2012 년 9 월전자공학회논문지제 49 권제 9 호 237 논문 2012-49-9-26 비트맵메모리공유를통해 면적을크게줄인효율적인수리방법 (An Efficient Repair Method to Reduce Area Overhead by Sharing Bitmap Memory ) 조형준 *, 강성호 ** * (Hyungjun Cho and Sungho Kang ) 요 약 최근의시스템온칩 (SoC) 설계기술의발전에따라, 수백개의임베디드메모리코어들이칩의대부분의면적을차지하고있다. 그러므로시스템온칩의수율은임베디드메모리코어들의수율에따라결정된다고볼수있다. 최적의수리효율을가지는 built-in self repair (BISR) 을모든메모리들이가지고있게된다면면적의부담이너무크다. 본논문에서는이와같은면적의부담을줄이기위하여메모리들을그룹화한후에비트맵메모리를공유하여면적부담을크게줄이는방법을제안한다. 제안하는비트맵메모리공유방법은 built-in redundancy analysis (BIRA) 의면적을크게줄일수있다. 실험결과를통해서보면제안하는방법이면적부담을대략 80% 정도줄이는것을확인할수있다. Abstract In recent system-on-chip (SoC) designs, several hundred embedded memory cores have occupied the largest portion of the chip area. Therefore, the yield of SoCs is strongly dependent on the yield of the embedded memory cores. If all memories had built-in self repair (BISR) with optimal repair rates, the area overhead would be very large. A bit-map sharing method using a memory grouping is proposed to reduce the area overhead. Since the bit-map memory occupies the largest portion of the area of the built-in redundancy analysis (BIRA), the proposed bit-map sharing method can greatly reduce the area overhead of the BIRA. Based on the experimental results, the proposed method can reduce the area overhead by about 80%. Keywords : Memory grouping, Built-in self repair (BISR), Built-in Redundancy Analysis (BIRA), Bitmap memory sharing Ⅰ. 서론 * ** 정회원, 정회원-평생회원, 연세대학교전기전자공 학과 (Department of Electrical Electronic Engineering, Yonsei University) 이논문은 2010년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으 로한국연구재단의지원을받아수행된연구임 (No. 2010-0024707). 접수일자 : 2012년6월12일, 수정완료일 : 2012년8월16일 최근의시스템온칩디자인은매우많은수의임베디드메모리코어들을포함하고있고, 이러한임베디드메모리들은칩면적의대부분을차지하고있다 [1~2]. 이러한메모리들의용량과집적도가증가함에따라, 고장의수와종류또한증가하게되었다. 이러한고장들은 (237)
