航空用存儲(chǔ)器應(yīng)用驗(yàn)證方法研究

任璽悅，張曉敏，董玉龍，任相燁

（1.航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710000；2.西安航空制動(dòng)科技有限公司，陜西 西安 713106）

0 引言

航空電子元器件是航空武器裝備的基石。隨著進(jìn)口元器件的停產(chǎn)、斷檔、禁運(yùn)，市場(chǎng)對(duì)國(guó)產(chǎn)元器件的需求越來(lái)越迫切[1]。存儲(chǔ)器作為航空電子元器件的一個(gè)重要組成部分，有著非常廣泛的應(yīng)用。在當(dāng)前國(guó)家戰(zhàn)略布局和市場(chǎng)需求的影響下，國(guó)內(nèi)部分廠商如深圳國(guó)微、成都華微等，對(duì)標(biāo)國(guó)外廠商的典型存儲(chǔ)器，完成了國(guó)產(chǎn)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)生產(chǎn)。但是，從功能性能、封裝及器件成熟度等角度看，國(guó)產(chǎn)存儲(chǔ)器的可靠性和穩(wěn)定性仍存在一定風(fēng)險(xiǎn)，使用前需要進(jìn)一步評(píng)估。

航空電子元器件應(yīng)用驗(yàn)證是指電子元器件在航空武器裝備裝機(jī)使用前，開(kāi)展一系列的試驗(yàn)、分析以及評(píng)價(jià)等工作，以確定元器件的成熟度、可靠性和適用度[2]。航空武器裝備執(zhí)行任務(wù)范圍廣、使用環(huán)境復(fù)雜嚴(yán)酷，相較于其他使用場(chǎng)景，對(duì)電子元器件的環(huán)境適用度提出更高的要求。而應(yīng)用驗(yàn)證則是對(duì)元器件的環(huán)境適用度、兼容性等方面情況的前序反饋。因此，應(yīng)用驗(yàn)證對(duì)提升國(guó)產(chǎn)元器件的技術(shù)成熟度、環(huán)境適用度以及可靠性起著十分重要的作用。

航空用存儲(chǔ)器的應(yīng)用驗(yàn)證既要滿足一般國(guó)產(chǎn)元器件應(yīng)用驗(yàn)證的基本流程和驗(yàn)證要求，也要根據(jù)其自身特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證項(xiàng)目的增補(bǔ)或刪減設(shè)計(jì)。當(dāng)前，對(duì)存儲(chǔ)器應(yīng)用驗(yàn)證的研究更多地關(guān)注在如何提升存儲(chǔ)器故障模式測(cè)試的覆蓋率上[3]，針對(duì)存儲(chǔ)器的應(yīng)用驗(yàn)證方法的研究較少，缺少對(duì)航空武器裝備使用場(chǎng)景下的存儲(chǔ)器應(yīng)用驗(yàn)證方法的研究。

1 存儲(chǔ)器特點(diǎn)和性能指標(biāo)

存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。航空用存儲(chǔ)器芯片正以高速、高帶寬、大容量、低功耗作為其今后的發(fā)展方向[4]，同時(shí)也對(duì)存儲(chǔ)器的應(yīng)用驗(yàn)證提出了更高的要求。根據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)特性，存儲(chǔ)器可以分為易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器。易失性存儲(chǔ)器主要是指RAM存儲(chǔ)器，非易失性存儲(chǔ)器主要是指ROM存儲(chǔ)器、Flash、軟硬盤(pán)等。

存儲(chǔ)器的常見(jiàn)指標(biāo)包括存儲(chǔ)容量、供電電壓、訪問(wèn)時(shí)間、訪問(wèn)速度、讀寫(xiě)功耗等。其中，存儲(chǔ)器的主要指標(biāo)一般是指存儲(chǔ)器能達(dá)到的讀寫(xiě)帶寬（速率）和讀寫(xiě)延遲。而讀寫(xiě)速率與所采用的處理器、存儲(chǔ)控制器、使用的操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)軟件、采用的邏輯器件和邏輯代碼之間存在著必然的聯(lián)系。因此，脫離具體的應(yīng)用環(huán)境的讀寫(xiě)速率是無(wú)意義的。存儲(chǔ)器只有在型號(hào)系統(tǒng)上使用時(shí)才會(huì)考慮具體讀寫(xiě)速率的要求。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)時(shí)序參數(shù)值可以初步判斷存儲(chǔ)器是否滿足該型號(hào)系統(tǒng)的使用要求和指標(biāo)要求。

