本發(fā)明涉及存儲器領(lǐng)域，具體涉及一種三維堆疊存儲器。

背景技術(shù)：

三維堆疊存儲器利用硅通孔(TSV)、微凸點(Micro Bump)等構(gòu)成垂直方向的信號通路，實現(xiàn)二維存儲器芯片的縱向堆疊，可以使存儲器在集成度和存儲器訪問帶寬兩方面同時獲得改善，是突破計算機(jī)性能提升的"存儲墻″問題的一種重要手段。JEDEC已經(jīng)制定了面向存儲器與邏輯電路三維堆疊應(yīng)用的Wide I/O接口標(biāo)準(zhǔn)，大大提升了三維堆疊存儲器的三維堆疊集成能力。三維堆疊存儲器的示意圖如圖1所示，據(jù)預(yù)測，在不久的將來三維堆疊存儲器將在大規(guī)模存儲與高性能計算領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

存儲器是典型的高集成度、小尺寸器件的芯片，物理缺陷造成的存儲單元故障十分常見。為了增加存儲器的成品率，往往需要通過在存儲陣列中增加冗余存儲行和/或存儲列的方式來對故障存儲單元進(jìn)行修復(fù)。在系統(tǒng)上電自檢時，通過運行存儲器測試程序或激活存儲器自建內(nèi)測試(BIST)機(jī)制可以獲得存儲單元的故障信息，故可使用冗余的存儲資源對故障存儲單元進(jìn)行替換，從而修復(fù)故障，維持存儲器的完好。三維堆疊存儲器同樣需要設(shè)計冗余修復(fù)機(jī)制來增強(qiáng)其使用可靠性。當(dāng)前三維堆疊存儲器的冗余修復(fù)策略有以下幾類：

第一類，層內(nèi)冗余修復(fù)：與二維存儲器相同，三維堆疊存儲器中的每層存儲器僅使用本層的冗余存儲資源進(jìn)行故障單元修復(fù)。該策略實現(xiàn)簡單，但修復(fù)率和冗余存儲資源利用率不高。

第二類，整層冗余修復(fù)：將三維堆疊存儲器中的一層存儲器作為冗余資源池，其它層中不設(shè)冗余存儲器資源。當(dāng)發(fā)現(xiàn)其它層中出現(xiàn)故障單元時，均利用該層存儲器進(jìn)行冗余修復(fù)。這種策略可以實現(xiàn)100％的修復(fù)，但冗余資源的利用率很低。

第三類，全局冗余修復(fù)：三維堆疊存儲器中每層均設(shè)置冗余存儲資源，且允許存儲資源的全局共享，即任何層中的故障單元可任選本層或其它層中的冗余存儲資源進(jìn)行修復(fù)。這種策略可以實現(xiàn)很高的修復(fù)率，但是各層之間均需布置TSV通路，造成很大的TSV面積。此外，這種修復(fù)策略的控制過于復(fù)雜，實現(xiàn)難度大。

第四類，結(jié)對冗余修復(fù)：三維堆疊存儲器中每層均設(shè)置冗余存儲資源，將 三維堆疊存儲器中的每兩層結(jié)為一對，在這兩層之內(nèi)的故障存儲單元可以共享這兩層中的冗余存儲資源，但不同對存儲器層之間的冗余存儲資源不可共享。這種策略可以在較小的TSV面積代價下實現(xiàn)較好的修復(fù)率，且通過共享提高了冗余存儲資源的利用率。

由于TSV尺寸的微縮慢于晶體管尺寸的縮小，因此對于集成度與面積敏感的存儲器芯片而言，過多的TSV將帶來不可忍受的面積代價?，F(xiàn)有的全局冗余修復(fù)策略需要增加大量的TSV，從而使得這種策略的實現(xiàn)代價大大增加。層內(nèi)冗余修復(fù)策略和整層冗余修復(fù)策略的資源利用率均偏低，而結(jié)對冗余修復(fù)策略不能有效共享結(jié)對層之間的冗余存儲資源，也限制了冗余存儲資源的利用率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對三維堆疊存儲器中冗余修復(fù)存在的問題，本申請?zhí)峁┮环N三維堆疊存儲器。

