NAND FLASH測試設(shè)計及使用探討

北京振興計量測試研究所 楊 超 張金鳳 馬成英

1.引言

近年來，隨著各種應(yīng)用系統(tǒng)對存儲容量的要求不斷增加，NAND FLASH作為一種新興的半導體存儲器，以其高密度、大容量、高數(shù)據(jù)存儲速率以及更多的擦除次數(shù)等特點得到了迅猛發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[2]。但是由于生產(chǎn)工藝和材料等問題，NAND FLASH存儲器不可避免的會出現(xiàn)壞塊。壞塊的出現(xiàn)給測試和使用都帶來了極大的挑戰(zhàn)，本文將以MT29F64G08AJABAWP-IT為例，詳細介紹NAND FLASH的測試并且對其使用進行探討。

2.NAND FLASH簡介

NAND FLASH是非易失性存儲器，其基本存儲單元是塊（block），每塊又由若干頁（page）構(gòu)成。其中，最小讀寫單元是頁，最小擦除單元是塊。在對一頁進行編程之前，需要先將該頁所在的塊進行擦除操作。NAND FLASH在出廠時存在少量的壞塊，廠家會對壞塊進行標注，方便用戶在使用過程中對其進行識別；在測試和使用過程中同樣會產(chǎn)生新的壞塊，元器件可靠性機構(gòu)應(yīng)當對壞塊進行識別和回寫，用戶應(yīng)進行壞塊管理以跳過壞塊，從而避免存儲數(shù)據(jù)丟失。

NAND FLASH主要供貨商是SAMSUNG和MICRON兩家公司，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)大同小異，分為16位和8位兩種數(shù)據(jù)形式，地址線、數(shù)據(jù)線、命令線分時復(fù)用，串行工作方式，需要特定的控制命令以執(zhí)行相應(yīng)的操作。本文所選用的MT-29F64G08AJABAWP-IT具有16384個blocks，每個塊由128個pages組成，每一頁包含（4096+224）個bytes，其中224個冗余字節(jié)，用于存儲配置信息；共64GB存儲空間，數(shù)據(jù)存儲格式為8位；TSOP封裝的器件共48個管腳，除了8個復(fù)用的IO口，還有部分控制管腳和電源管腳，其余管腳懸空即可。

3.NAND FLASH測試設(shè)計

3.1 NAND FLASH與普通存儲器測試的異同

NAND FLASH是存儲器器件，與以往測試的SRAM、EEPROM和NOR FLASH一樣，測試時要對所有存儲陣列進行寫入、讀出、數(shù)據(jù)對比，讀出數(shù)據(jù)與寫入數(shù)據(jù)相同證明存儲器功能完好；寫入數(shù)據(jù)的格式?jīng)Q定于選定的測試算法，不同的測試算法具有不同的測試故障覆蓋率；NAND FLASH是非易失性存儲器，寫入之前要對存儲器進行擦除，測試過程中要像NOR FLASH一樣對NAND FLASH進行擦除。

普通存儲器只要有一處讀出的數(shù)據(jù)與寫入的數(shù)據(jù)對比不一致，則可判定為器件功能失效，測試終止即可；NAND FLASH內(nèi)部存儲陣列允許存在少量的壞塊，當讀出數(shù)據(jù)與寫入數(shù)據(jù)對比不一致時，不能判定為器件不合格，而是應(yīng)該跳轉(zhuǎn)到下一個存儲塊繼續(xù)進行測試，在測試過程中需要多次進行判定和跳轉(zhuǎn)。所以不能使用隨機圖形向量法對NAND FLASH進行測試，而要使用軟件語言與測試圖形相配合，實現(xiàn)多次判定和跳轉(zhuǎn)。

3.2 NAND FLASH總體測試設(shè)計

總體測試設(shè)計思路見圖1，測試時首先讀出芯片的ID，與技術(shù)手冊進行比較，如果一致繼續(xù)測試，不一致則芯片不合格，停止測試。NAND FLASH出廠時存在少量壞塊，廠家出廠時會對壞塊進行標注，即在本塊第一頁或者第二頁第一個冗余字節(jié)寫入00。在測試時需要首先對每一塊的該字節(jié)進行判定，如果是00，證明該塊出廠時被標注為壞塊，壞塊數(shù)量寄存器加1，跳轉(zhuǎn)到下一塊進行測試，此時切忌對被廠家標注的壞塊進行擦除，因為擦除操作會將廠家的壞塊標識清除；如果是FF，證明該塊出廠時是好塊，需要進行測試。

