航空用存储器应用验证方法研究

任玺悦，张晓敏，董玉龙，任相烨

（1.航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710000；2.西安航空制动科技有限公司，陕西 西安 713106）

0 引言

航空电子元器件是航空武器装备的基石。随着进口元器件的停产、断档、禁运，市场对国产元器件的需求越来越迫切[1]。存储器作为航空电子元器件的一个重要组成部分，有着非常广泛的应用。在当前国家战略布局和市场需求的影响下，国内部分厂商如深圳国微、成都华微等，对标国外厂商的典型存储器，完成了国产存储器的设计生产。但是，从功能性能、封装及器件成熟度等角度看，国产存储器的可靠性和稳定性仍存在一定风险，使用前需要进一步评估。

航空电子元器件应用验证是指电子元器件在航空武器装备装机使用前，开展一系列的试验、分析以及评价等工作，以确定元器件的成熟度、可靠性和适用度[2]。航空武器装备执行任务范围广、使用环境复杂严酷，相较于其他使用场景，对电子元器件的环境适用度提出更高的要求。而应用验证则是对元器件的环境适用度、兼容性等方面情况的前序反馈。因此，应用验证对提升国产元器件的技术成熟度、环境适用度以及可靠性起着十分重要的作用。

航空用存储器的应用验证既要满足一般国产元器件应用验证的基本流程和验证要求，也要根据其自身特点和应用场景进行验证项目的增补或删减设计。当前，对存储器应用验证的研究更多地关注在如何提升存储器故障模式测试的覆盖率上[3]，针对存储器的应用验证方法的研究较少，缺少对航空武器装备使用场景下的存储器应用验证方法的研究。

1 存储器特点和性能指标

存储器是计算机结构的重要组成部分。航空用存储器芯片正以高速、高带宽、大容量、低功耗作为其今后的发展方向[4]，同时也对存储器的应用验证提出了更高的要求。根据存储介质特性，存储器可以分为易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器主要是指RAM存储器，非易失性存储器主要是指ROM存储器、Flash、软硬盘等。

存储器的常见指标包括存储容量、供电电压、访问时间、访问速度、读写功耗等。其中，存储器的主要指标一般是指存储器能达到的读写带宽（速率）和读写延迟。而读写速率与所采用的处理器、存储控制器、使用的操作系统、驱动软件、采用的逻辑器件和逻辑代码之间存在着必然的联系。因此，脱离具体的应用环境的读写速率是无意义的。存储器只有在型号系统上使用时才会考虑具体读写速率的要求。一般来说，通过存储器的读写时序参数值可以初步判断存储器是否满足该型号系统的使用要求和指标要求。

应用验证过程需要遍历所有的存储单元以便对存储单元的好坏进行判断，而存储器内部的各存储单元状态可能随时发生变化，从而导致测试量非常庞大[5]。除此之外，存储器的应用验证还需要考虑针对主要性能指标的应用验证要求和方法。

2 航空用存储器应用验证等级和验证项目

2.1 国产元器件应用验证等级

一般来说，国产元器件的应用验证采取五级验证方法。各验证项目需要根据分级策略，确定具体验证级别。具体来说，五级验证包括元器件级、模块（部件级）、整机（设备）级、系统级、试飞级。

由于应用验证本身不针对某个具体的产品，因此应用验证方案的设计需要考虑应用验证结论的普适性。一般来说，应用验证等级的选择应为该类器件能够验证的最高等级。航空用存储器属于功能复杂的集成电路元器件，是影响任务完成的关键产品。因此，其应用验证的最高等级应为试飞级，试飞级验证一般择机进行。