一種實施例中，提供一種三維堆疊存儲器，包括多層存儲器，每層存儲器包括：

由存儲單元排布成的存儲陣列，存儲單元用于存儲數(shù)據(jù)；

備用存儲單元，用于作為冗余資源替換故障存儲單元，備用存儲單元與相鄰層的備用存儲單元相連；

內(nèi)建自測試模塊，用于對存儲器進(jìn)行測試，并標(biāo)定存儲陣列中故障存儲單元的位置；

冗余資源替換模塊，用于使用故障存儲單元所屬層的備用存儲單元及與其相鄰層中的備用存儲單元按照內(nèi)建自測試模塊標(biāo)定的故障存儲單元的位置對故障存儲單元進(jìn)行替換。

一種實施例中，備用存儲單元包括行備用存儲單元和列備用存儲單元，存儲器還包括故障分析模塊，故障分析模塊用于根據(jù)內(nèi)建自測試模塊標(biāo)定的故障存儲單元的位置對故障存儲單元進(jìn)行故障分類，并根據(jù)備用存儲單元的數(shù)量判定存儲器是否可修復(fù)，冗余資源替換模塊根據(jù)故障存儲單元的分類使用行備用存儲單元或列備用存儲單元對故障存儲單元進(jìn)行替換。

一種實施例中，故障分析模塊將故障存儲單元分類為行故障、列故障和正交單個單元故障，冗余資源替換模塊使用行備用存儲單元替換分類為行故障的故障存儲單元，使用列備用存儲單元替換分類為列故障的故障存儲單元，使用行備用存儲單元或列備用存儲單元替換分類為正交單個單元故障的故障存儲單元。

一種實施例中，備用存儲單元與相鄰層的備用存儲單元通過硅通孔或微凸點相連。

一種實施例中，冗余資源替換模塊優(yōu)先利用故障存儲單元所屬層的上層存儲器中的備用存儲單元對故障存儲單元進(jìn)行替換修復(fù)，當(dāng)上層存儲器中的備用存儲單元數(shù)量不足以滿足修復(fù)需求時，則使用故障存儲單元所屬層的備用存儲單元對故障存儲單元進(jìn)行替換修復(fù)，當(dāng)故障存儲單元所屬層的備用存儲單元數(shù)量不足以滿足修復(fù)需求時，則使用下層存儲器中的備用存儲單元對故障存儲單元進(jìn)行替換修復(fù)。

依據(jù)上述實施例的三維堆疊存儲器，其基于相鄰層間冗余資源共享策略，使得冗余資源替換模塊不僅可以使用故障存儲單元所屬層的備用存儲單元按照內(nèi)建自測試模塊標(biāo)定的故障存儲單元的位置對故障存儲單元進(jìn)行替換，還可以使用與其相鄰層中的備用存儲單元按照內(nèi)建自測試模塊標(biāo)定的故障存儲單元的位置對故障存儲單元進(jìn)行替換，所以本發(fā)明較少硅通孔面積的條件下，可提高冗余資源的利用率和故障單元修復(fù)率。

附圖說明

圖1為三維堆疊存儲器的結(jié)構(gòu)示意；

圖2為三維堆疊存儲器原理框圖；

圖3為每一層存儲器的電路原理圖；

圖4為故障存儲單元替換流程圖；

圖5為一個四層的三維堆疊存儲器的相鄰層間冗余資源共享圖。

具體實施方式

下面通過具體實施方式結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

在本發(fā)明實施例中，基于相鄰層間冗余資源共享，通過合理設(shè)計三維堆疊存儲器的修復(fù)策略，以達(dá)到提高存儲器中冗余資源的利用率和較高的故障單元修復(fù)率，同時還可以有效避免死鎖問題。

本實施例提供一種三維堆疊存儲器，包括多層存儲器1，每層存儲器1包括：存儲陣列11、備用存儲單元12、內(nèi)建自測試模塊13、冗余資源替換模塊15，其原理框圖如圖2所示。

