Speichertest mit vollem Speed

Siegfried König, Advantest, München

Die Taktrate des Prozessors eines durchschnittlichen PCs hat sich seit den Anfängen vor ungefähr 20 Jahren von etwa 5 MHz auf mittlerweile über 1 GHz erhöht. Ähnlich sieht es auch beim Arbeitsspeicher aus, der sich im selben Zeitraum von anfangs 64 KByte auf nun 64 MByte vergrößert hat, also um den Faktor 200 bzw. 1000. Probleme bereitet dagegen die Geschwindigkeit des Hauptspeichers, hier konnte die Zugriffszeit von anfangs etwa 200 ns bei DRAMs (Dynamic Random Access Memory) auf heute etwa 10 ns gesenkt werden. Dies entspricht nur einem Faktor von 20. Solange der Prozessor nicht wesentlich schneller als der Speicher war, stellte dies kein Problem dar. Die Geschwindigkeitsdifferenz lief jedoch über die Jahre immer weiter auseinander. Heu-te arbeitet der Prozessor in einem PC mit einer Taktrate von beinahe 1 GHz, während der Speicherbus normalerweise mit einer Taktrate von etwa 100 MHz kaum folgen kann. Beim Ausführen von sehr speicherintensiven Programmen stellt der Speicher damit einen Engpass dar, der die Leistung eines PCs bremst. Dieses Problem wurde zwar von der Industrie bereits vor Jahren erkannt und durch kontinuierliche Weiterentwicklung der DRAM-Speicherbauteile immer weiter verbessert, trotzdem bestand immer noch eine eklatante Leistungsdifferenz zwischen Prozessor und Speicher.

Einen deutlichen Leistungsschub brachte erst die Entwicklung des SDRAM (Synchronous DRAM). Gegenüber gewöhnlichen DRAMs besteht das SDRAM aus zwei unabhängigen Speicherbänken, die individuell oder wechselseitig (inter-leave) gelesen und adressiert werden können. Diese Architektur ermöglicht das Adressieren einer Speicherbank, während gleichzeitig aus der anderen Speicherbank die Daten ausgelesen werden. Dadurch wird die immer noch vergleichsweise langsame Zugriffszeit der DRAM-Technik durch ein ausgeklügeltes Zugriffsverfahren und eine geschickte Aufteilung des Speichers kompensiert. SDRAMs sind zur Zeit für Bustaktraten von 100 und 133 MHz erhältlich und arbeiten synchron zum Prozessortakt. Hierdurch lässt sich eine Datenrate von etwa 800 MByte/s erreichen. Noch bessere Leistungen können mit DDR-SDRAMs (Double-Data-Rate-SDRAM) erreicht werden, da hier eine Datenübertragung sowohl auf der steigenden, wie auch auf der fallenden Flanke des Taktsignals erfolgt. Da außerdem die Bussynchronisation verbessert und ein Data-Strobe-Signal (DQS) eingeführt wurde, das anzeigt, wann die Daten am Ausgang gültig sind, konnte die Datenrate bis auf 1600 MByte/s erhöht werden. Neuste Versionen erreichen inzwischen Datenraten von bis zu 2,1 GByte/s. Doch auch hier gibt es noch Potential für Verbesserungen. Inzwischen wird bereits an der nächsten Generation (DDR-II) gearbeitet, die mit einer höheren Taktrate arbeitet und demnächst auf den Markt kommt. Gerade durch die steigenden Anforderungen hinsichtlich der Verarbeitungsgeschwindigkeit von PCs und Servern, bei letzteren besonders durch die zunehmende Zahl der Internet-Anwendungen, wird die Verfügbarkeit von schnellen Speicherbauteilen immer wichtiger. Viele OEMs setzen daher für den Einsatz im Hauptspeicher verstärkt auf die schnellen DDR SDRAMs.

