T57 DDR5設(shè)計(jì)應(yīng)該怎么做？【轉(zhuǎn)發(fā)】

2019-03-15  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

就目前而言,DDR4支持3200 2DPC (2DIMM Per Channel)已經(jīng)面臨很多挑戰(zhàn),而DDR5的速率將是從3200 Mb/s起步,直至6400 Mb/s, 同樣也是并行單端信號(hào),同樣也要支持2DPC,那么,在DDR5的設(shè)計(jì)中,什么樣的技術(shù)可以在和DDR4拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似的情況下,支持更高的速率呢?

SERDES通道是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(point-to-point)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 信號(hào)從最左端的TX通過(guò)傳輸通道傳到最右端的RX,一般在終端會(huì)有很好的端接,而且不會(huì)有太多Stub的影響,對(duì)于整個(gè)通道的Loss也可以用低損耗的材料,EQ,Repeater等方式來(lái)很好的解決,而且差分信號(hào)對(duì)串?dāng)_的影響也會(huì)小很多。

而DDR是Muliti-Drop的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),也就是經(jīng)常所說(shuō)的2DPC,對(duì)于Memory Down的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),也就是把DRAM直接焊接在主板上的情況,CAC信號(hào)采用Fly-By的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),會(huì)有更多的Load,那么,對(duì)于每一個(gè)DRAM來(lái)說(shuō),都會(huì)有從不同方向而來(lái)的信號(hào)反射,加之單端信號(hào)對(duì)串?dāng)_的抵抗力更差,對(duì)信號(hào)完整性的挑戰(zhàn)就要更高。

另外,一般而言,主板上的芯片控制器與內(nèi)存相距不會(huì)太遠(yuǎn),以免造成占用過(guò)多PCB面積以及可能造成通訊上的遲延,所以, 相對(duì)于SERDES信號(hào),DDR通常是短且具有反射性的(Short but Reflective)通道, 也就是說(shuō)因?yàn)樽杩褂诓煌种чg的變化、再加上各RX端不同的termination, 會(huì)使得信號(hào)不斷反射并形成很多的ISI干擾。

綜上所述,對(duì)于DDR來(lái)說(shuō),最主要的問(wèn)題,不是Loss, 而是由于反射引起的ISI。DDR信號(hào)速率一般要比SERDES低很多,但是到了DDR5以后,速率也有了明顯提高,對(duì)于信號(hào)完整性設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),無(wú)疑具有更大的挑戰(zhàn)。

目前來(lái)說(shuō),DDR5的很多規(guī)范還在定義當(dāng)中,但是從主板PCB的設(shè)計(jì)角度來(lái)講,DDR5的設(shè)計(jì)和DDR4并無(wú)特別明顯的差異,也是采用并行總線的走線方式,同樣采用2 DIMM per channel的設(shè)計(jì)架構(gòu),所以主要的設(shè)計(jì)差異在芯片設(shè)計(jì)和內(nèi)存條設(shè)計(jì)。

SERDES之所以可以支持很高的速率,有很多方面的原因,但其中很重要的一個(gè)因素是均衡的應(yīng)用,CTLE,FFE,DFE等等均衡技術(shù),對(duì)提升SERDES的信號(hào)質(zhì)量都起到了非常重要的作用,那么,對(duì)于DDR5來(lái)說(shuō),它們同樣可以使用嗎?使用效果如何?

1. CTLE

CTLE主要通過(guò)增加信號(hào)中高頻分量的幅度來(lái)抵消通道的衰減,使整個(gè)互連通道的響應(yīng)變得平坦,有時(shí)也會(huì)通過(guò)低頻段的衰減來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)均衡能力。所以,CTLE對(duì)于長(zhǎng)通道高衰減的SERDES會(huì)特別有效,但是相對(duì)來(lái)說(shuō),DDR對(duì)損耗并不敏感,而反射對(duì)它的影響更為明顯一些,所以可以預(yù)見(jiàn),CTLE在DDR上的應(yīng)用將不會(huì)像其在SERDES上普遍且廣泛。

2. DFE

DFE是一個(gè)非線性濾波器,該濾波器使用之前檢測(cè)到的符號(hào)來(lái)減去輸入信號(hào)流的ISI,DEF經(jīng)常用于消除由于阻抗不匹配而導(dǎo)致的信號(hào)反射所引起的ISI,而且不會(huì)放大噪聲和Crosstalk,所以它可以應(yīng)用在DDR上,但是DFE只能消除post-curson的部分。