具體的，存儲陣列11由存儲單元排布形成，存儲單元用于存儲數(shù)據(jù)。備用存儲單元12用于作為冗余資源替換故障存儲單元，而且，備用存儲單元12與相鄰層的備用存儲單元12相連，如，通過硅通孔或微凸點相連以在相鄰層中的 備用存儲單元12之間形成信號通路，使得每一層存儲器都可以通過信號通路獲得相鄰層存儲器的冗余資源，從而達(dá)到相鄰層間的冗余資源共享的目的。內(nèi)建自測試模塊13用于對存儲器進(jìn)行測試，并標(biāo)定存儲陣列11中故障存儲單元的位置；冗余資源替換模塊15用于使用故障存儲單元所屬層的備用存儲單元12及與其相鄰層中的備用存儲單元12按照內(nèi)建自測試模塊13標(biāo)定的故障存儲單元的位置對故障存儲單元進(jìn)行替換。

進(jìn)一步，本例的三維堆疊存儲器還包括選擇器，該選擇器是一個二選一的選擇器，其根據(jù)一控制信號選擇存儲陣列11中非故障存儲單元的數(shù)據(jù)作為存儲器的輸出數(shù)據(jù)，或選擇備用存儲單元12中的數(shù)據(jù)作為存儲器的輸出數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步，備用存儲單元12包括行備用存儲單元121和列備用存儲單元122，存儲器還包括故障分析模塊14，故障分析模塊14用于根據(jù)內(nèi)建自測試模塊13標(biāo)定的故障存儲單元的位置對故障存儲單元進(jìn)行故障分類，本例中，故障分析模塊14將故障存儲單元分類為行故障、列故障和正交單個單元故障，其中，行故障指一行存儲單元中有兩個以上故障存儲單元，列故障指一列存儲單元中有兩個以上故障存儲單元，正交單個單元故障指該故障存儲單元是其所在行和列中的唯一的故障單元。

進(jìn)一步，故障分析模塊14根據(jù)備用存儲單元12的數(shù)量判定存儲器是否可修復(fù)，如果存儲器可修復(fù)，則冗余資源替換模塊15根據(jù)故障存儲單元的分類使用行備用存儲單元121或列備用存儲單元122對故障存儲單元進(jìn)行替換，具體的，冗余資源替換模塊15使用行備用存儲單元121替換分類為行故障的故障存儲單元，使用列備用存儲單元122替換分類為列故障的故障存儲單元，使用行備用存儲單元121或列備用存儲單元122替換分類為正交單個單元故障的故障存儲單元。

本例提供的三維堆疊存儲器中每一層存儲器1的電路原理圖如圖3所示，每一層存儲器對該層中故障存儲單元進(jìn)行替換的工作原理為：存儲陣列11中的存儲單元對存儲器進(jìn)行讀和寫的操作控制，以記錄存儲器的數(shù)據(jù)和地址，內(nèi)建自測試模塊13對存儲陣列11中的存儲單元進(jìn)行測試，并標(biāo)定存儲陣列11中故障存儲單元的地址，故障分析模塊14根據(jù)內(nèi)建自測試模塊13標(biāo)定的故障存儲單元的地址進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果對故障存儲單元進(jìn)行分類，如將其分類為行故障、列故障或正交單個單元故障，然后將已分類的故障存儲單元地址及故障類型形成一列表存儲于故障列表中；故障列表將獲取的故障單元的數(shù)據(jù)和地址映射到冗余資源模塊15內(nèi)，冗余資源替換模塊15根據(jù)映射的故障存儲單元的數(shù)據(jù)和地址利用備用存儲單元12對故障存儲單元進(jìn)行替換，并將替換的結(jié)果 反饋到故障分析模塊14；另外，故障列表向選擇器發(fā)送一控制信號，該控制信號用于控制選擇器的輸出，例如，該控制信號為0時表示存儲陣列中存在故障存儲單元，當(dāng)選擇器讀取存儲陣列11中的故障存儲單元的數(shù)據(jù)時，直接從冗余資源模塊15中讀取對該故障存儲單元替換的數(shù)據(jù)作為存儲器的輸出數(shù)據(jù)，當(dāng)該控制信號為非0時，表示存儲陣列11中不存在故障存儲單元，選擇器直接從存儲陣列中讀取數(shù)據(jù)作為存儲器的輸出數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步，冗余資源替換模塊15對故障存儲單元替換的流程如圖4所示，本例的三維堆疊存儲器對故障存儲單元的替換策略是：若故障存儲單元所屬層存在相鄰的上層存儲器，則申請上層存儲器中的備用存儲單元12進(jìn)行替換修復(fù)，優(yōu)先利用故障存儲單元所屬層的上層存儲器中的備用存儲單元12對故障存儲單元進(jìn)行替換修復(fù)；若上層存儲器中的備用存儲單元12的數(shù)量不滿足修復(fù)時，則申請故障存儲單元所屬層中的備用存儲單元12進(jìn)行替換修復(fù)；若上層存儲器中的備用存儲單元12的數(shù)量與故障存儲單元所屬層中的備用存儲單元12的數(shù)量之和仍不滿足修復(fù)時，且故障存儲單元所屬層存在相鄰的下層存儲器，則申請下層存儲器中的備用存儲單元12進(jìn)行替換修復(fù)；若上層存儲器、本層存儲器和下層存儲器中的備用存儲單元12之和仍不足以滿足其修復(fù)需求時，則冗余修復(fù)失敗。

