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基于MAGNUM 2的MRAM测试方法

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【摘要】:
摘要:作为一种非易失性存储器,磁阻随机存储器(MRAM)具有高速读写能力、低能耗、无限的读写次数,使得MRAM的应用越来越广泛。本文简要介绍了MRAM,提出了基于Magnum 2测试系统的MRAM测试方法,对MRAM的直流参数、交流参数以及功能进行了测试,论述了测试的关键技术。

基于MAGNUM 2MRAM测试方法

汤凡,张水苹,占连样,王烈洋

(珠海欧比特宇航科技股份有限公司,珠海 519080)

 

摘要:作为一种非易失性存储器,磁阻随机存储器(MRAM)具有高速读写能力、低能耗、无限的读写次数,使得MRAM的应用越来越广泛。本文简要介绍了MRAM,提出了基于Magnum 2测试系统的MRAM测试方法,对MRAM的直流参数、交流参数以及功能进行了测试,论述了测试的关键技术。

关键词:MRAMMagnum 2测试系统

A Testing Method of MRAM on Magnum 2

Tang fan, Zhang Shuiping, Zhan Lianyang, Wang lieyang

 (Zhuhai Orbita Aerospace Technology Co., Ltd.,Zhuhai 519080,China)

Abstract: As a non-volatile memory, magnetic random access memory (MRAM) supports high speed reading and writing with infinite times and consumes less power. Those excellent properties make MRAM becoming more and more extensive. This paper briefly introduces MRAM and presents a testing mathod of static parameters, dynamic parameters and functions on Magnum 2 testing system. Besides, a key testing technology is discussed.

Keywords: MRAM, Magnum 2 testing system

 

 

1           引言

       上世纪70年代提出了磁阻随机存储器(MRAM)的概念,与硬盘的存储方法相同,利用磁化方向的不同来存储01[1]MRAM的理论基础主要为巨磁阻效应(giant magneto resistive, GMR)和隧穿磁阻效应(tunnel magneto resistance, TMR),GMR是指磁性材料的电阻率在外磁场作用下产生巨大变化的现象[2]

       MRAM集成了当今主流半导体存储器的多种优点,具有非易失性和读写次数不受限制的特点,尤其是抗辐射的特性,在航天领域应用广泛, 它是一款突破性意义的存储器,是最有希望代替传统存储器作为一种通用的单一存储器。

       然而随着存储容量的增加,存储器的测试变得越来复杂,所占的成本也越来越高,研究MRAM存储器的测试方法对MRAM的发展具有重要意义,本文利用Magnum 2测试系统对EVERSPIN公司生产的MR0A08B MRAM存储器的测试进行了的研究,提出了一种相对可靠的测试方法。

2           MagnumII 存储器测试系统[3]

Magnum II存储器测试系统是Teradyne公司生产的存储器专用测试系统,每个Site Assembly Board具有64个独立的测试通道结构,每个测试通道均有独立的时序和电平。Magnum II测试系统有着强大的算法向量生成模块APGAlgorithmic Pattern Generator),最大能够支持24bit行选、24bit列选、36bit数据位宽和18个片选。

3           MR0A08B MRAM存储器结构

        MR0A08B由存储阵列(memory array)、输入输出缓冲器(buffer)、放大器(sense amps)、译码器(decoder)、写驱动器(driver)和控制电路(output enablechip enablewrite enable)组成[4],如图1所示。

       存储阵列由8位的存储单元构成,每个存储单元都有各自唯一的地址,通过地址译码电路选中指定的单元进行操作。存储单元中读取的信号比较弱,因此需要放大器进行放大后再输出。控制电路主要是用来控制存储器的工作状态,比如进行写操作,读操作以及空操作(NOP)。

1 MR0A08B MRAM结构

4           MRAM直流参数测试

       直流参数测试主要包括:开/短路测试(O/S),开/短路测试又称为连通性测试(continuity),通过测试每个引脚内部保护二极管的管压降是否正常来判断引脚的连通性是否正常,一般来说测试时必须先进行连通性测试;输入漏电流(ILIH/ILIL)和输出漏电流(ILOH/ILOL)是在电源电压为0时,输入引脚和输出引脚施加高电平和低电平的电流,该电流表征的是引脚之间的直流阻抗;ICC测试的是芯片工作时消耗的电流,该电流表征的是芯片的功耗;输出高/低电平测试(VOH/VOL)测试的是IO引脚在输出高电平和输出低电平时的电压大小。

5           MRAM交流参数测试

       交流参数表征的是芯片的工作性能,一般用搜索法来测试交流参数,下面以在Magnum 2测试系统上测试tGLQV参数为例来介绍测试机如何进行交流参数的测试,tGLQV是输出使能到输出数据有效的时间,该参数越小则芯片响应速度越快。

       搜索法的具体思路为假设t0时刻输出使能有效,随后在t0+tSTEP进行读数据,如果读取成功,则tGLQV=t0+tSTEP,如果读取失败则在t0+2tSTEP时读取数据,如此循环直到读取成功为止。搜索法比较简单,tSTEP的大小决定了测试的精度,如果tSTEP设置的比较小,那么测试耗用的时间势必较长。

       测试前现将芯片装载到测试夹具上,然后将夹具安装到测试系统的测试板(loadboard)上,见图2Magnum 2的测试软件是在VC下编写的,文件pin_assignments.cpp中定义芯片的各引脚,并定义引脚与Magnum 2系统测试通道的连接关系,这样就实现了芯片与测试系统的连接。在文件voltage.cpp中定义电源电压、输入高低电平的电压值以及IO引脚的负载电流,文件timing.cpp中定义的是各引脚在每个周期(Cycle)中的波形,文件pin_scramble.cpp中定义的是各引脚与向量生成器(APG)的连接关系,以上就完成了交流测试前的配置工作。