測試過程中逐塊對NAND FLASH存儲陣列進行驗證，測試過程包括整塊的讀寫和擦除，如果發(fā)現(xiàn)出廠時未被標注的壞塊，測試系統(tǒng)對壞塊地址進行存儲。待完成整片測試之后，對壞塊數(shù)量進行統(tǒng)計，如果壞塊數(shù)量滿足技術(shù)手冊要求，證明芯片合格；此時若存在出廠未標注的壞塊，對壞塊信息進行回寫，回寫方式同出廠標注方式，即在該塊第一頁或者第二頁第一個冗余字節(jié)寫入00，便于用戶進行統(tǒng)一識別。

圖1 NAND FLASH總體測試設(shè)計流程圖

3.3 測試圖形算法的選擇

需要注意的是，上圖中為了避免過于繁瑣，只將一種測試圖形算法的讀寫和擦除操作體現(xiàn)在圖中，實際測試過程中，需要對故障覆蓋率和時間復(fù)雜度進行綜合考量以決定選用何種測試算法，必要時還需要幾種測試算法聯(lián)合進行測試。常用的測試圖形算法包括兩大類：測試時間復(fù)雜度為N的全0，全1，隨機數(shù)，棋盤格，反棋盤格，對角線等測試算法；測試時間復(fù)雜度的為N2的步進，走步，跳步等測試算法。不同的測試算法能夠檢測出特定的故障，時間復(fù)雜度高的測試算法故障覆蓋率相對較高。本課題選用的芯片是串行工作模式，8位數(shù)據(jù)端口分時尋址64GB的存儲空間，采用時間復(fù)雜度為N的測試算法對芯片進行全片寫入，預(yù)計時間在400s左右，所以即使采用N2測試算法具有較高的故障覆蓋率，對于量產(chǎn)的元器件可靠性機構(gòu)來說并不適用。最終決定使用全0，隨機數(shù)，棋盤格，反棋盤格，等四種N型測試算法聯(lián)合對芯片進行測試，可以覆蓋固0，固1，地址譯碼故障，短路、開路等常見的存儲器故障，實際對第N塊的測試流程如下圖所示，在測試時間允許的范圍最大程度的增加了故障覆蓋率，可以達到良好的測試效果，有效剔除不良芯片。

圖2 第N塊測試算法流程圖

3.4 測試中需要注意的問題

根據(jù)以上的測試設(shè)計，可以完成對NAND FLASH的測試，但是在實際開展NAND FLASH測試過程中，需要注意特別以下幾點：

NAND FLASH串行工作方式；其8位IO管腳是地址、數(shù)據(jù)、命令分時復(fù)用的管腳，對芯片進行寫入、讀出、擦除等操作時需要預(yù)先寫入命令控制字，隨后寫入地址和數(shù)據(jù)，具有復(fù)雜而嚴格的時序。如何利用8個分時復(fù)用的IO口和若干控制管腳有序的尋址64GB的地址空間，是測試中的一個難點。

因為有壞塊的存在，測試中需要實現(xiàn)多次的判斷與跳轉(zhuǎn)，不能夠使用隨機圖形向量法進行測試，所選用的測試系統(tǒng)必須具有數(shù)字向量圖形發(fā)生器或者BBM模塊，并且軟件編程語言與測試向量緊密結(jié)合實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)和判斷。

選用多種測試算法對NAND FLASH聯(lián)合進行測試，測試時間大幅度增加，如果測試系統(tǒng)允許，應(yīng)盡可能實現(xiàn)并測以節(jié)省時間成本。

4.NAND FLASH使用探討

測試過程中遇到壞塊需要跳轉(zhuǎn)到下一塊繼續(xù)進行測試，在使用過程中，為了保證數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性，同樣需要對壞塊進行管理，其中主要包括以下幾點：（1）壞塊映射向量表的建立；（2）壞塊映射向量表的更新；（3）壞塊的跳轉(zhuǎn)。本文選用的MT29F64G08AJABAWP-IT具有16384塊，每個塊由128頁組成，每一頁包含（4096+224）BYTE。由于MICRON公司保證地址為00的塊是好塊，所以選用第0塊的0-3頁作為壞塊映射向量表，每一個BYTE的數(shù)據(jù)對應(yīng)一個BLOCK；為了防止數(shù)據(jù)丟失，4-7頁作為備用壞塊映射向量表。

