CN106782666A - 一种三维堆叠存储器 - Google Patents

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Abstract

一种三维堆叠存储器，包括多层存储器，每层存储器包括：由存储单元排布成的存储阵列，用于存储数据；备用存储单元，用于作为冗余资源替换故障存储单元；内建自测试模块，用于对存储器进行测试，并标定存储阵列中故障存储单元的位置；冗余资源替换模块，用于使用故障存储单元所属层的备用存储单元及与其相邻层中的备用存储单元按照内建自测试模块标定的故障存储单元的位置对故障存储单元进行替换。因为，冗余资源替换模块使用故障存储单元所属层的备用存储单元及与其相邻层中的备用存储单元按照内建自测试模块标定的故障存储单元的位置对故障存储单元进行替换，所以在较少硅通孔面积的条件下可提高冗余资源的利用率和故障单元修复率。

Description

一种三维堆叠存储器
技术领域
本发明涉及存储器领域，具体涉及一种三维堆叠存储器。
背景技术
三维堆叠存储器利用硅通孔(TSV)、微凸点(Micro Bump)等构成垂直方向的信号通路，实现二维存储器芯片的纵向堆叠，可以使存储器在集成度和存储器访问带宽两方面同时获得改善，是突破计算机性能提升的"存储墙″问题的一种重要手段。JEDEC已经制定了面向存储器与逻辑电路三维堆叠应用的WideI/O接口标准，大大提升了三维堆叠存储器的三维堆叠集成能力。三维堆叠存储器的示意图如图1所示，据预测，在不久的将来三维堆叠存储器将在大规模存储与高性能计算领域发挥重要的作用。
存储器是典型的高集成度、小尺寸器件的芯片，物理缺陷造成的存储单元故障十分常见。为了增加存储器的成品率，往往需要通过在存储阵列中增加冗余存储行和/或存储列的方式来对故障存储单元进行修复。在系统上电自检时，通过运行存储器测试程序或激活存储器自建内测试(BIST)机制可以获得存储单元的故障信息，故可使用冗余的存储资源对故障存储单元进行替换，从而修复故障，维持存储器的完好。三维堆叠存储器同样需要设计冗余修复机制来增强其使用可靠性。当前三维堆叠存储器的冗余修复策略有以下几类：
第一类，层内冗余修复：与二维存储器相同，三维堆叠存储器中的每层存储器仅使用本层的冗余存储资源进行故障单元修复。该策略实现简单，但修复率和冗余存储资源利用率不高。
第二类，整层冗余修复：将三维堆叠存储器中的一层存储器作为冗余资源池，其它层中不设冗余存储器资源。当发现其它层中出现故障单元时，均利用该层存储器进行冗余修复。这种策略可以实现100％的修复，但冗余资源的利用率很低。
第三类，全局冗余修复：三维堆叠存储器中每层均设置冗余存储资源，且允许存储资源的全局共享，即任何层中的故障单元可任选本层或其它层中的冗余存储资源进行修复。这种策略可以实现很高的修复率，但是各层之间均需布置TSV通路，造成很大的TSV面积。此外，这种修复策略的控制过于复杂，实现难度大。
第四类，结对冗余修复：三维堆叠存储器中每层均设置冗余存储资源，将三维堆叠存储器中的每两层结为一对，在这两层之内的故障存储单元可以共享这两层中的冗余存储资源，但不同对存储器层之间的冗余存储资源不可共享。这种策略可以在较小的TSV面积代价下实现较好的修复率，且通过共享提高了冗余存储资源的利用率。
由于TSV尺寸的微缩慢于晶体管尺寸的缩小，因此对于集成度与面积敏感的存储器芯片而言，过多的TSV将带来不可忍受的面积代价。现有的全局冗余修复策略需要增加大量的TSV，从而使得这种策略的实现代价大大增加。层内冗余修复策略和整层冗余修复策略的资源利用率均偏低，而结对冗余修复策略不能有效共享结对层之间的冗余存储资源，也限制了冗余存储资源的利用率。