Aufgrund der anderen Architektur der DDR-SDRAMs gegenüber den SDRAMs sind die bisher bei DRAMs oder SDRAMs eingesetzten Testsysteme nicht mehr für den Test von DDR-SDRAMs geeignet. Zu den wichtigsten Unterschieden gehören dabei eine höhere Zugriffsgeschwindigkeit, gesteigerte Anforderungen an die Genauigkeit und in einigen Fällen auch die Anforderung, das Timing-Jitter an den Ausgängen der Bauteile zu messen. Speziell für den Test von SDRAM, SSRAM (Synchronous-Static-RAM) und DDR-SDRAMs hat Advantest die Speichertestsysteme T5585 und T5586 entwickelt. Sie haben eine maximale Testgeschwindigkeit von 250 bzw. 500 MHz im Double-Data-Rate Modus. Durch ein spezielles Kühlsystem erreichen die Systeme intern stabile Temperaturverhältnisse, wobei der Testkopf durch eine Flüssigkeitskühlung und das Mainframe des Testers durch eine Luftumwälzung auf einer konstanten Temperatur gehalten wird. Da hierdurch die Temperaturschwankungen gering gehalten werden können und zudem eine spezielle Kalibrierung (High-Precision-Calibration) durchgeführt werden kann, lässt sich für das Sys-tem besser als die Standardabweichung (Overall Timing Accuracy) von ±400 ps kalibrieren. Das Modell T5586 enthält gegenüber dem Modell T5585 zusätzlich eine Funktion für den DQS-Pin. Dieses Data-Output-Strobe Signal (DQS) ist ein spezielles Merkmal der DDR-SDRAMs, das die Verfügbarkeit der Daten am Ausgang anzeigt. Je nach Typ des DDR-SDRAMs (x16 oder x32 Organisation) sind ein oder zwei DQS-Pins vorhanden. Wird beim Test der Takt des Testsystems verwendet, dann müssen die Zeitunterschie-de des Strobe-Signals kontinuierlich berechnet werden. Dieser Prozess ist sehr zeitaufwändig und führt zu geringeren Ausbeuten. Advantest hat daher eine neue Funktion (Tracing-Check) für das System T5586 entwickelt, welche die Zeitdifferenz zwischen dem Anliegen der Daten am Ausgang des Bauteils und dem DQS-Signal überwacht. Durch diese Erweiterung konnte der Testdurchsatz des Systems deutlich erhöht werden, so dass gegenüber konventionellen Systemen eine etwa zehnfache Testgeschwindigkeit erreicht werden konnte. Die Tracing-Check-Funktion wur-de durch eine zusätzliche Hardware im Mainframe des Systems realisiert und lässt sich in den bereits installierten Systemen des Typs T5585 auch nachrüsten.

Zu den wichtigsten Kriterien für das Beurteilen der Produktivität eines Testsystems in der Produktion gehört der Durchsatz. Dieser wird im wesentlichen durch die Dauer des Tests und die Zahl der gleichzeitig geprüften Bauteile bestimmt. Die eben genannten Systeme bieten die Möglichkeit, bis zu 128 Speicherbauteile parallel zu prüfen, wobei sich zwei Testköpfe für jeweils 64 Bauteile anschließen lassen. Der Hersteller kann neben den Testsystemen auch vollständige Testlösungen mit Testadapter und Handlingsystem anbieten, die aufeinander abgestimmt sind und damit einen maxima-len Durchsatz erreichen. Für beide Modelle eignet sich beispielsweise der Handler des Typs M6541A, der einen Durchsatz von bis zu 6000 Bauteilen pro Stunde erzielt und für den Test von Bauteilen in den Gehäuseformen TSOP, SOJ, SOP, QFP, BGA und CSP eingesetzt werden kann. Beim Einsatz von zwei Handlern lässt sich so-mit ein Durchsatz von bis zu 12000 Bauteilen pro Stunde erreichen. Das Umrüsten von einem Gehäusetyp auf einen anderen ist dabei einfach und innerhalb kurzer Zeit möglich. Pro Handler lassen sich 64 Bauteile parallel prüfen, so dass sich in Kombination mit den Testern bei zwei Testköpfen eine Parallelität von 128 Bauteilen pro System erzielen lässt. Zudem ermöglicht der Handler den Test in einem Temperaturbereich von -30 bis +125 °C. Mit einer zusätzlichen Tiefkühleinheit lässt sich der Temperaturbereich bis auf -55 °C ausdehnen. Als Produzent von Speichertestern bietet Advantest schlüsselfertige Komplettlösungen, bestehend aus aufeinander abgestimmtem Testsystem, Handler, Testadapter und den entsprechenden Dienstleistungen, sowohl für den Front-End-, als auch für den Back-End-Bereich aus einer Hand an. Die Wirtschaftlichkeit der Gesamtsystems steht dabei immer im Vordergrund, denn die Testkosten machen mittlerweile einen nicht unerheblichen Anteil der Herstellungskosten aus. Die vorgestellte Lösung bietet dabei den Vorteil einer kurzen Testzeit in Verbindung mit einem hohen Durchsatz und ermöglicht somit einen Test mit niedrigen Kosten pro Bauteil. Gerade für die Hersteller von Speicherbau-teilen herrscht ein harter weltweiter Wettbewerb, die Auswahl der richtigen Test-lösung hat somit auch direkt Einfluss auf die Wettbewerbsfähigkeit des Herstellers.

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