使用BIST逻辑对memory进行测试的一种方式，可以定位出SRAM的坏点，并且通过调用column/row的redundancy来进行修复（通常也称为MBISR：SRAM自修复功能）。MBIST的测试方法高效，和带有redundancy bit的memory联动使用可以有效提升芯片的良率。基本原理图如下
在这里插入图片描述
step_1: 在ATE测试环境下，使用MBIST逻辑对SRAM的每个bit进行测试
step_2: 发现问题进行上报，同时对问题进行归类（可修复，不可修复，是否可修复通常是根据错误数量和redundancy bit位来决断）
step_3：如果可修复，在ATE模式下，通过利用redundancy bit，对memory 进行修复，如果此时MBIST的测试可以通过，则相关信息烧录进在EFUSE里边。
step_4：进入用户模式，芯片启动，从EFUSE里边读取对应的出错的memory ID以及修复的方式。在使用SRAM的时候，FADIO[*] 输入控制会被钳位到对应的位置，确保SRAM使用中可以正确无误。

对于大部分的memory，其实都提供了MBIST的通路，如下图所示：
在这里插入图片描述
但是，考虑到后端实现的便利性，通常不会这么应用，在使用的时候，并不去产生MBIST pin，或者直接tie0掉。简单连接方法如下：

DFT可测性

由于SRAM的由外围逻辑和memory array构成。这里的外围逻辑本质上就是一些std-cell搭建的译码逻辑。从数字电路的角度来看，也是会有生成风险的可能，所以，使用scan-chain的DFT策略，可以很好的对这部分逻辑进行可测性分析。

在这里插入图片描述
当SRAM处于，DFT管控模式的时候，测试步骤如下
step1：使用shift mode，将memory 的输入端口信号配置成指定值
step2：使用capture mode，将这些端口信号捕捉到SRAM里内建得scan-FF 中
step3：再次使用shift mode，此时memory array处于bypass 模式下，scan-FF得值被依次shift out
step4：在SOC等DFT 输出管脚观察结果，和step1得输入信息进行比对，完成对SRAM 外围逻辑得DFT测试

本章词汇

词汇	解释
MBIST	存储器内建自测（Memory Built-In Self Test)
MBISR	存储器内建自修复（Memory Built-In Self-Repair）
Column Redundancy	SRAM 列冗余
Row Redundancy	SRAM 行冗余
DFT	Design For Test
ATE	集成电路自动测试（Automatic Test Equipment）

【敲黑板划重点】

在这里插入图片描述
SRAM是由数字逻辑电路（外围电路）和存储单元（memory array）组成，所以会呈现出数字电路的特性（multi-VT legalize ，扫描链等）和存储单元的特点（MBIST）

参考资料

TSMC TSMC N7 SRAM Compiler Databook
TSMC TSMC N7 Design Rule