2 Magnum 2测试系统

       芯片的功能是通过向量生成器生成的向量(pattern)来实现的,在VC下向量代码如下图3所示。

3 读向量代码

       3中,xaluyalu来用产生行地址和列地址,datgen是用来产生数据,该数据与芯片的IO引脚的数据进行比对,如果相同则测试通过,如果不同则测试失败,chipspinfunc用来定义该cycle 中各引脚的波形,mar用来指示该段代码的功能,在上图中mar的参数为read,说明该段代码是用来读IO数据的。

       4为搜索法的测试代码,该代码中设置测试周期为100ns,搜索步长为0.02/100 ns,搜索范围为25ns~75ns,如果测试通过则停止搜索。搜索法简单方便,是一种常用的交流参数测试方法,如果精度要求不高,则步长可以适当加长以提高测试效率。

4 搜索法代码

6           MRAM功能测试

       存储器的功能算法有多种,如全0、全1、棋盘格、反棋盘格、累加数、march等等,不同的算法检测的故障不同,测试的覆盖性不同,耗用的时间也不同,可以根据测试的目的来选择。

       以棋盘格算法为例对MR0A08B MRAM进行功能测试,表1为棋盘格算法向量表。由表1可知,每个存储单元存储的数据与周围存储单元存储的数据互为反码,因此在读写时,每个周期(cycleIO管脚的数据都改变一次。

1 棋盘格向量

列地址

行地址

0

1

2

27-1

0

0XAA

0X55

0XAA

0X55

1

0X55

0XAA

0X55

0XAA

2

0XAA

0X55

0XAA

0X55

0X55

0XAA

0X55

0XAA

210-1

0XAA

0X55

0XAA

0X55

       存储在进行操作时,应该严格按照时序图来进行,图5MR0A08B 的写时序图,在进行写操作时,片选和写使能引脚应拉低,地址和数据的建立时间与保持时间需满足时序要求,数据在写使能上升沿写入存储单元中。

5 MR0A08B MRAM写时序

写操作的向量代码如图6所示,xaluyalu来用输出行地址和列地址,datgen是用来产生数据,该数据直接输出到存储器的IO管脚,chipspinfunc用来定义周期中各引脚的波形,该波形 满足图5的时序要求。MR0A08B MRAM存储器的列地址有7位,行地址有10位,因此图6中的向量代码需循环2^17次才能满足测试覆盖性的要求。

6 写向量代码

7MR0A08B 的读时序图,在进行读操作时,片选和读使能引脚为低电平,地址需满足时序要求,数据在读使能拉低后,经过tGLQV时间从IO管脚输出。写操作的向量代码见图2,为了满足测试覆盖性读向量代码需循环2^17次。

7 MR0A08B MRAM读时序

7           测试结果

       2所示为MR0A08B MRAM的参数标准以及实测结果,由表2的测试结果可知,在规定的测试条件下实测结果均在标准范围内,证明了测试方法的正确性。

 

2 直流参数和交流参数测试结果

参数

符号

测试条件

最小值

最大值

实测值

单位

连通性

Continuity

VDD=3.6V, I=-100UA

——

——

PASS

——

输入漏电电流

ILIL

VDD=3.6VVIN=0.0V

-1

1

0.017

uA

 

ILIH

VDD=3.6VVIN=3.6V

-1

1

0.034

uA

 

输出漏电电流

ILOL

VDD=3.6VVOUT=0.0V

-1

1

0.015

uA

 

ILOH

VDD=3.6V

VOUT =3.6V

-1

1

0.039

uA

 

休眠电流(AC

ISB1

VDD=3.6V#E = VIH

——

7

5.743

mA

 

休眠电流(CMOS

ISB2

#E≥VDD-0.2V

VDD=3.6V

——

6

4.674

mA

读模式动态电流

IDDR

IOUT=0mA, VDD =3.6V

Cycle=35ns

——

30

25.855

mA

写模式动态电流

IDDW

VDD =3.6V

Cycle=35ns

——

70

33.531

mA

输出低电平

VOL

IOL= +4mA

——

0.4

0.210

V

 

输出高电平

VOH

IOL= -4mA

2.4

——

2.712

V

 

地址有效到数据有效

时间

tAVQV

VDD=3.3V

VIL=0.4V,VIH=2.4V

VOL=1.4V,VOH=1.4V

IOL= 4mA,

IOH= 4mA

——

35

28.95

ns

片选使能到数据有效

时间

tELQV

——

35

10.52

ns

 

输出使能到输出数据有效时间

tGLQV

——

15

7.20

ns

 

功能测试

Function

VDD=3.0V

——

——

PASS

——

 

 

8           结论

       本文介绍了Magnum 2测试系统和MR0A08B MRAM存储器,提出了一种测试MR0A08B MRAM存储器的测试方法以及测试代码的编写,并对该存储器的连通性、直流参数、交流参数和功能进行了实测,验证了测试正确性。

参考文献:

[1] Hiromitsu Kimura, Kostas Pagimtzis, Ali Sheikholeslami. A Study of Multiple-Valued Magnetoresistive RAM(MRAM) Using Binary MTJ Devices[J]. Proceedings of the 34th International Symposium on Multiple-Valued Logic, 2004

[2] 胡迪青,管希东,吴非,朱铭,基于FPGAMRAM特性测试系统,计算机研究与发展,52(Suppl.): 103-110, 2015

[3] NEXTEST, Magnum 2 Test System PV Maintenance Manual

[4] Everspin Technologies, MR0A08B datasheet, REV. 2, 6/2009

 

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