應(yīng)用驗(yàn)證過(guò)程需要遍歷所有的存儲(chǔ)單元以便對(duì)存儲(chǔ)單元的好壞進(jìn)行判斷，而存儲(chǔ)器內(nèi)部的各存儲(chǔ)單元狀態(tài)可能隨時(shí)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致測(cè)試量非常龐大[5]。除此之外，存儲(chǔ)器的應(yīng)用驗(yàn)證還需要考慮針對(duì)主要性能指標(biāo)的應(yīng)用驗(yàn)證要求和方法。

2 航空用存儲(chǔ)器應(yīng)用驗(yàn)證等級(jí)和驗(yàn)證項(xiàng)目

2.1 國(guó)產(chǎn)元器件應(yīng)用驗(yàn)證等級(jí)

一般來(lái)說(shuō)，國(guó)產(chǎn)元器件的應(yīng)用驗(yàn)證采取五級(jí)驗(yàn)證方法。各驗(yàn)證項(xiàng)目需要根據(jù)分級(jí)策略，確定具體驗(yàn)證級(jí)別。具體來(lái)說(shuō)，五級(jí)驗(yàn)證包括元器件級(jí)、模塊（部件級(jí)）、整機(jī)（設(shè)備）級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、試飛級(jí)。

由于應(yīng)用驗(yàn)證本身不針對(duì)某個(gè)具體的產(chǎn)品，因此應(yīng)用驗(yàn)證方案的設(shè)計(jì)需要考慮應(yīng)用驗(yàn)證結(jié)論的普適性。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)用驗(yàn)證等級(jí)的選擇應(yīng)為該類器件能夠驗(yàn)證的最高等級(jí)。航空用存儲(chǔ)器屬于功能復(fù)雜的集成電路元器件，是影響任務(wù)完成的關(guān)鍵產(chǎn)品。因此，其應(yīng)用驗(yàn)證的最高等級(jí)應(yīng)為試飛級(jí)，試飛級(jí)驗(yàn)證一般擇機(jī)進(jìn)行。

2.2 航空用存儲(chǔ)器應(yīng)用驗(yàn)證項(xiàng)目

航空用存儲(chǔ)器應(yīng)用驗(yàn)證項(xiàng)目包括資料審查、封裝及可焊性、靜態(tài)測(cè)試、二次篩選、補(bǔ)充及強(qiáng)化電氣特性測(cè)試、功能測(cè)試、性能測(cè)試、試驗(yàn)驗(yàn)證、存取可靠性以及存取穩(wěn)定性。資料審查需針對(duì)書(shū)面資料完整性、真實(shí)性開(kāi)展元器件級(jí)審查，審查資料應(yīng)包括數(shù)據(jù)手冊(cè)、詳細(xì)規(guī)范、測(cè)試報(bào)告、試驗(yàn)及檢驗(yàn)報(bào)告、鑒定檢驗(yàn)結(jié)論等；封裝及可焊性測(cè)試項(xiàng)目屬于元器件級(jí)驗(yàn)證，測(cè)試具體項(xiàng)目包括管殼材料、引出端材料及涂覆材料、引出端厚度、器件標(biāo)志、器件尺寸、共面性測(cè)試、抗拉能力測(cè)試、剪切能力測(cè)試、可焊性測(cè)試等；二次篩選項(xiàng)目按照集成電路的篩選項(xiàng)目、篩選程序開(kāi)展元器件級(jí)驗(yàn)證；補(bǔ)充及強(qiáng)化電氣特性測(cè)試項(xiàng)目屬于元器件級(jí)驗(yàn)證，具體項(xiàng)目包括ESD試驗(yàn)、電源拉偏試驗(yàn)、電源拉偏極限試驗(yàn)、AC參數(shù)測(cè)試、DC參數(shù)測(cè)試、V-I特性測(cè)試、靜態(tài)功耗測(cè)試、裝聯(lián)可靠性試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)等；功能測(cè)試項(xiàng)目屬于模塊級(jí)驗(yàn)證，具體項(xiàng)目包括讀寫(xiě)時(shí)序測(cè)試、時(shí)序極限測(cè)試、讀寫(xiě)故障模式測(cè)試；性能測(cè)試項(xiàng)目屬于整機(jī)級(jí)驗(yàn)證，測(cè)試具體項(xiàng)目包括功耗測(cè)試、讀寫(xiě)帶寬測(cè)試、讀寫(xiě)延遲測(cè)試等；試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目包括開(kāi)-關(guān)電應(yīng)力、溫度循環(huán)、壽命試驗(yàn)，其中開(kāi)-關(guān)電應(yīng)力測(cè)試屬于模塊級(jí)驗(yàn)證，溫度循環(huán)、壽命試驗(yàn)屬于整機(jī)級(jí)驗(yàn)證。