根據(jù)上述替換策略進(jìn)行修復(fù)時，從最高層的存儲器開始，以逐層向下的順序進(jìn)行修復(fù)。所有層均按照以上原則進(jìn)行修復(fù)，這種順序修復(fù)過程可有效避免修復(fù)過程中的死鎖問題。另外，除最低層和最高層存儲器僅可利用2層冗余存儲資源外，其余各層存儲器均可利用3層冗余存儲資源，因此可以獲得較高的故障修復(fù)率。

在其他實施例中，可以優(yōu)先用故障存儲單元所屬層的下層存儲器中的備用存儲單元12對故障存儲單元進(jìn)行替換修復(fù)，當(dāng)下層存儲器中的備用存儲單元12數(shù)量不足以滿足修復(fù)需求時，則使用故障存儲單元所屬層的備用存儲單元12對故障存儲單元進(jìn)行替換修復(fù)，當(dāng)故障存儲單元所屬層的備用存儲單元12數(shù)量不足以滿足修復(fù)需求時，則使用上層存儲器中的備用存儲單元12對故障存儲單元進(jìn)行替換修復(fù)。

如圖5所示，本實施例以一個四層的三維堆疊存儲器為例，其中，相鄰層存儲器中的備用存儲單元12通過硅通孔相連形成信號通路2，使得，L1層的存儲器與L2層的存儲器通過信號通路2共享冗余資源，L2層的存儲器可以與L1層的存儲器和L3層的存儲器通過信號通路2共享冗余資源，L3層的存儲器可 以與L2層的存儲器和L4的存儲器層通過信號通路2共享冗余資源，L4層的存儲器與L3層的存儲器通過信號通路2共享冗余資源。

假設(shè)，L3層的存儲器的存儲陣列11中存在故障存儲單元，冗余資源替換模塊15先請求L4層的存儲器中的備用存儲單元12對故障存儲單元進(jìn)行替換修復(fù)，當(dāng)L4層的存儲器中的備用存儲單元12數(shù)量不足以滿足修復(fù)需求時，則請求本層的備用存儲單元12對故障存儲單元進(jìn)行替換修復(fù)，當(dāng)本層的備用存儲單元12數(shù)量不足以滿足修復(fù)需求時，則請求L2層存儲器中的備用存儲單元12對故障存儲單元進(jìn)行替換修復(fù)，當(dāng)L4層、L3層及L2層的備用存儲單元12的數(shù)量之和仍不滿足對故障存儲單元的替換時，則修復(fù)失敗。

根據(jù)本實施例提供的三維堆疊存儲器，該三維堆疊存儲器需要如下三類硅通孔。

第一類硅通孔，用于冗余資源互連；假設(shè)每個存儲器的冗余行數(shù)量為m，冗余列數(shù)量為n，三維存儲器的堆疊芯片層數(shù)為L，每個硅通孔在芯片上所占面積為S，結(jié)對冗余共享策略、全局冗余修復(fù)策略及本實施例提供的冗余修復(fù)方法所需的硅通孔總數(shù)和硅通孔在每一層所占的面積如下表所示，本例中用于冗余資源互連的硅通孔每一層需要m+n個，與結(jié)對冗余方式相比并未增加。