发明内容
针对三维堆叠存储器中冗余修复存在的问题，本申请提供一种三维堆叠存储器。
一种实施例中，提供一种三维堆叠存储器，包括多层存储器，每层存储器包括：
由存储单元排布成的存储阵列，存储单元用于存储数据；
备用存储单元，用于作为冗余资源替换故障存储单元，备用存储单元与相邻层的备用存储单元相连；
内建自测试模块，用于对存储器进行测试，并标定存储阵列中故障存储单元的位置；
冗余资源替换模块，用于使用故障存储单元所属层的备用存储单元及与其相邻层中的备用存储单元按照内建自测试模块标定的故障存储单元的位置对故障存储单元进行替换。
一种实施例中，备用存储单元包括行备用存储单元和列备用存储单元，存储器还包括故障分析模块，故障分析模块用于根据内建自测试模块标定的故障存储单元的位置对故障存储单元进行故障分类，并根据备用存储单元的数量判定存储器是否可修复，冗余资源替换模块根据故障存储单元的分类使用行备用存储单元或列备用存储单元对故障存储单元进行替换。
一种实施例中，故障分析模块将故障存储单元分类为行故障、列故障和正交单个单元故障，冗余资源替换模块使用行备用存储单元替换分类为行故障的故障存储单元，使用列备用存储单元替换分类为列故障的故障存储单元，使用行备用存储单元或列备用存储单元替换分类为正交单个单元故障的故障存储单元。
一种实施例中，备用存储单元与相邻层的备用存储单元通过硅通孔或微凸点相连。
一种实施例中，冗余资源替换模块优先利用故障存储单元所属层的上层存储器中的备用存储单元对故障存储单元进行替换修复，当上层存储器中的备用存储单元数量不足以满足修复需求时，则使用故障存储单元所属层的备用存储单元对故障存储单元进行替换修复，当故障存储单元所属层的备用存储单元数量不足以满足修复需求时，则使用下层存储器中的备用存储单元对故障存储单元进行替换修复。
依据上述实施例的三维堆叠存储器，其基于相邻层间冗余资源共享策略，使得冗余资源替换模块不仅可以使用故障存储单元所属层的备用存储单元按照内建自测试模块标定的故障存储单元的位置对故障存储单元进行替换，还可以使用与其相邻层中的备用存储单元按照内建自测试模块标定的故障存储单元的位置对故障存储单元进行替换，所以本发明较少硅通孔面积的条件下，可提高冗余资源的利用率和故障单元修复率。
附图说明
图1为三维堆叠存储器的结构示意；
图2为三维堆叠存储器原理框图；
图3为每一层存储器的电路原理图；
图4为故障存储单元替换流程图；
图5为一个四层的三维堆叠存储器的相邻层间冗余资源共享图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
在本发明实施例中，基于相邻层间冗余资源共享，通过合理设计三维堆叠存储器的修复策略，以达到提高存储器中冗余资源的利用率和较高的故障单元修复率，同时还可以有效避免死锁问题。
本实施例提供一种三维堆叠存储器，包括多层存储器1，每层存储器1包括：存储阵列11、备用存储单元12、内建自测试模块13、冗余资源替换模块15，其原理框图如图2所示。
具体的，存储阵列11由存储单元排布形成，存储单元用于存储数据。备用存储单元12用于作为冗余资源替换故障存储单元，而且，备用存储单元12与相邻层的备用存储单元12相连，如，通过硅通孔或微凸点相连以在相邻层中的备用存储单元12之间形成信号通路，使得每一层存储器都可以通过信号通路获得相邻层存储器的冗余资源，从而达到相邻层间的冗余资源共享的目的。内建自测试模块13用于对存储器进行测试，并标定存储阵列11中故障存储单元的位置；冗余资源替换模块15用于使用故障存储单元所属层的备用存储单元12及与其相邻层中的备用存储单元12按照内建自测试模块13标定的故障存储单元的位置对故障存储单元进行替换。