3 航空用存儲(chǔ)器應(yīng)用驗(yàn)證方法

3.1 模塊級(jí)應(yīng)用驗(yàn)證方法

3.1.1 存儲(chǔ)器驗(yàn)證模塊設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器驗(yàn)證模塊的設(shè)計(jì)，應(yīng)首先依據(jù)存儲(chǔ)器類型，選擇相應(yīng)的主控處理器。同時(shí)盡量考慮針對(duì)某一具體型號(hào)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)與其功能性能保持一致的測(cè)試模塊。既可以借用現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備完成整機(jī)級(jí)測(cè)試和環(huán)境試驗(yàn)，同時(shí)也可以更好地進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)和試飛級(jí)的驗(yàn)證。

由于存儲(chǔ)器功能相對(duì)單一，構(gòu)建存儲(chǔ)器功能測(cè)試的完整模塊較為簡(jiǎn)單。其中，驗(yàn)證電路和模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)做到原理正確，布局走線合理優(yōu)化，為后續(xù)功能性能測(cè)試提供正確基礎(chǔ)。存儲(chǔ)器的驗(yàn)證模塊電路設(shè)計(jì)主要包括以下幾類：①主控電路設(shè)計(jì)。選擇能夠完全驗(yàn)證存儲(chǔ)器功能的處理器和可編程邏輯芯片作為存儲(chǔ)器的主控芯片，并采用成熟的電路設(shè)計(jì)。②供電設(shè)計(jì)。采用可調(diào)電壓輸出的電源芯片為存儲(chǔ)器芯片進(jìn)行單獨(dú)供電，可以實(shí)現(xiàn)板級(jí)的電源拉偏試驗(yàn)。③時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)。完成同步存儲(chǔ)器的訪問(wèn)需要提供訪問(wèn)時(shí)鐘，時(shí)鐘輸入應(yīng)盡量采用可編程時(shí)鐘發(fā)生器，用于驗(yàn)證不同時(shí)鐘頻率下的訪問(wèn)時(shí)序。④動(dòng)態(tài)功耗測(cè)試電路設(shè)計(jì)。將供電電源串聯(lián)一個(gè)大功率、低阻值的電阻，電阻兩端作為一對(duì)差分信號(hào)引入滿足精度要求的AD采集芯片。通過(guò)采集到的電壓差計(jì)算出電源的電流消耗，評(píng)估芯片的動(dòng)態(tài)消耗。⑤濾波電容和掉電電容。按照電源濾波要求放置濾波電容，有掉電電容要求的存儲(chǔ)器需要放置合適容量合適封裝的電容。

3.1.2 讀寫(xiě)時(shí)序測(cè)試

讀寫(xiě)時(shí)序測(cè)試一般按照元器件手冊(cè)要求，完成存儲(chǔ)器的時(shí)序配置或者通過(guò)可編程邏輯完成時(shí)序適配。選取手冊(cè)中的最小時(shí)序、最大時(shí)序以及若干個(gè)中間時(shí)序進(jìn)行測(cè)試，來(lái)判斷讀寫(xiě)時(shí)序是否正常。如果存在多種讀寫(xiě)方式，如CE讀寫(xiě)和地址模式讀寫(xiě)，則需要依次驗(yàn)證。

3.1.3 讀寫(xiě)時(shí)序極限測(cè)試

讀寫(xiě)時(shí)序極限測(cè)試一般按照元器件手冊(cè)的要求，完成存儲(chǔ)器的時(shí)序配置或者通過(guò)可編程邏輯完成時(shí)序適配。選取手冊(cè)要求的最小值以及最大值以外的若干個(gè)時(shí)序進(jìn)行測(cè)試，來(lái)確定該存儲(chǔ)器讀寫(xiě)時(shí)序的魯棒性。

