DDR3內(nèi)存的PCB仿真與設(shè)計(jì)

1概述

當(dāng)今計(jì)算機(jī)系統(tǒng)DDR3存儲(chǔ)器技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸率一再被提升，現(xiàn)已高達(dá)1866Mbps.在這種高速總線條件下，要保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的可靠性和滿足并行總線的時(shí)序要求，對設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提出了極大的挑戰(zhàn)。

本文主要使用了Cadence公司的時(shí)域分析工具對DDR3設(shè)計(jì)進(jìn)行量化分析，介紹了影響信號(hào)完整性的主要因素對DDR3進(jìn)行時(shí)序分析，通過分析結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升信號(hào)質(zhì)量使其可靠性和安全性大大提高。

2 DDR3介紹

DDR3內(nèi)存與DDR2內(nèi)存相似包含控制器和存儲(chǔ)器2個(gè)部分，都采用源同步時(shí)序，即選通信號(hào)(時(shí)鐘)不是獨(dú)立的時(shí)鐘源發(fā)送，而是由驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送。它比DR2有更高的數(shù)據(jù)傳輸率，最高可達(dá)1866Mbps;DDR3還采用8位預(yù)取技術(shù)，明顯提高了存儲(chǔ)帶寬;其工作電壓為1.5V，保證相同頻率下功耗更低。

DDR3接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)比較困難，它采取了特有的Fly-by拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用“Write leveling”技術(shù)來控制器件內(nèi)部偏移時(shí)序等有效措施。雖然在保證設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和信號(hào)的完整性起到一定作用，但要實(shí)現(xiàn)高頻率高帶寬的存儲(chǔ)系統(tǒng)還不全面，需要進(jìn)行仿真分析才能保證設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和信號(hào)質(zhì)量的完整性。

3仿真分析

對DDR3進(jìn)行仿真分析是以結(jié)合項(xiàng)目進(jìn)行具體說明：選用PowerPC 64位雙核CPU模塊，該模塊采用Micron公司的MT41J256M16HA—125IT為存儲(chǔ)器。Freescale公司P5020為處理器進(jìn)行分析，模塊配置內(nèi)存總線數(shù)據(jù)傳輸率為1333MT/s，仿真頻率為666MHz.

3.1仿真前準(zhǔn)備

在分析前需根據(jù)DDR3的阻抗與印制板廠商溝通確認(rèn)其PCB的疊層結(jié)構(gòu)。在高速傳輸中確保傳輸線性能良好的關(guān)鍵是特性阻抗連續(xù)，確定高速PCB信號(hào)線的阻抗控制在一定的范圍內(nèi)，使印制板成為“可控阻抗板”，這是仿真分析的基礎(chǔ)。DDR3總線單線阻抗為50Ω，差分線阻抗為100Ω。

設(shè)置分析網(wǎng)絡(luò)終端的電壓值;對分析的器件包括無源器件分配模型;確定器件類屬性;確保器件引腳屬性(輸入輸出、電源地等)……

3.2電路前仿真分析

前仿真分析的內(nèi)容主要是在PCB設(shè)計(jì)之前對電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化包括降低信號(hào)反射、過沖，確定匹配電阻的大小、走線阻抗等，通過對無源器件的各種配置分析選取出最適合的參數(shù)配置。

圖1時(shí)鐘線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(點(diǎn)擊查看大圖)

(1)DDR3總線的差分時(shí)鐘分析

眾所周知，在差分傳輸中，所有信息都是由差模信號(hào)來傳送的，而共模信號(hào)會(huì)輻射能量并能顯著增加EMI，因此保證差分信號(hào)的質(zhì)量十分重要，應(yīng)使共模信號(hào)的產(chǎn)生降到最低。在對差分時(shí)鐘分析時(shí)不僅要關(guān)注其本身的信號(hào)質(zhì)量，由于其它信號(hào)都是以差分時(shí)鐘的來采樣數(shù)據(jù)，因此還需關(guān)注其單調(diào)性、過沖值等。

本例中差分時(shí)鐘的fly—by拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與地址總線一樣為串聯(lián)方式，如圖l對處理器P5020驅(qū)動(dòng)4個(gè)DDR3內(nèi)存芯片的時(shí)鐘拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在終端進(jìn)行簡單的電阻匹配，在PCB板上差分走線后，進(jìn)行反射分析發(fā)現(xiàn)接收端反射波形上下過沖較大。在處理器輸出端選用正確的下拉匹配電阻，雖電壓幅值略有減少，但上下過沖明顯減少消除了反射干擾，即減少了差分線的共模分量。對比分析結(jié)果如圖2.