进一步，本例的三维堆叠存储器还包括选择器，该选择器是一个二选一的选择器，其根据一控制信号选择存储阵列11中非故障存储单元的数据作为存储器的输出数据，或选择备用存储单元12中的数据作为存储器的输出数据。
进一步，备用存储单元12包括行备用存储单元121和列备用存储单元122，存储器还包括故障分析模块14，故障分析模块14用于根据内建自测试模块13标定的故障存储单元的位置对故障存储单元进行故障分类，本例中，故障分析模块14将故障存储单元分类为行故障、列故障和正交单个单元故障，其中，行故障指一行存储单元中有两个以上故障存储单元，列故障指一列存储单元中有两个以上故障存储单元，正交单个单元故障指该故障存储单元是其所在行和列中的唯一的故障单元。
进一步，故障分析模块14根据备用存储单元12的数量判定存储器是否可修复，如果存储器可修复，则冗余资源替换模块15根据故障存储单元的分类使用行备用存储单元121或列备用存储单元122对故障存储单元进行替换，具体的，冗余资源替换模块15使用行备用存储单元121替换分类为行故障的故障存储单元，使用列备用存储单元122替换分类为列故障的故障存储单元，使用行备用存储单元121或列备用存储单元122替换分类为正交单个单元故障的故障存储单元。
本例提供的三维堆叠存储器中每一层存储器1的电路原理图如图3所示，每一层存储器对该层中故障存储单元进行替换的工作原理为：存储阵列11中的存储单元对存储器进行读和写的操作控制，以记录存储器的数据和地址，内建自测试模块13对存储阵列11中的存储单元进行测试，并标定存储阵列11中故障存储单元的地址，故障分析模块14根据内建自测试模块13标定的故障存储单元的地址进行分析，根据分析结果对故障存储单元进行分类，如将其分类为行故障、列故障或正交单个单元故障，然后将已分类的故障存储单元地址及故障类型形成一列表存储于故障列表中；故障列表将获取的故障单元的数据和地址映射到冗余资源模块15内，冗余资源替换模块15根据映射的故障存储单元的数据和地址利用备用存储单元12对故障存储单元进行替换，并将替换的结果反馈到故障分析模块14；另外，故障列表向选择器发送一控制信号，该控制信号用于控制选择器的输出，例如，该控制信号为0时表示存储阵列中存在故障存储单元，当选择器读取存储阵列11中的故障存储单元的数据时，直接从冗余资源模块15中读取对该故障存储单元替换的数据作为存储器的输出数据，当该控制信号为非0时，表示存储阵列11中不存在故障存储单元，选择器直接从存储阵列中读取数据作为存储器的输出数据。
进一步，冗余资源替换模块15对故障存储单元替换的流程如图4所示，本例的三维堆叠存储器对故障存储单元的替换策略是：若故障存储单元所属层存在相邻的上层存储器，则申请上层存储器中的备用存储单元12进行替换修复，优先利用故障存储单元所属层的上层存储器中的备用存储单元12对故障存储单元进行替换修复；若上层存储器中的备用存储单元12的数量不满足修复时，则申请故障存储单元所属层中的备用存储单元12进行替换修复；若上层存储器中的备用存储单元12的数量与故障存储单元所属层中的备用存储单元12的数量之和仍不满足修复时，且故障存储单元所属层存在相邻的下层存储器，则申请下层存储器中的备用存储单元12进行替换修复；若上层存储器、本层存储器和下层存储器中的备用存储单元12之和仍不足以满足其修复需求时，则冗余修复失败。
根据上述替换策略进行修复时，从最高层的存储器开始，以逐层向下的顺序进行修复。所有层均按照以上原则进行修复，这种顺序修复过程可有效避免修复过程中的死锁问题。另外，除最低层和最高层存储器仅可利用2层冗余存储资源外，其余各层存储器均可利用3层冗余存储资源，因此可以获得较高的故障修复率。