3.1.4 讀寫(xiě)故障模式測(cè)試

存儲(chǔ)器的基本故障類型包括固定故障（Stuck At Fault，SAF），開(kāi)路故障 （Stuck Open Fault，SOF），跳變故障（Transition Fault，TF），耦合故障（Coupling Fault，CF）以及地址譯碼故障（Address decoder Fault，AF）[6]。任意一個(gè)存儲(chǔ)單元的改變都有可能影響存儲(chǔ)器內(nèi)部其他單元的變化。這種相關(guān)性使得存儲(chǔ)器的故障測(cè)試量非常巨大，不能僅將存儲(chǔ)器內(nèi)部每一個(gè)存儲(chǔ)單元依次遍歷一遍，測(cè)試方案的設(shè)計(jì)需要同時(shí)兼顧故障覆蓋率和測(cè)試效率。

3.1.5 讀寫(xiě)故障測(cè)試的基本方法

讀寫(xiě)故障測(cè)試的基本方法大多是針對(duì)位讀位寫(xiě)的操作，而對(duì)于目前廣泛應(yīng)用的存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，一般是按字節(jié)訪問(wèn)。具體方法包括全0全1法、棋盤(pán)格法、地址奇偶法、地址互補(bǔ)法以及步進(jìn)法。假設(shè)存儲(chǔ)器長(zhǎng)度為N，存儲(chǔ)單元寬度為M，則從A0～An-1的讀/寫(xiě)簡(jiǎn)化為讀/寫(xiě)N次。

全0全1法是將存儲(chǔ)陣列中的所有位分別都寫(xiě)入“0”和“1”，并讀出判斷，復(fù)雜度為4N。棋盤(pán)格法是將存儲(chǔ)陣列中所有單元交替寫(xiě)入“0”、“1”，并讀出判斷，復(fù)雜度為4N。地址奇偶法 是將行地址碼和列地址碼進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。若為“0”寫(xiě)入原碼，否則，寫(xiě)入反碼，并讀出判斷，復(fù)雜度為2N+NM。地址互補(bǔ)法是將一定的數(shù)據(jù)圖形寫(xiě)入全部存儲(chǔ)單元，讀出順序?yàn)锳0，An-1，A1，An-2…，即后一位地址是前一位奇數(shù)位的補(bǔ)碼，復(fù)雜度為2N。步進(jìn)法首先將全部位寫(xiě)“0”，接著從A0開(kāi)始依次讀出后寫(xiě)“1”，再次從An-1到A0，讀“1”寫(xiě)“0”，復(fù)雜度為4MN+N。

3.1.6 讀寫(xiě)故障測(cè)試的綜合算法

存儲(chǔ)器讀寫(xiě)故障測(cè)試基本方法的復(fù)雜度從N到N2不等。高復(fù)雜度的測(cè)試圖形會(huì)導(dǎo)致故障測(cè)試時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。盡管從理論上來(lái)說(shuō)，讀寫(xiě)故障測(cè)試基本方法的故障覆蓋率很高，但在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較少。目前實(shí)際應(yīng)用主要采用的是復(fù)雜度為N的算法，其中研究和使用較多的是March算法及各種改進(jìn)算法。

March算法的基本原理是對(duì)所有存儲(chǔ)單元逐一進(jìn)行讀寫(xiě)操作。對(duì)于面向字節(jié)的存儲(chǔ)器，需要將讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)展至相應(yīng)的單元字長(zhǎng)，擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)稱為數(shù)據(jù)背景。對(duì)于同一地址的字內(nèi)故障，如字內(nèi)耦合故障等，需要引入多種數(shù)據(jù)背景，也就是多種測(cè)試數(shù)據(jù)。

地址碼檢測(cè)法主要是對(duì)相關(guān)地址總線的故障模式、部分?jǐn)?shù)據(jù)總線的故障模式進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試具體方法是，首先對(duì)地址單元寫(xiě)入地址碼，讀、寫(xiě)數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較，接著對(duì)地址單元寫(xiě)入地址碼的反碼，讀、寫(xiě)數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較，基本可以覆蓋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的所有地址位存在的問(wèn)題。但由于地址位和數(shù)據(jù)位的差異，不能覆蓋數(shù)據(jù)線可能存在的所有故障模式。

3.1.7 其他測(cè)試

除上述存儲(chǔ)器通用驗(yàn)證方法之外，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需要根據(jù)不同類型存儲(chǔ)器的特征，進(jìn)行測(cè)試項(xiàng)目的改進(jìn)和增減。