圖2接收端DDR3的反射波形

(2)驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)能力和ODT選項(xiàng)

DDR3內(nèi)存總線數(shù)據(jù)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力分為FULL和HALF兩種模式，內(nèi)部終端電阻(ODT)選擇也有0Ω、20Ω、30Ω、40Ω、60Ω、120Ω選項(xiàng)，它們分別對應(yīng)不同的模型用于控制信號(hào)反射的影響。為提高信號(hào)質(zhì)量、降低功耗，可通過分析不同模式選取正確的參數(shù)模型。

取數(shù)據(jù)總線對不同的ODT選項(xiàng)進(jìn)行分析。圖3是在不同ODT設(shè)置進(jìn)行分析數(shù)據(jù)信號(hào)形成的眼圖波形，從圖中可以看出：ODT阻抗越高，在相同驅(qū)動(dòng)激勵(lì)和走線等情況下轉(zhuǎn)換率越高，幅度越大;在選擇ODT=60Ω，其接收波形平緩信號(hào)質(zhì)量最好，無明顯抖動(dòng)和過沖，抖動(dòng)最小。

圖3數(shù)據(jù)信號(hào)眼圖波形

通常串?dāng)_是指當(dāng)信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí)，因電磁耦合對相鄰的傳輸線產(chǎn)生的不期望的電壓噪聲干擾。它生成前向串?dāng)_與后向串?dāng)_，其對信號(hào)波形主要影響在幅度和邊沿上面。

從DDR3數(shù)據(jù)總線提取3根相鄰線，中間一根為被攻擊網(wǎng)絡(luò)，周圍2根為攻擊網(wǎng)絡(luò)，采用3線模型進(jìn)行分析，如下圖4走線排列，其受害線為中間走線保持低電平，兩邊的為攻擊線，采用128位偽隨機(jī)碼，根據(jù)走線的不同線寬和線間距對其進(jìn)行串?dāng)_分析，看其分析結(jié)果如下表1.

圖4走線剖面圖

表1串?dāng)_分析結(jié)果

從表1可看出間距越大串?dāng)_影響越小，這里我們遵循的3W原則即走線邊沿間距S是線寬W的3倍將大大減少串?dāng)_的影響。但間距增大將犧牲布線空間，因此需綜合考慮使在有限的空間中布線最優(yōu)化。

3.3時(shí)序分析

DDR3是并行總線，其時(shí)序?qū)僭赐较到y(tǒng)，在滿足信號(hào)質(zhì)量的前提下，也必須滿足時(shí)序要求。對于源同步時(shí)鐘，驅(qū)動(dòng)芯片的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)由內(nèi)部電路提供即數(shù)據(jù)和時(shí)鐘并行傳輸。DDR3對不同的時(shí)序關(guān)系采用分組設(shè)計(jì)，其時(shí)序關(guān)系如表2.

表2時(shí)序分組關(guān)系

源同步時(shí)序計(jì)算公式：

Tsetup_margin=Tvb—Tsetup—Tskew

Thold_margin=Tva—Thold—Tskew

公式中：Tsetup marginThold_margin：建立時(shí)間余量保持時(shí)間余量，TvbTva：驅(qū)動(dòng)端的建立時(shí)間和保持時(shí)間，TsetupThold接收端的建立時(shí)間和保持時(shí)間，Tskew：指數(shù)據(jù)、地址信號(hào)參考時(shí)鐘引起的偏移。其中TvbTva，TsetupTh01d參數(shù)值都是能從器件手冊中獲取，關(guān)鍵是數(shù)據(jù)與選通信號(hào)飛行時(shí)間的時(shí)序偏移(skew)，包含驅(qū)動(dòng)端輸出的偏移和在PCB板上的走線長度的偏移，需通過時(shí)序仿真非理想隨機(jī)碼進(jìn)行分析計(jì)算得出。

以DDR3數(shù)據(jù)讀寫操作為例，根據(jù)下表芯片資料中的時(shí)序參數(shù)進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序裕量的計(jì)算，獲得PCB設(shè)計(jì)的時(shí)序控制規(guī)則。

表3仿真所需要的時(shí)序參數(shù)(數(shù)據(jù)率：1333MHz)控制器：

寫操作：

Tsetup_margin=0.25—0.03=0.22ns

Thold_margin=0.25-0.065=0.185ns

讀操作：

Tsetup_margin = Thold_margin=(0.38*1.5-0.125)/2 - 0.125=97.5ps

上述計(jì)算值是理論上的時(shí)序余量，其實(shí)源同步時(shí)序除本身芯片自身固有特性所帶來的延時(shí)外還受其他因素的影響，都屬于偏移范圍，主要包括：

(1)高速總線造成的信號(hào)完整性問題如串?dāng)_、同步開關(guān)噪聲、碼間干擾(ISI)等影響，需通過信號(hào)仿真分析來估算。

(2)高速總線互連所產(chǎn)生的時(shí)序偏斜：主要是信號(hào)總線互連鏈路中的布線誤差，整個(gè)鏈路含器件封裝內(nèi)部走線、pcb板上走線和走線過孔等產(chǎn)生的時(shí)序偏差，可通過等長布線來控制其時(shí)序偏斜。

對8位數(shù)據(jù)總線DQ進(jìn)行分析，選取一根數(shù)據(jù)線為受害線，其余數(shù)據(jù)線為反向偽隨機(jī)碼，條件設(shè)為最快驅(qū)動(dòng)，在此最壞情況進(jìn)行綜合仿真，查看其受擾線的波形情況。