在其他实施例中，可以优先用故障存储单元所属层的下层存储器中的备用存储单元12对故障存储单元进行替换修复，当下层存储器中的备用存储单元12数量不足以满足修复需求时，则使用故障存储单元所属层的备用存储单元12对故障存储单元进行替换修复，当故障存储单元所属层的备用存储单元12数量不足以满足修复需求时，则使用上层存储器中的备用存储单元12对故障存储单元进行替换修复。
如图5所示，本实施例以一个四层的三维堆叠存储器为例，其中，相邻层存储器中的备用存储单元12通过硅通孔相连形成信号通路2，使得，L1层的存储器与L2层的存储器通过信号通路2共享冗余资源，L2层的存储器可以与L1层的存储器和L3层的存储器通过信号通路2共享冗余资源，L3层的存储器可以与L2层的存储器和L4的存储器层通过信号通路2共享冗余资源，L4层的存储器与L3层的存储器通过信号通路2共享冗余资源。
假设，L3层的存储器的存储阵列11中存在故障存储单元，冗余资源替换模块15先请求L4层的存储器中的备用存储单元12对故障存储单元进行替换修复，当L4层的存储器中的备用存储单元12数量不足以满足修复需求时，则请求本层的备用存储单元12对故障存储单元进行替换修复，当本层的备用存储单元12数量不足以满足修复需求时，则请求L2层存储器中的备用存储单元12对故障存储单元进行替换修复，当L4层、L3层及L2层的备用存储单元12的数量之和仍不满足对故障存储单元的替换时，则修复失败。
根据本实施例提供的三维堆叠存储器，该三维堆叠存储器需要如下三类硅通孔。
第一类硅通孔，用于冗余资源互连；假设每个存储器的冗余行数量为m，冗余列数量为n，三维存储器的堆叠芯片层数为L，每个硅通孔在芯片上所占面积为S，结对冗余共享策略、全局冗余修复策略及本实施例提供的冗余修复方法所需的硅通孔总数和硅通孔在每一层所占的面积如下表所示，本例中用于冗余资源互连的硅通孔每一层需要m+n个，与结对冗余方式相比并未增加。
第二类硅通孔，表示本层冗余资源是否足够用于修复本层的故障存储单元的标志信号。当该硅通孔信号值为0时，表示本层冗余资源不够，对于与之连接的邻近层来说，这意味着这一层对其的请求信号。当信号值为1时，表示本层冗余资源够用，邻近层根据此信号可知这一层有冗余资源剩余，即可向这一层申请冗余资源。冗余行和冗余列各需要1个标志位，故共需两根硅通孔。
第三类硅通孔，用于表示冗余资源申请数量或者剩余冗余资源数量。当本层冗余资源是否够用的标志信号值为1时，第三类硅通孔上的信号值表示本层剩余冗余资源的数量；反之，可用于表示向相邻层申请冗余资源的数量。每一层接收到的冗余资源申请总数为所有相邻层发来的冗余资源的申请数量之和。冗余资源申请信息包含行修复申请、列修复申请和正交单个单元故障修复申请。每一层向外发出的行修复申请数量不大于冗余行数量m，列修复申请数量不大于冗余列数量n，正交单个单元故障修复申请数量不大于m+n。
因此，除去用于冗余资源互连的硅通孔，本例的三维堆叠存储器中自建内测试机制共需要的硅通孔数量为log2m+log2n+log2(m+n)+2。关于结对冗余和全局冗余并未分析这类硅通孔开销，但由其原理可知，结对冗余策略的自建内测试机制在组内层间也需要与邻近层冗余相同数量的第二类和第三类硅通孔，但组间层之间无需设置硅通孔。对于全局冗余策略而言，由于需要标定冗余资源申请来自于哪一层，因此所需的第二类和第三类TSV的数量必然大于本例的硅通孔数量。
本实施例的三维堆叠存储器故障修复能力如下：
假设各层的行故障数为Fmi，列故障数为Fni，正交单个单元故障数为Fsi，其中i取值为[1～L]，备用行、列数量分别为m、n。结对冗余和邻近层冗余策略的不可被修复的最宽松条件如下表所示。根据下表可知，相对于结对冗余修复策略，本例的冗余修复方法的单层最大可修复的故障数较多，优于结对冗余修复策略。
