FLASH芯片壽命試驗設(shè)計及測試方法

摘 要衛(wèi)星數(shù)傳綜合處理器采用了NAND FLASH芯片作為主要的存儲介質(zhì)。芯片資料顯示，F(xiàn)LASH芯片具有十萬次擦寫壽命。隨著芯片的使用老化，其壞區(qū)將逐漸增加。但在實際使用中，F(xiàn)LASH芯片的壞區(qū)增長與擦寫次數(shù)為怎樣的關(guān)系，目前尚未有實際實物參照數(shù)據(jù)。通過FLASH芯片壽命試驗，在地面模擬FLASH芯片在空間連續(xù)加電并多次擦除、寫和讀操作，經(jīng)過10萬次擦除試驗后芯片壞區(qū)并未增加，總壞區(qū)比例不超過廠家指標(biāo)值。

【關(guān)鍵詞】FLASH 壞區(qū) 壽命

1 引言

衛(wèi)星數(shù)傳綜合處理器采用大容量NAND FLASH芯片作為主要存儲介質(zhì)，NAND FLASH芯片出廠時便存在壞區(qū)，因此單機(jī)的存儲容量設(shè)計時留有一定的容量備份以補(bǔ)充因壞區(qū)造成的容量損失。FLASH的壞區(qū)數(shù)在使用過程中會增加，但產(chǎn)生的壞區(qū)數(shù)與擦除/編程次數(shù)的變化曲線目前還未知。根據(jù)廠家提供的資料表明，10萬次擦除壽命末期單片的某一層壞區(qū)累計不到容量的2%，但缺乏廠家準(zhǔn)確的測試曲線，尚無法判斷存儲芯片在壽命末期的壞區(qū)情況。

壽命試驗主要是摸底擦除次數(shù)增加與壞區(qū)的變化趨勢，依據(jù)該試驗數(shù)據(jù)再對數(shù)傳綜合處理器壽命末期的存儲容量做準(zhǔn)確計算；同時單機(jī)在設(shè)計時留有了足夠的存儲空間余量，以確保衛(wèi)星壽命末期的任務(wù)完成。

2 FLASH芯片出廠測試

壽命試驗使用的芯片為64G FLASH芯片，該芯片由8片8Gb NAND FLASH芯片疊裝組成，每個芯片包含4096塊，每塊包含64頁，每頁包含4K字節(jié)的存貯片。FLASH芯片出廠前，生產(chǎn)廠家做的電性能測試僅針對芯片每個層的0#區(qū)塊。在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)有FLASH芯片奇數(shù)塊出錯現(xiàn)象，考慮到存儲芯片在裝配完后拆裝返修非常困難，因此在裝配前需要對存儲芯片所有區(qū)塊進(jìn)行測試，確保單機(jī)后續(xù)階段不會因為存儲芯片本身的問題而影響進(jìn)度。

3 壽命試驗設(shè)計

根據(jù)FLASH芯片的工作原理，擦除操作可以檢測壞塊的增長情況，寫操作可以檢測壞頁的增長情況，通過這兩個操作可以考核芯片長時間的加電工作后性能是否會下降（監(jiān)視不同模式下的電流是否增加、擦除時間是否會超時以及編程時間是否延長），芯片的壞區(qū)是否會增加。FLASH芯片壽命試驗具體包括以下三方面內(nèi)容：

（1）選用的FLASH芯片在產(chǎn)品壽命末期是否能夠滿足總體指標(biāo)要求；

（2）FLASH芯片的擦除次數(shù)，以及擦除操作過程中，壞區(qū)是否增長，增長的趨勢如何；

（3）針對FLASH芯片奇數(shù)塊出錯現(xiàn)象，試驗驗證平臺應(yīng)同時測試多個芯片，剔除次品。

壽命試驗驗證平臺設(shè)計如圖1所示。

驗證板上使用兩塊XILINX公司的FPGA XCV600-4CB228（為滿足高低溫實驗考慮溫度范圍，選用工業(yè)級器件），一塊FPGA控制三片F(xiàn)LASH，共實現(xiàn)同時測試6塊FLASH芯片，利用FPGA內(nèi)部RAM資源存儲數(shù)據(jù)錯誤地址，所有控制命令通過一個串口發(fā)出，F(xiàn)LASH狀態(tài)也通過串口傳出。

驗證板通過定制的朝陽電源供電，該電源有限流、過壓、過載保護(hù)，承受工作環(huán)境溫度為-10℃～+70℃，可保證測試設(shè)備正常工作。所有的操作都可以通過控制計算機(jī)軟件界面發(fā)出指令來完成。軟件由兩個部分組成：控制指令模塊，工作狀態(tài)顯示模塊。

FLASH芯片壽命試驗驗證平臺組成示意圖如圖2所示。試驗設(shè)備包括高低溫箱一個、試驗板1套、穩(wěn)壓電源1套、測試計算機(jī)1臺、測試電纜一套，試驗溫度為45℃。