FLASH存儲(chǔ)器的擦寫(xiě)機(jī)制只能完成存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)1到0的轉(zhuǎn)變。若要完成0到1的寫(xiě)入，需要將整個(gè)扇區(qū)或存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)擦除，往往會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，采用March算法測(cè)試會(huì)增加測(cè)試成本。因此，存儲(chǔ)器的耐久性測(cè)試主要采用JESD22-A117C以及GJB548中的試驗(yàn)方法。測(cè)試樣本采用同批次Flash存儲(chǔ)器芯片，分別對(duì)該批次芯片的不同扇區(qū)同時(shí)進(jìn)行耐久性測(cè)試，來(lái)提高測(cè)試效率。

3.2 整機(jī)級(jí)應(yīng)用驗(yàn)證方法

3.2.1 功耗測(cè)試

將供電電源串聯(lián)一個(gè)大功率、低阻值的電阻，電阻兩端作為差分信號(hào)引入滿足精度要求的AD采集芯片。通過(guò)采集到的電壓差，計(jì)算出電源的電流功耗，可以評(píng)估存儲(chǔ)器芯片的動(dòng)態(tài)消耗。

3.2.2 帶寬測(cè)試

帶寬測(cè)試一般不判定數(shù)據(jù)正確與否，只進(jìn)行讀寫(xiě)速度的測(cè)試。一般采用STREAM標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存測(cè)試集進(jìn)行內(nèi)存帶寬測(cè)試。STREAM是一套綜合性能測(cè)試程序集，通過(guò)Fortran和C兩種高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)完成，測(cè)試得到的是可持續(xù)運(yùn)行的內(nèi)存帶寬最大值。

3.2.3 延遲測(cè)試

內(nèi)存延遲指的是數(shù)據(jù)從處理單元傳送到存儲(chǔ)單元或者從存儲(chǔ)單元傳送到處理單元之間的持續(xù)時(shí)間。針對(duì)有無(wú)一級(jí)緩存影響的兩種情況，通過(guò)改變存儲(chǔ)塊大小和步長(zhǎng)多次遍歷任一數(shù)組，從而獲得內(nèi)存延遲的測(cè)試值。

3.3 系統(tǒng)級(jí)和試飛級(jí)應(yīng)用驗(yàn)證方法

系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用驗(yàn)證主要包括存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)穩(wěn)定性和可靠性，可以通過(guò)真實(shí)系統(tǒng)或者仿真模擬系統(tǒng)完成。

試飛試驗(yàn)是驗(yàn)證元器件在應(yīng)用狀態(tài)下的工作可靠性和空間環(huán)境適用性的有效方法，也是推動(dòng)元器件成熟和應(yīng)用的重要手段。我國(guó)目前尚未在航空領(lǐng)域開(kāi)展元器件搭機(jī)驗(yàn)證工作，僅在電子設(shè)備試飛過(guò)程中對(duì)元器件的功能、性能以及可靠性等進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，尚未形成系統(tǒng)性的試飛驗(yàn)證評(píng)估方法。

4 結(jié)語(yǔ)

相較于車載等其他應(yīng)用領(lǐng)域，航空使用場(chǎng)景對(duì)元器件的性能度提出了更高的要求。航空用存儲(chǔ)器應(yīng)用驗(yàn)證對(duì)滿足高可靠性和環(huán)境適用性要求起著十分重要的作用。

在滿足國(guó)產(chǎn)元器件五級(jí)應(yīng)用驗(yàn)證結(jié)構(gòu)要求的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)闡述了航空用存儲(chǔ)器應(yīng)用驗(yàn)證具體測(cè)試項(xiàng)目及方法。根據(jù)存儲(chǔ)器典型特征和航空應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)行驗(yàn)證項(xiàng)目的增補(bǔ)與刪減設(shè)計(jì)，提出針對(duì)元器件級(jí)、模塊級(jí)、整機(jī)級(jí)以及系統(tǒng)級(jí)航空用存儲(chǔ)器應(yīng)用驗(yàn)證方法以及存儲(chǔ)器驗(yàn)證模塊設(shè)計(jì)方案，為航空用存儲(chǔ)器應(yīng)用驗(yàn)證提供了一種參考方案。未來(lái)可以考慮針對(duì)航空用存儲(chǔ)器試飛級(jí)應(yīng)用驗(yàn)證方案展開(kāi)進(jìn)一步研究。