238 비트맵메모리공유를통해면적을크게줄인효율적인수리방법조형준외 메모리의수율과질을크게저하시키기때문에자가수리를할수있는 built-in self-repair (BISR) 이메모리를테스트하고수리하기위해설계되어왔다 [3~6]. 그러나만약이러한 BISR이모든메모리들에포함이된다면그에따른면적부담은매우커지게된다. 이와같은면적부담을줄이기위하여셀프테스트를할수있는기법인 built-in self test (BIST) 를공유하기위한메모리그룹화방법이제안되었다 [1]. 이러한메모리그룹화방법은직렬연결방법과병열연결방법의두가지의메모리연결방식으로나뉘게되는데, 이것은회로의크기와파워소비량에따라결정되게된다. 그러나이러한방법은 BIST만을공유하기때문에자가수리에대한내용은포함되어있질않으므로자가수리를할수있는설계방법인 built-in redundancy analysis (BIRA) 방식은따로설계되고고려되어야한다. 시스템온칩의메모리들을동시에수리하기위한방법또한개발이되었다 [7]. 이방법은칩의공간을줄이기위하여테스트와수리를할수있는 BISR 회로를시스템온칩의메모리를평행하게테스트하고수리할수있도록하는방법이다. 각각의래퍼는간단한수리알고리즘을포함하고, 이러한수리방법과분석을진행할수있도록제어하는제어회로를가지고있어서평행하게수리방법을찾을수있도록하는방식이다. 하지만이방법은최적의해결방법을찾을수없을뿐만아니라 BISR을공유하지않고모든메모리를위하여하나씩의 BISR을포함하고있기때문에, 면적에대한부담을줄일수없는단점이있다. 본논문에서제안하는방법은우선적으로면적부담을줄이고파워소비를줄일수있도록메모리들을그룹화한다. 이메모리그룹화방법은앞서언급한것처럼직렬혹은병렬연결방법으로나뉘게되는데, 병렬연결방법은워드의크기가똑같은메모리들을그룹화할때이용되게되고, 직렬연결방법은같은비트크기를가지는메모리들을그룹화할때이용하게된다. 병렬연결방법의장점은연결된메모리들을동시에테스트할수있다는장점이있지만그에따라파워소비량이매우커지게때문에, 직렬연결방법과병렬연결방법을동시에이용하는것이면적부담과파워소비를줄이는데가장적합하다고이야기할수있다 [1]. 또한본논문에서는 BIRA에대한면적부담을줄이기위하 여 BIRA의면적에가장큰부분을차지하는비트맵메모리를공유하는방법을제안한다. 이방법은많은수의메모리를가지고있는칩들의면적부담을크게줄일수있고, 뿐만아니라최적의해결책을찾을수있는 BIRA 알고리즘 [6] 을이용하기때문에최적의수리효율을가질수있게해준다. Ⅱ. 본론 1. 제안하는 BISR 공유방법메모리를수리하기위한 BIRA는반드시고장난셀들의주소를저장할수있는공간인비트맵을가지고있어야하는데, BIRA의가장큰면적을차지하는것이바로이비트맵메모리이다. 제안하는방법은이러한비트맵메모리를공유하여하나의비트맵이나혹은매우적은수의비트맵으로많은수의메모리들을수리할수있도록하는방식이다. 이와같이비트맵을공유하여사용하기때문에제안하는방식은 BIRA의면적을매우크게줄일수있게되는것이다. 또한제안하는방식은이러한하나의혹은적은수의비트맵뿐만아니라고장이없다고판명이된메모리나비트맵을이용하여그림 1. 제안하는방법의순서도 Fig. 1. Flow of the proposed method. (238)
2012 년 9 월전자공학회논문지제 49 권제 9 호 239 미리수리가된메모리들을비트맵처럼이용하여 BIRA 의면적을더크게줄일수있도록한다. 그림 1은제안하는방법의순서도를보여주는그림이다. 제안하는방법은가장먼저 BIST의면적을줄이기위하여 BIST를공유하는방식인 [1] 과유사한방법으로메모리그룹화를수행한다. 그다음에, 자가수리를할수있는 BIRA는 BIST가메모리테스트를수행한결과물을이용하여자가수리방법을찾는회로이기때문에, BIST의수에맞게 BIRA의수를정하게된다. 뿐만아니라일정한거리안에있는메모리들만이비트맵의공유가가능하기때문에, 메모리들끼리의거리에따라서비트맵의수를결정한다. 이렇게비트맵의수를결정한후에는메모리들의거리에따라비트맵을공유할수있도록라우팅을수행하게된다. 이러한라우팅방법은후에자세히설명하도록하겠다. 