2.2 航空用存储器应用验证项目

航空用存储器应用验证项目包括资料审查、封装及可焊性、静态测试、二次筛选、补充及强化电气特性测试、功能测试、性能测试、试验验证、存取可靠性以及存取稳定性。资料审查需针对书面资料完整性、真实性开展元器件级审查，审查资料应包括数据手册、详细规范、测试报告、试验及检验报告、鉴定检验结论等；封装及可焊性测试项目属于元器件级验证，测试具体项目包括管壳材料、引出端材料及涂覆材料、引出端厚度、器件标志、器件尺寸、共面性测试、抗拉能力测试、剪切能力测试、可焊性测试等；二次筛选项目按照集成电路的筛选项目、筛选程序开展元器件级验证；补充及强化电气特性测试项目属于元器件级验证，具体项目包括ESD试验、电源拉偏试验、电源拉偏极限试验、AC参数测试、DC参数测试、V-I特性测试、静态功耗测试、装联可靠性试验、稳态寿命试验等；功能测试项目属于模块级验证，具体项目包括读写时序测试、时序极限测试、读写故障模式测试；性能测试项目属于整机级验证，测试具体项目包括功耗测试、读写带宽测试、读写延迟测试等；试验验证项目包括开-关电应力、温度循环、寿命试验，其中开-关电应力测试属于模块级验证，温度循环、寿命试验属于整机级验证。

3 航空用存储器应用验证方法

3.1 模块级应用验证方法

3.1.1 存储器验证模块设计

存储器验证模块的设计，应首先依据存储器类型，选择相应的主控处理器。同时尽量考虑针对某一具体型号项目，设计与其功能性能保持一致的测试模块。既可以借用现有测试设备完成整机级测试和环境试验，同时也可以更好地进行系统级和试飞级的验证。

由于存储器功能相对单一，构建存储器功能测试的完整模块较为简单。其中，验证电路和模块的设计应当做到原理正确，布局走线合理优化，为后续功能性能测试提供正确基础。存储器的验证模块电路设计主要包括以下几类：①主控电路设计。选择能够完全验证存储器功能的处理器和可编程逻辑芯片作为存储器的主控芯片，并采用成熟的电路设计。②供电设计。采用可调电压输出的电源芯片为存储器芯片进行单独供电，可以实现板级的电源拉偏试验。③时钟电路设计。完成同步存储器的访问需要提供访问时钟，时钟输入应尽量采用可编程时钟发生器，用于验证不同时钟频率下的访问时序。④动态功耗测试电路设计。将供电电源串联一个大功率、低阻值的电阻，电阻两端作为一对差分信号引入满足精度要求的AD采集芯片。通过采集到的电压差计算出电源的电流消耗，评估芯片的动态消耗。⑤滤波电容和掉电电容。按照电源滤波要求放置滤波电容，有掉电电容要求的存储器需要放置合适容量合适封装的电容。

3.1.2 读写时序测试

读写时序测试一般按照元器件手册要求，完成存储器的时序配置或者通过可编程逻辑完成时序适配。选取手册中的最小时序、最大时序以及若干个中间时序进行测试，来判断读写时序是否正常。如果存在多种读写方式，如CE读写和地址模式读写，则需要依次验证。

3.1.3 读写时序极限测试

读写时序极限测试一般按照元器件手册的要求，完成存储器的时序配置或者通过可编程逻辑完成时序适配。选取手册要求的最小值以及最大值以外的若干个时序进行测试，来确定该存储器读写时序的鲁棒性。

3.1.4 读写故障模式测试

存储器的基本故障类型包括固定故障（Stuck At Fault，SAF），开路故障 （Stuck Open Fault，SOF），跳变故障（Transition Fault，TF），耦合故障（Coupling Fault，CF）以及地址译码故障（Address decoder Fault，AF）[6]。任意一个存储单元的改变都有可能影响存储器内部其他单元的变化。这种相关性使得存储器的故障测试量非常巨大，不能仅将存储器内部每一个存储单元依次遍历一遍，测试方案的设计需要同时兼顾故障覆盖率和测试效率。

3.1.5 读写故障测试的基本方法

读写故障测试的基本方法大多是针对位读位写的操作，而对于目前广泛应用的存储器来说，一般是按字节访问。具体方法包括全0全1法、棋盘格法、地址奇偶法、地址互补法以及步进法。假设存储器长度为N，存储单元宽度为M，则从A0～An-1的读/写简化为读/写N次。