有故障。邻近层冗余共享策略的修复能力劣于全局冗余策略。但是全局冗余策略所需的硅通孔数量与邻近冗余共享策略相比高出数倍，因此实际上是用面积代价换取修复能力的提升，对面积约束严格的存储器类产品而言，具有相当大的设计实现难度。
采用Polya-Eggenberger分布在存储器阵列中注入固定故障，考虑存储阵列规模、冗余资源配置数量、三维存储器堆叠层数以及故障注入数量等因素，进行了故障修复率的模拟。模拟结果如下表所示。其中，Fmax和Favg分别表示各层中注入的最大故障数量和平均故障数量，R和C表示各层中的冗余行数量和冗余列数量。可见，本例所提出的相邻层间冗余资源共享的存储器修复方法可以获得比结对冗余修复策略更优的修复效果。
由上述对比分析可知：本例的三维堆叠存储器具有硅通孔面积代价适中、高冗余资源利用率、高故障存储单元修复能力的优点。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (5)

1.一种三维堆叠存储器，包括多层存储器，其特征在于，每层存储器包括：
由存储单元排布成的存储阵列(11)，所述存储单元用于存储数据；
备用存储单元(12)，用于作为冗余资源替换故障存储单元，所述备用存储单元(12)与相邻层的备用存储单元(12)相连；
内建自测试模块(13)，用于对存储器进行测试，并标定存储阵列(11)中故障存储单元的位置；
冗余资源替换模块(15)，用于使用故障存储单元所属层的备用存储单元(12)及与其相邻层中的备用存储单元(12)按照内建自测试模块(13)标定的故障存储单元的位置对故障存储单元进行替换。
2.如权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述备用存储单元(12)包括行备用存储单元(121)和列备用存储单元(122)，所述存储器还包括故障分析模块(14)，所述故障分析模块(14)用于根据内建自测试模块(13)标定的故障存储单元的位置对故障存储单元进行故障分类，并根据备用存储单元(12)的数量判定存储器是否可修复，所述冗余资源替换模块(15)根据故障存储单元的分类使用行备用存储单元(121)或列备用存储单元(122)对故障存储单元进行替换。
3.如权利要求2所述的存储器，其特征在于，故障分析模块(14)将故障存储单元分类为行故障、列故障和正交单个单元故障，冗余资源替换模块(15)使用行备用存储单元(121)替换分类为行故障的故障存储单元，使用列备用存储单元(122)替换分类为列故障的故障存储单元，使用行备用存储单元(121)或列备用存储单元(122)替换分类为正交单个单元故障的故障存储单元。
4.如权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述备用存储单元(12)与相邻层的备用存储单元(12)通过硅通孔或微凸点相连。
5.如权利要求1-4中任一项所述的存储器，其特征在于，冗余资源替换模块(15)优先利用故障存储单元所属层的上层存储器中的备用存储单元(12)对故障存储单元进行替换修复，当上层存储器中的备用存储单元(12)数量不足以满足修复需求时，则使用故障存储单元所属层的备用存储单元(12)对故障存储单元进行替换修复，当故障存储单元所属层的备用存储单元(12)数量不足以满足修复需求时，则使用下层存储器中的备用存储单元(12)对故障存储单元进行替换修复。
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