이렇게라우팅을수행한이후에는 BIST에의해연결된메모리들을테스트하고 BIRA에서이러한정보를토대로수리를위한솔루션을찾아서고장난메모리들을수리할수있게된다. 앞서이야기한바와같이, BIST는자가테스트를통하여고장에대한정보를 BIRA의비트맵에저장하여그림 2. 제안하는방법의 BISR 구조 Fig. 2. Proposed BISR structure. 이렇게저장된고장주소들을이용하여최적의수리방법을찾게된다. 제안하는방법은그림 2에서볼수있는것과같이, BIST의테스트결과물인고장에대한정보를담기위하여비트맵을 BIRA에서분리하여공유를하게된다. 만약비트맵을공유하지않게된다면모든메모리들은크기가큰비트맵을모두가지고있어야하기때문에, 자가수리를위한면적부담이너무크게되므로이와같이비트맵을따로생각하여공유를하게되어면적을크게줄일수있게된다. 그림 3과같이, 고장이발생한메모리들을수리하기위하여제안하는방법은하나의비트맵메모리나혹은고장이없다고판명난메모리혹은이미수리가끝난메모리들을비트맵으로이용하게된다. 그림에서볼수있는것과같이우선 BISR1을이용하여메모리1을테스트및수리를하고, 이렇게수리가된메모리1과비트맵을이용하여다른두개의메모리를테스트하고수리하는방식이다. 그림 4는비트맵을공유하는방법에대한하나의예제이다. 그림의 M1부터 M7은각각테스트및수리를하기위한메모리들을의미한다. 그림의그룹들은 [1] 의방식과동일한방법으로메모리공유방식을통하여메모리그룹이 4개로분리된것을의미한다. 이와같이분류된 4개의메모리그룹들을위하여하나의비트맵이필요하고이러한하나의비트맵메모리를통하여 7개의메모리를순차적으로모두테스트하고수리를할수있게된다. 가장먼저 M1이 BIST를통하여전달된고장난셀의주소를비트맵에저장하고이를이용하여수리를한다. 이와같이수리가끝난 M1 메모리와하나의비트맵메모리를이용하여이번에는 M2의고장난셀의 그림 3. 비트맵을공유하는방법 Fig. 3. Bit-map memory sharing method. 그림 4. 비트맵메모리를공유하는방법의예 Fig. 4. Example of sharing bit-map memory. (239)
240 비트맵메모리공유를통해면적을크게줄인효율적인수리방법조형준외 정보를 BIST를통하여 M1에저장하고, M3의고장난셀의정보는비트맵메모리에저장을한다. 이와같이저장된각메모리의고장난셀의주소에대한정보를각각이용하여또다시고장난셀들을여분의셀들을이용하여수리한후에, 다시 M4부터 M7의고장정보들을앞서수리가끝난메모리인 M1부터 M3와하나의비트맵에각각저장하고이를이용하여다시수리를진행한다. 이예제에서보는바와같이제안하는방법은오로지하나의비트맵을이용하여모든메모리를테스트하고수리할수있기때문에고장을수리하기위한 BIRA의면적을크게줄일수있게된다. 사실상병렬연결방법은동시에모든메모리를테스트하고수리를하여야하기때문에, 모든메모리가개별적인비트맵메모리를가지고있어야한다. 이러한이유때문에, 제안하는방법은병렬연결보다는직렬연결에최적화되어이용이가능하다. 하지만앞서이야기한바와같이병렬연결만을이용하여메모리를그룹화한다면면적의부담이너무커지고동시에소비하는파워소비량또한크게증가하기때문에, 직렬연결과병렬연결을동시에수행하여야하며, 이렇게동시에이용하게된다면제안하는방법은하나혹은적은수의비트맵을이용하여테스트및수리가가능하게된다. 하지만이렇게직렬연결과병렬연결을동시에이용하기때문에비트맵의수를최소화하기위하여무조건적으로가장적은수의비트맵을이용하게되면, 때에따라서는추가적인시간이소요가되게된다. 그러므로제안하는방법은이러한추가시간의소요를막기위해서하나의 BIST에직렬연결된메모리들의수에따라서비트맵의수를미리정하여, 추가시간의소요를막는방식으로진행을하게된다. 예를들어, 만약하나의 BIST에직렬연결된메모리의수가가장많은 BIST의수가두개라면비트맵의수또한두개로늘려서한꺼번에수리를진행할수있도록하여추가로발생하는시간을사전에예방하는것이다. 이와같이비트맵을공유하기위해서는비트맵을공유하여테스트할메모리의거리와주파수또한고려해야한다. 