第二類硅通孔，表示本層冗余資源是否足夠用于修復(fù)本層的故障存儲單元的標(biāo)志信號。當(dāng)該硅通孔信號值為0時，表示本層冗余資源不夠，對于與之連接的鄰近層來說，這意味著這一層對其的請求信號。當(dāng)信號值為1時，表示本層冗余資源夠用，鄰近層根據(jù)此信號可知這一層有冗余資源剩余，即可向這一層申請冗余資源。冗余行和冗余列各需要1個標(biāo)志位，故共需兩根硅通孔。

第三類硅通孔，用于表示冗余資源申請數(shù)量或者剩余冗余資源數(shù)量。當(dāng)本層冗余資源是否夠用的標(biāo)志信號值為1時，第三類硅通孔上的信號值表示本層剩余冗余資源的數(shù)量；反之，可用于表示向相鄰層申請冗余資源的數(shù)量。每一層接收到的冗余資源申請總數(shù)為所有相鄰層發(fā)來的冗余資源的申請數(shù)量之和。冗余資源申請信息包含行修復(fù)申請、列修復(fù)申請和正交單個單元故障修復(fù)申請。 每一層向外發(fā)出的行修復(fù)申請數(shù)量不大于冗余行數(shù)量m，列修復(fù)申請數(shù)量不大于冗余列數(shù)量n，正交單個單元故障修復(fù)申請數(shù)量不大于m+n。

因此，除去用于冗余資源互連的硅通孔，本例的三維堆疊存儲器中自建內(nèi)測試機(jī)制共需要的硅通孔數(shù)量為log₂m+log₂n+log₂(m+n)+2。關(guān)于結(jié)對冗余和全局冗余并未分析這類硅通孔開銷，但由其原理可知，結(jié)對冗余策略的自建內(nèi)測試機(jī)制在組內(nèi)層間也需要與鄰近層冗余相同數(shù)量的第二類和第三類硅通孔，但組間層之間無需設(shè)置硅通孔。對于全局冗余策略而言，由于需要標(biāo)定冗余資源申請來自于哪一層，因此所需的第二類和第三類TSV的數(shù)量必然大于本例的硅通孔數(shù)量。

本實施例的三維堆疊存儲器故障修復(fù)能力如下：

假設(shè)各層的行故障數(shù)為Fm_i，列故障數(shù)為Fn_i，正交單個單元故障數(shù)為Fs_i，其中i取值為[1～L]，備用行、列數(shù)量分別為m、n。結(jié)對冗余和鄰近層冗余策略的不可被修復(fù)的最寬松條件如下表所示。根據(jù)下表可知，相對于結(jié)對冗余修復(fù)策略，本例的冗余修復(fù)方法的單層最大可修復(fù)的故障數(shù)較多，優(yōu)于結(jié)對冗余修復(fù)策略。

有故障。鄰近層冗余共享策略的修復(fù)能力劣于全局冗余策略。但是全局冗余策略所需的硅通孔數(shù)量與鄰近冗余共享策略相比高出數(shù)倍，因此實際上是用面積代價換取修復(fù)能力的提升，對面積約束嚴(yán)格的存儲器類產(chǎn)品而言，具有相當(dāng)大的設(shè)計實現(xiàn)難度。

采用Polya-Eggenberger分布在存儲器陣列中注入固定故障，考慮存儲陣列 規(guī)模、冗余資源配置數(shù)量、三維存儲器堆疊層數(shù)以及故障注入數(shù)量等因素，進(jìn)行了故障修復(fù)率的模擬。模擬結(jié)果如下表所示。其中，F(xiàn)max和Favg分別表示各層中注入的最大故障數(shù)量和平均故障數(shù)量，R和C表示各層中的冗余行數(shù)量和冗余列數(shù)量?？梢?，本例所提出的相鄰層間冗余資源共享的存儲器修復(fù)方法可以獲得比結(jié)對冗余修復(fù)策略更優(yōu)的修復(fù)效果。

由上述對比分析可知：本例的三維堆疊存儲器具有硅通孔面積代價適中、高冗余資源利用率、高故障存儲單元修復(fù)能力的優(yōu)點。

以上應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明進(jìn)行闡述，只是用于幫助理解本發(fā)明，并不 用以限制本發(fā)明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，還可以做出若干簡單推演、變形或替換。