3. FFE

FFE是通過(guò)調(diào)整FIR濾波器各個(gè)抽頭的系數(shù)來(lái)改變?yōu)V波器的頻響特性,可以通過(guò)不同的系數(shù)組合來(lái)適應(yīng)無(wú)源通道的衰減特性,對(duì)信號(hào)做加權(quán)以期能減小不同UI所形成的ISI影響。所以FFE在一定程度上來(lái)講,對(duì)DDR也會(huì)有作用,但是FFE的tap及weight通常不能自適應(yīng),而且要消除ISI的影響,需要比較多的濾波器抽頭,所以在實(shí)際應(yīng)用中有所限制。

綜上所述,針對(duì)DDR5的特點(diǎn),DFE將會(huì)是一個(gè)很重要的解決方案。

DesignCon 2018有一篇文章“Equalization Requirements For DDR5 (By Nitin Bhagwath, etc)" ,其中對(duì)各種EQ對(duì)DDR5的影響做了比較詳細(xì)的仿真和對(duì)比,將其結(jié)果拿來(lái)分享如下。

仿真拓?fù)?/strong>:2DPC,兩個(gè)DIMM, 每個(gè)DIMM有兩個(gè)Rank,如下圖(僅僅為示意圖),DIMM1為Near DIMM,DIMM0為Far DIMM。

運(yùn)行速率: 4400 MT/s。

Case1: Write to Near DIMM:

如上示意圖,當(dāng)從CPU向DIMM1(Near DIMM)寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí),DIMM0懸空,相當(dāng)于一個(gè)長(zhǎng)的Stub,信號(hào)相對(duì)比較差,所以在1個(gè)Channel 有2個(gè)DIMM插槽的情況下,如果只想插一根內(nèi)存條,插在Far DIMM (DIMM0)會(huì)比較好。

具體仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下:

可以看到,DFE非常重要,沒(méi)有DFE的話,眼睛完全睜不開(kāi),FFE對(duì)結(jié)果有提高,但是需要足夠多的taps。

Case2: Write to Far DIMM

如Case1所述,Far DIMM情況下,Stub變小,所以Reflection減小,即使沒(méi)有EQ,眼睛也是睜開(kāi)的。

具體仿真數(shù)據(jù)如下:

沒(méi)有EQ,眼睛也是睜開(kāi)的,但是DFE和FFE依然可以提高信號(hào)質(zhì)量。

Case3: Read from Near DIMM:

因?yàn)镈RAM端基本已經(jīng)確定,不會(huì)有FFE,所以此 仿真,假設(shè)DRAM端沒(méi)有FFE.

DFE 4-Tap以后,對(duì)結(jié)果的影響就變的不明顯。

Case4: Read From Far DIMM:

可以看出,對(duì)DDR來(lái)說(shuō),4 Tap DFE已經(jīng)足夠。

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總結(jié)

DDR Channel是以Reflection以及由此引起的ISI為主要問(wèn)題的Channel。DDR5信號(hào)速率提高以后,均衡是其非常重要的一個(gè)設(shè)計(jì)因素。

從仿真數(shù)據(jù)可以看出,DFE對(duì)提高DDR5的信號(hào)質(zhì)量起到了很關(guān)鍵性的作用,FFE對(duì)其也有幫助,目前來(lái)說(shuō),DRAM端將會(huì)應(yīng)用DFE,不會(huì)應(yīng)用FFE,而Controller端,可以根據(jù)需要,看是否需要增加FFE。

當(dāng)然,均衡可以減小由于反射引起的ISI,從而提高信號(hào)質(zhì)量,但是卻無(wú)法減小Crosstalk對(duì)信號(hào)的影響,而Crosstalk對(duì)DDR5的影響也很大,期待在不久的將來(lái),會(huì)有新的技術(shù)來(lái)減小Crosstalk的影響。

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參考

1. N. Bhagwath, Arpad Muranyi, et. al. " Equalization Requirements for DDR5'' Designcon 2018

2. Stephen H. Hall, Howard L. Heck. "高級(jí)信號(hào)完整性技術(shù)”

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