수리할메모리와비트맵의거리가너무멀다면서로공유할수없기때문에특정거리안의메모리만을공유하게되고, 또한주파수가다른메모리는공유를할수없기때문에같은주파수를가지는메모리만을대상으로비트맵을공유하게된다. 2. 거리에따른비트맵공유방법 [1] 의 BIST를공유하는방법과는달리제안하는방법의비트맵공유방식은같은고장그룹의메모리만을이용할필요가없이, 다른그룹의메모리도고장정보를저장하기위해서이용하게된다. 하지만이렇게공유를하기위해서는반드시고장정보를저장할메모리와고장수리를진행할메모리와의거리가특정거리이하에있어야만한다. 때문에그림 4의방법과같이무조건적으로그룹안의메모리를이용하지않고, 다른그룹의메모리를때때로이용할수있도록라우팅을해주어야만한다. 이처럼특정거리안에있도록하게하는거리는설계환경에따라다르게설정이될것이다. 예를들어테스트하고수리해야할메모리그룹이 V = {m1, m2, m3,..., mn} 라고한다면, 메모리와고장정보를저장할메모리와의거리 D는 와같이정의될수있다. 여기서 xi, yi는각각 mi의 x좌표와 y좌표이다. 이와같이만약고장정보를저장한메모리와고장을수리할메모리의거리가 D보다크다면, 그메모리가아닌다른메모리를이용하여고장을수리하여야만한다. 그러므로라우팅을통해메모리의거리를계산하여고장정보를저장할메모리와저장된정보를이용할메모리의거리를 D 이하로모두매칭을시켜야만한다. 만약메모리중에수리불가능한메모리가발생한다면, 그메모리는사용할수없기때문에존재하지않는메모리로간주하고라우팅을진행하게된다. 그림 5는그림 4와같은메모리그룹의예제로써, 비 그림 5. 거리에따라비트맵을공유하기위한라우팅 방법 Fig. 5. Routing method for bit-map sharing according the distance. (240)
2012 년 9 월전자공학회논문지제 49 권제 9 호 241 트맵메모리를 M0이라고지칭하고 M0부터 M7까지각각의메모리의숫자가증가할때마다거리가 1씩증가한다고가정하자. 그러면 M0과 M1의거리는 1이되고, M0와 M7의거리는 7이된다. 설계상황을고려하여거리 D가 4라고정의하면모든메모리는고장정보를저장할메모리와의거리가 4가넘으면안된다. 그러므로그림 4의예에서 M7는고장정보를저장할메모리로써 M0를이용하게되는데이렇게되면거리가 7이되어 D인 4를넘게되어이용할수없게된다. 그러므로그림 5와같이라우팅을통하여모든메모리의간격이 4 이하로맞춰주게되어비트맵메모리하나만을이용하여도모든메모리를테스트하고수리할수있게된다. 비록라우팅을위한오버헤드가추가되겠지만, 비트맵의공유를통한하드웨어오버헤드의축소가훨씬크기때문에실제로하드웨어오버헤드는줄어들게된다. 3. 면적을계산하는방법 본논문에서 BIST는 [1] 에서제안하는방식대로공유를하였기때문에 BIST는 [1] 과같은방식으로면적을계산하였다. 그계산방식은 [1] 에명시되어있으므로생략하도록하겠다. 제안하는방식은 BIRA의면적을줄이는것으로서, BIRA에서는비트맵의면적이대부분을차지하기때문에본논문에서는이와같은비트맵의크기에따라서면적을계산하고비교하였다. 비트맵크기의경우에는알고리즘에따라비트맵의면적계산이다르게된다. 그래서본논문에서는 100% 수리효율을보이면서면적이가장작은 BRANCH[6] 알고리즘에따라서 BIRA 의면적을계산하였다. 그계산방법은다음수식 (1) 과같다. 수식 (1) 에서 RS과 CS는리던던시열과리던던시행의수를의미하고, M과 N은메모리열과메모리행의비트수를의미한다. (1) 위와같은수식들에따라서비트맵을공유하지않은 BIRA와비트맵을공유한 BIRA의면적을비교하였다. Ⅲ. 실험 앞서설명한바와같이 BIST 면적의크기는 [1] 에서사용한메모리공유법에따라서계산하였으므로, 본논문에서는생략하고 BIRA가차지하는면적에대한실험만을진행하였다. BIRA의면적을계산하기위해서본논문에서는표 1에서볼수있는메모리들을이용하였다. 첫번째열은메모리의번호를의미하고, 두번째행은각메모리의비트크기, 세번째행은워드의크기, 다섯번째행은메모리공유를위해같아야하는주파수의크기, 그리고네번째행은용량에따른 BIRA의크 표 1. 