全0全1法是将存储阵列中的所有位分别都写入“0”和“1”，并读出判断，复杂度为4N。棋盘格法是将存储阵列中所有单元交替写入“0”、“1”，并读出判断，复杂度为4N。地址奇偶法 是将行地址码和列地址码进行奇偶校验。若为“0”写入原码，否则，写入反码，并读出判断，复杂度为2N+NM。地址互补法是将一定的数据图形写入全部存储单元，读出顺序为A0，An-1，A1，An-2…，即后一位地址是前一位奇数位的补码，复杂度为2N。步进法首先将全部位写“0”，接着从A0开始依次读出后写“1”，再次从An-1到A0，读“1”写“0”，复杂度为4MN+N。

3.1.6 读写故障测试的综合算法

存储器读写故障测试基本方法的复杂度从N到N2不等。高复杂度的测试图形会导致故障测试时间过长。尽管从理论上来说，读写故障测试基本方法的故障覆盖率很高，但在实际生产中应用较少。目前实际应用主要采用的是复杂度为N的算法，其中研究和使用较多的是March算法及各种改进算法。

March算法的基本原理是对所有存储单元逐一进行读写操作。对于面向字节的存储器，需要将读写的数据宽度扩展至相应的单元字长，扩展后的数据称为数据背景。对于同一地址的字内故障，如字内耦合故障等，需要引入多种数据背景，也就是多种测试数据。

地址码检测法主要是对相关地址总线的故障模式、部分数据总线的故障模式进行测试。测试具体方法是，首先对地址单元写入地址码，读、写数据并进行比较，接着对地址单元写入地址码的反码，读、写数据并进行比较，基本可以覆盖数据存储器的所有地址位存在的问题。但由于地址位和数据位的差异，不能覆盖数据线可能存在的所有故障模式。

3.1.7 其他测试

除上述存储器通用验证方法之外，在实际应用过程中，需要根据不同类型存储器的特征，进行测试项目的改进和增减。

FLASH存储器的擦写机制只能完成存储单元数据1到0的转变。若要完成0到1的写入，需要将整个扇区或存储器数据擦除，往往会耗费大量时间，采用March算法测试会增加测试成本。因此，存储器的耐久性测试主要采用JESD22-A117C以及GJB548中的试验方法。测试样本采用同批次Flash存储器芯片，分别对该批次芯片的不同扇区同时进行耐久性测试，来提高测试效率。

3.2 整机级应用验证方法

3.2.1 功耗测试

将供电电源串联一个大功率、低阻值的电阻，电阻两端作为差分信号引入满足精度要求的AD采集芯片。通过采集到的电压差，计算出电源的电流功耗，可以评估存储器芯片的动态消耗。

3.2.2 带宽测试

带宽测试一般不判定数据正确与否，只进行读写速度的测试。一般采用STREAM标准内存测试集进行内存带宽测试。STREAM是一套综合性能测试程序集，通过Fortran和C两种高级语言编写完成，测试得到的是可持续运行的内存带宽最大值。

3.2.3 延迟测试

内存延迟指的是数据从处理单元传送到存储单元或者从存储单元传送到处理单元之间的持续时间。针对有无一级缓存影响的两种情况，通过改变存储块大小和步长多次遍历任一数组，从而获得内存延迟的测试值。

3.3 系统级和试飞级应用验证方法

系统级应用验证主要包括存储器的存储稳定性和可靠性，可以通过真实系统或者仿真模拟系统完成。

试飞试验是验证元器件在应用状态下的工作可靠性和空间环境适用性的有效方法，也是推动元器件成熟和应用的重要手段。我国目前尚未在航空领域开展元器件搭机验证工作，仅在电子设备试飞过程中对元器件的功能、性能以及可靠性等进行定性评价，尚未形成系统性的试飞验证评估方法。

4 结语

相较于车载等其他应用领域，航空使用场景对元器件的性能度提出了更高的要求。航空用存储器应用验证对满足高可靠性和环境适用性要求起着十分重要的作用。

在满足国产元器件五级应用验证结构要求的基础上，系统阐述了航空用存储器应用验证具体测试项目及方法。根据存储器典型特征和航空应用场景，进行验证项目的增补与删减设计，提出针对元器件级、模块级、整机级以及系统级航空用存储器应用验证方法以及存储器验证模块设计方案，为航空用存储器应用验证提供了一种参考方案。未来可以考虑针对航空用存储器试飞级应用验证方案展开进一步研究。