試驗過程中，串口1實時顯示操作次數(shù)，每次操作時的壞區(qū)總數(shù)，串口2實時顯示擦除和編程超時或反饋出錯的區(qū)塊號，串口3用于下傳所有的壞區(qū)表、接收指令恢復(fù)某一壞區(qū)等需要交互的操作。壽命試驗過程中每隔一定的動作次數(shù)后，需進(jìn)行手動測試，通過串口遙測記錄芯片在不同操作模式下的工作電流、壞區(qū)表、擦除反饋錯誤、擦除超時壞區(qū)、編程反饋錯誤、編程超時壞區(qū)以及誤碼率，并進(jìn)行統(tǒng)計，最后繪成曲線。測試臺需斷電保持芯片擦寫的次數(shù)，并在串口遙測中顯示。

4 主控FPGA操作流程

驗證板上FPGA主要控制FLASH芯片的擦除、寫和讀操作，各操作的流程如下。

4.1 塊擦除流程

塊擦除操作的第一個指令為60H，將其發(fā)送到I/O端口，并控制ALE、CLE、CE#、WE#、RE#信號選擇命令輸入；傳輸3個周期的塊地址信息，在WE#信號的下降沿鎖存地址寄存器；發(fā)送第二個指令D0H到I/O端口，同時控制相應(yīng)的控制信號；讀狀態(tài)寄存器，若IO6為1或者R/B忙信號由低變?yōu)楦弑硎疽呀?jīng)完成擦除操作；判斷IO0，若不為0表示該塊為壞塊。

4.2 寫頁流程

寫頁操作的第一個指令是80H；傳輸5個周期的地址信息；將數(shù)據(jù)通過I/O接口發(fā)送到存儲器的數(shù)據(jù)寄存器中；發(fā)送第二個指令10H到I/O端口；讀狀態(tài)寄存器，若IO6為1或者R/B忙信號由低變?yōu)楦弑硎疽呀?jīng)完成寫頁操作。若寫過程中產(chǎn)生壞塊，一般在寫過程中不更新壞塊表，可根據(jù)讀出數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行地址定位，然后根據(jù)壞塊地址注入指令將壞塊地址寫入壞塊表中，以此更新壞塊表。

4.3 讀頁流程

讀頁操作的第一個指令是00H；傳輸5個周期的地址信息；發(fā)送第二個指令30H到I/O端口；等待R/B忙信號由低變?yōu)楦撸硎敬鎯ζ饕呀?jīng)把目標(biāo)頁中的數(shù)據(jù)全部讀出到其內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器；控制相應(yīng)的控制信號選擇讀數(shù)據(jù)模式，在RE#下降沿將數(shù)據(jù)讀出。

5 等價試驗時間估計

查閱依據(jù)芯片手冊，64G的FLASH芯片理論支持的最高工作時鐘為40MHz，40MHz僅是理論值，工程不可實現(xiàn)。因為時鐘越高，對芯片控制的時序余量越小，設(shè)計難度越大，可靠性越低，因此頻率采用一級降額30MHz作為工作時鐘。因此用30MHz的工作時鐘，周期為33.3ns，先擦后寫。

擦除一次時間：依據(jù)芯片手冊，擦除一塊所需時間擦除需1.5～2ms，芯片共有塊數(shù)4096*8=32768，完成一次擦除操作所需時間32768*2ms=65.536s。

寫一次時間：采用8級流水操作，節(jié)約了芯片寫編程的時間，一次8級流水一頁寫操作需耗時（4096+24）*8*33ns=1088us，寫滿整個芯片共需4096*64*1088us，需耗時285s。

讀一次時間：讀操作讀一頁所需時間（4096+24）*33ns+26us=162us，讀滿整個芯片共需耗時4096*64*8*162us=340s。

根據(jù)FLASH芯片的產(chǎn)品手冊，F(xiàn)LASH芯片的擦除次數(shù)最高不超過10萬次，考慮到試驗的有效性，以及綜合考慮試驗時間和項目進(jìn)展情況，采用擦100次寫100次讀1次模式，完成10萬次的擦除試驗周期為409天。

由于FLASH芯片壞區(qū)增加主要在擦除過程和頁編程過程中產(chǎn)生，又分為擦除后反饋錯誤，擦除超時后判為錯誤、編程反饋錯誤和編程超時后判為錯誤四種情況。因此，試驗中必須對擦除操作和頁寫操作進(jìn)行監(jiān)視，檢測四種情況下的壞區(qū)增長情況，并進(jìn)行統(tǒng)計。

試驗過程必須包含F(xiàn)LASH芯片的擦除和寫操作，考核芯片長時間的加電工作后性能是否下降（監(jiān)視不同模式下的電流是否增加、擦除時間是否會超時和編程時間是否延長），壞區(qū)是否增加。

6 驗證結(jié)果

FLASH芯片壽命試驗總擦除次數(shù)為100000次，試驗開展共409天，試驗結(jié)束后總壞塊數(shù)為36個，并未增加。根據(jù)廠家提供的資料，10萬次擦除壽命末期單片的某一層壞區(qū)累計不到容量的2%，試驗采用的芯片總共4096塊，36個壞塊的比率為0.88%，不超過廠家指標(biāo)值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

楊凌云（1987-），男，江蘇省啟東市人。研究生。硬件工程師。研究方向為空間數(shù)據(jù)處理。

作者單位

上海航天電子技術(shù)研究所 上海市 201109