실험을위해이용한메모리들의정보 Table 1. Memory information. No. 비트워드의주파수메모리블록의수위치크기크기 (MHz) 용량 (Mb) X Y 1 16 128 133 10 10 10 2 16 128 133 10 10 20 3 16 128 266 10 10 30 10, 4 16 128 266 10 10 40 20, 5 16 256 133 20 20 50 30, 6 16 256 133 20 20 60 40, 7 16 256 133 20 20 70 8 16 256 133 20 20 80 50 9 32 512 133 40 40 90 10 32 512 133 40 40 100 표 2. BIRA의면적비교 Table 2. Area comparison of BIRA. 공유하지공유한메모그룹비트비율않은 BIRA BIRA 리수의수맵수 (%) (#bit) (#bit) 3 2 202301 134867 2 33.3 4 2 269734 134867 2 50.0 5 2 404602 202301 2 50.0 6 3 539469 202301 2 62.5 7 3 674336 202301 2 70.0 8 3 809203 269734 3 66.7 9 4 1078937 269734 3 75.0 10 4 1348672 269734 3 80.0 11 5 1416105 269734 3 81.0 12 5 1483539 269734 3 81.8 13 6 1550973 337168 4 78.3 14 6 1618406 337168 4 79.2 15 6 1753273 472035 5 73.1 20 8 2697344 539469 6 80.0 30 12 4046015 809203 9 80.0 40 16 5394687 1078937 12 80.0 50 20 6743359 1348672 15 80.0 (241)
242 비트맵메모리공유를통해면적을크게줄인효율적인수리방법조형준외 기를계산하기위한메모리용량, 그리고그에따른블록의수는여섯번째열에그리고마지막두열은각메모리의위치를변화시키기위한메모리위치를나타낸다. 각메모리의 X좌표는표에나타난바와같고, Y 의수치는메모리의숫자가늘어날때마다 10씩늘어나고 50이넘으면다시 10으로돌아가다시차례대로늘어나는형식으로변화시켰다. 그리고본논문에서는메모리블록의고장을수리하기위해, 모든메모리에동등하게 5개씩의여분의 row와 column 을가진것으로가정하였다. 표 1에서의각기다른종류의메모리 10종류를가지고메모리의개수를늘려가면서실험하였다. 표 2는그에따른결과를나타낸표이다. 표 2에서볼수있는것과같이메모리의수는 3개에서 50개까지표 1의메모리들을이용하여늘려가면서실험하였다. 두번째열에서볼수있는것은메모리의수를늘려감에따라늘어나게되는그룹의수이고, 세번째열은비트맵을공유하지않았을때 BIRA의면적이고, 네번째열은비트맵을공유하였을때 BIRA의면적이다. 다섯번째열은공유할때이용한비트맵의수를보여준다. 본논문에서의모든실험은비트맵을공유하는데있어서, 거리 D는 50으로정하고각메모리가비트맵을공유하는데있어서거리가 50이넘어가면공유하지못하도록세팅하고실험하였으며, 같은주파수를갖지않는메모리끼리는비트맵을공유하지않았다. 그렇기때문에다섯번째열에서볼수있는것과같이공유하고이용한비트맵의수가그에따라달라지는것을확인할수있다. 본논문에서제안하는것과같이비트맵을공유하였을때그에따른 BIRA 면적의줄어든비율이마지막열에나타난다. 마지막표에서볼수있는것과같이비트맵을공유하였을때, BIRA 의면적은개수가늘어날수록줄어드는비율이늘어나게되고 20개이상에서는 80% 로동일한것을볼수있다. 그러므로본논문에서제안하는비트맵공유방법을이용하면대략적으로 BIRA의면적을 80% 정도줄어들게한다고이야기할수있다. 기존의논문들은 BIST의공유만을제안하였지만, 이와같이 BIST의면적뿐만아니라 BIRA의면적또한줄임으로써전체적인하드웨어오버헤드를크게줄일수있다. Ⅳ. 