比較圖5、圖6后可看出此數(shù)據(jù)線受到各方面的因素綜合影響，使波形眼圖中的眼高和眼寬都相應(yīng)減小，導(dǎo)致數(shù)據(jù)總線時(shí)序裕量大大減少。上述時(shí)序裕量需減去此值再考慮其他噪聲因素，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)留些時(shí)序余量后，就可把時(shí)序余量轉(zhuǎn)換成PCB設(shè)計(jì)時(shí)的布線長度約束(約6in/ns)。

圖5 DO數(shù)據(jù)總線理想波形

圖6 DQ數(shù)據(jù)總線最壞情況下的實(shí)際波形

4 PCB設(shè)計(jì)

4.1設(shè)計(jì)規(guī)則約束

(1)等長約束

采用分組等長方式，分組如下：

數(shù)據(jù)線與DQS、DM信號(hào)組：64位數(shù)據(jù)線按8位一組，每組分別對應(yīng)其各自的DQS和DM信號(hào);由于數(shù)據(jù)時(shí)序余量最小，組內(nèi)嚴(yán)格控制延時(shí)，以對應(yīng)的DQS為基準(zhǔn)，等長精度在±10mil.

地址線、控制線、時(shí)鐘線組：需等長控制，地址線與控制線各分支的誤差±20mil，它們與時(shí)鐘線誤差在±100mil，差分時(shí)鐘線之間±5rail.

(2)間距約束

DDR3同組線間的間距保持在2倍線寬;不同組類線的間距保持在3倍線寬;DDR3線與其他jBDDR3線之間的間距應(yīng)大于50mil，用于串?dāng)_控制。

(3)線寬約束

根據(jù)傳輸線阻抗要求和印制板疊層結(jié)構(gòu)計(jì)算走線線寬，設(shè)置走線線寬規(guī)則，保證阻抗的一致性。

4.2布線技巧

同組內(nèi)總線盡量同層走線，時(shí)鐘線與地層相鄰;盡量少用過孔，如用需組內(nèi)過孔數(shù)相同，保證其一致性;相鄰信號(hào)走線需交叉，避免長距離的重疊走線，如相鄰層間距足夠大，可適當(dāng)降低要求;

走線避免采用直角應(yīng)用45.斜線或圓弧角走線;盡量采用3W原則走線;

與電源層相鄰的信號(hào)層中的高速走線應(yīng)避免跨電源地平面;

電源層比地層內(nèi)縮20H(H：電源層與地層的介質(zhì)厚度);不允許有孤立銅的存在。

5 PCB板后仿驗(yàn)證

DDR3的PCB設(shè)計(jì)結(jié)束后進(jìn)行后仿分析，用以對前面的仿真分析進(jìn)行驗(yàn)證。PCB板后仿主要是對DDR3信號(hào)質(zhì)量和時(shí)序關(guān)系進(jìn)行分析。

5.1 DDR3的差分時(shí)鐘驗(yàn)證

DDR3差分時(shí)鐘在PCB布線后對其后仿真分析，抽取一對實(shí)際時(shí)鐘走線對所走鏈路進(jìn)行分析其波形如下圖7：其單調(diào)性和上下過沖都滿足要求。

圖7：差分時(shí)鐘PCB走線波形圖8數(shù)據(jù)總線寫時(shí)序

5.2 DDR3的時(shí)序驗(yàn)證

對于布線后的時(shí)序驗(yàn)證也是十分重要的環(huán)節(jié)。在確定好同步信號(hào)組及對應(yīng)的選通信號(hào)后利用Cadence軟件的BUS setup功能進(jìn)行綜合分析，位數(shù)據(jù)總線及相應(yīng)的DQS信號(hào)，設(shè)定時(shí)鐘頻率666MHz，設(shè)定相應(yīng)ibis模型，加入隨機(jī)碼流，最終進(jìn)行分析后可通過測量得到時(shí)序參數(shù)可計(jì)算時(shí)序裕量，驗(yàn)證PCB布線是否滿足相關(guān)的時(shí)序關(guān)系。分析結(jié)果見圖8.

圖8數(shù)據(jù)總線寫時(shí)序

從上圖8可測量出數(shù)據(jù)總線的建立時(shí)間和保持時(shí)間，根據(jù)DDR3數(shù)據(jù)相應(yīng)時(shí)序進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序計(jì)算，再綜合考慮其余因素對時(shí)序的影響來估算包括其PCB走線長度引起的偏移等，滿足其DDR3接收端的建立時(shí)間和保持時(shí)間的時(shí)序正確性，其它時(shí)序關(guān)系類似可通過此驗(yàn)證。

6結(jié)束語

通過上述Power PC模塊的DDR3內(nèi)存設(shè)計(jì)分析，了解高速信號(hào)反射、串?dāng)_、時(shí)序等因素對其設(shè)計(jì)的影響，其仿真分析成為增強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性和穩(wěn)定性的必要手段，為設(shè)計(jì)高速數(shù)字電路保駕護(hù)航。