4.1 基于跳塊的壞塊處理

基于跳塊的壞塊處理，顧名思義，就是遇到壞塊即跳過，跳到下一個可以保證讀寫正確的好塊進行操作。使用之前，建立初始化壞塊映射向量表：首先對第0塊執(zhí)行擦除操作，主控制器逐塊對NAND FLASH的壞塊標志位進行讀取和判斷；如果為00，證明該塊為壞塊，壞塊映射向量表和備用表同時在對應(yīng)位置寫入00；如果讀出的數(shù)據(jù)是FF，對應(yīng)壞塊映射向量表的位置不做操作，數(shù)據(jù)保持FF，證明對應(yīng)塊是好塊。

使用中對壞塊映射向量表進行更新，具體處理流程見圖3：實際使用時，首先讀出壞塊映射向量表和備用表的內(nèi)容進行對比，如果不一致，證明此片失效，不能繼續(xù)使用；如果一致，開始寫入，對每一塊進行寫入之前，判斷對應(yīng)壞塊映射向量表的數(shù)據(jù)，如果是FF，證明對應(yīng)塊是好塊，開始寫入；如果是00，證明該塊是壞塊，跳過該塊對下一塊進行操作；在寫入和擦除過程中如果出現(xiàn)新的壞塊，找到對應(yīng)壞塊映射向量表和備用表中的位置，寫入00；如此往復(fù)判斷和寫入，直到主控制器判斷已經(jīng)完成最后一塊的寫入為止。隨著不斷的判斷和標注，在完成數(shù)據(jù)寫入的同時實時更新了壞塊映射向量表，既有效的跳過了固有壞塊，又對新產(chǎn)生的壞塊進行了標注，保證了數(shù)據(jù)的準確性和連續(xù)性。

圖3 基于跳塊的壞塊處理流程

4.2 基于跳頁的壞塊處理

基于跳塊的壞塊管理，遇到固有壞塊會直接跳過；使用過程中出現(xiàn)新的壞塊會拋棄在本頁之前寫入的若干頁，在下一個好塊中重新寫入，如果寫到最后一頁才發(fā)現(xiàn)此塊為壞塊，那么相當于用寫兩塊的時間完成了一塊的寫入，浪費了時間成本[1]。根據(jù)NAND FLASH的特性，壞頁的出現(xiàn)并不影響好頁的使用，所以本文提出一種基于跳頁的壞塊處理。

基于跳頁的壞塊處理，首先建立初始化壞塊映射向量表和備用表，方法同4.1節(jié)在此不再墜余。使用過程中首先判斷初始化壞塊映射向量表對應(yīng)塊的內(nèi)容，如果是00，跳過該塊，直接進入下一塊進行操作，如果是FF，逐頁寫入數(shù)據(jù)并進行驗證，如果在某一頁發(fā)現(xiàn)寫入失敗，將該頁的頁地址寫入對應(yīng)該塊的映射向量表中，本頁之前在該塊寫入的內(nèi)容保留，將本頁重新寫入下一塊的第一頁中。完成所有塊寫入的同時完成了壞塊映射向量表和備用表的更新，此時映射向量表中的內(nèi)容是00、FF、或者00-7F中的一個頁地址。讀取數(shù)據(jù)時，首先讀對應(yīng)壞塊映射向量表中的內(nèi)容，如果是00，跳到下一塊進行讀??；如果是FF，讀取整塊；如果是00-7F中的一個頁地址，那么讀取該頁地址之前的所有頁然后跳到下一塊進行讀取，直至讀完整個存儲陣列。

4.3 兩種壞塊處理方式的分析與對比

兩種壞塊處理方式均能保證數(shù)據(jù)不因壞塊的存在而丟失，但是對比兩種方法發(fā)現(xiàn)：第一種處理方式占用主控制器資源更少，可靠性更高，但是會增加寫入時間；第二種方式軟件控制復(fù)雜度更高，會增加主控制器的負荷，但是傳輸數(shù)據(jù)速率更快；所以在高可靠性要求的系統(tǒng)中建議使用第一種處理方式，在高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)中建議使用第二種處理方式。

5.結(jié)束語

本文首先對NAND FLASH進行了簡要的介紹，對比了NAND FLASH與普通存儲器的異同，指出了NAND FLASH內(nèi)部存儲陣列允許壞塊存在的重要特點。在測試設(shè)計中，采用多次判斷與跳轉(zhuǎn)的方式實現(xiàn)了壞塊識別與信息回寫，并根據(jù)存儲器容量和測試故障覆蓋率選取了合適的測試算法，能夠有效的檢測出壞塊的位置并進行壞塊標注。在使用探討部分，提出了兩種壞塊處理方法，能夠有效的保證數(shù)據(jù)存儲的連續(xù)性和有效性，對兩種方法進行了分析和對比，給出了使用建議，希望對測試人員和使用人員有所幫助。