결론 시스템온칩기술개발이발달함에따라집적도가증가함에따라고장의수또한증가하기때문에메모리의고장을테스트하고수리하는것은필수사항이되었다. 본연구에서는수많은임베디드메모리를테스트하고수리하기위해서이용되는 BISR를공유해서테스트및수리를위한면적을줄이는방법을제안하였다. BIRA에서가장큰면적을차지하는비트맵을공유함으로써, 직렬또는병렬로연결된메모리들을테스트하고수리해서, 면적을크게 80% 까지줄일수있다는것을실험을통하여확인할수있었다. 참고문헌 [1] M. Miyazaki, T. Yoneda, H. Fujiwara, A memory grouping method for sharing memory BIST logic, in Proc. of Asia and South Pacific Conf. 2006. [2] P. Bernardi, L. Ciganda, An Adaptive Low-Cost Tester Architecture Supporting Embedded Memory Volume Diagnosis, IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, vol. 61, Issue 4, pp. 1002-1018, April, 2012. [3] 김기철, 강성호, 내장된자체테스트를위한저전력테스트패턴생성기구조, 전자공학회논문지, 제 47 권 SD 편, 제 8 호, 29-35 쪽, 2010 년 8 월. [4] H. Cho, W. Kang, and S. Kang, A Built-in Redundancy Analysis with a Minimized Binary Search Tree, ETRI Journal, vol. 32, no. 4, pp. 638-641, Aug, 2010. [5] 정우식, 강우헌, 강성호, 불량예비셀을고려한자체내장수리연산을위한분석영역가상화방법, 전자공학회논문지, 제 47 권 SD 편, 제 11 호 24-30 쪽, 2010 년 12 월. [6] W. Jeong, J. Lee, T. Han, K. Lee, S. Kang, An Advanced BIRA for Memories With an Optimal Repair Rate and Fast Analysis Speed by Using a Branch Analyzer, IEEE Trans. on Computer-Aided Design, Vol. 29, Issue 12, pp. 2014-2026, Dec., 2010. [7] T.-W. Tseng, J.-F. Li, and C.-S. Hou, A Built-in Method to Repair SoC RAMs in Parallel, IEEE Trans. on Design & Test of Computers, vol. 27, issue 6, pp.46-57, Dec., 2010. (242)
2012 년 9 월전자공학회논문지제 49 권제 9 호 243 저자소개 조형준 ( 정회원 ) 2005 년연세대학교전기전자공학과학사졸업. 2007 년연세대학교전기전자공학과석사졸업. 2012 년현재연세대학교전기전자공학과박사과정. < 주관심분야 : Diagnosis, DFT, SoC 테스트 > 강성호 ( 정회원 ) 1986 년 2 월서울대학교제어계측공학과학사졸업. 1988 년 6 월 The University of Texas, Austin 전기및컴퓨터공학과석사졸업. 1992년 6월 The University of Texas, Austin 전기및컴퓨터공학과박사졸업. 1992년 미국 Schlumberger Inc. 연구원 1994년 Motorola Inc. 선임연구원 2012년 현재연세대학교전기전자공학과교수 < 주관심분야 : SoC 설계및 SoC 테스트 > (243)