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，介紹了影響信號完整性的主要因素對DDR3進(jìn)行時序分析，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器2個部分，都采用源同步時序，即選通信號(時鐘)不是獨(dú)立的時鐘源發(fā)送，而是由驅(qū)動芯片發(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)部偏移時序等有效措施。雖然在保證設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和信號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總線的差分時鐘分析

眾所周知，在差分傳輸中，所有信息都是由差模信號來傳送的，而共模信號會輻射能量并能顯著增加EMI，因此保證差分信號的質(zhì)量十分重要，應(yīng)使共模信號的產(chǎn)生降到最低。在對差分時鐘分析時不僅要關(guān)注其本身的信號質(zhì)量，由于其它信號都是以差分時鐘的來采樣數(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4個DDR3內(nèi)存芯片的時鐘拓?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)動能力和ODT選項(xiàng)

DDR3內(nèi)存總線數(shù)據(jù)信號的驅(qū)動能力分為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反射的影響。為提高信號質(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)動激勵和走線等情況下轉(zhuǎn)換率越高，幅度越大;在選擇ODT=60Ω，其接收波形平緩信號質(zhì)量最好，無明顯抖動和過沖，抖動最小。

圖3數(shù)據(jù)信號眼圖波形

通常串?dāng)_是指當(dāng)信號在傳輸線上傳播時，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時序分析

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

表2時序分組關(guān)系

源同步時序計(jì)算公式：

Tsetup_margin=Tvb—Tsetup—Tskew

Thold_margin=Tva—Thold—Tskew

公式中：Tsetup marginThold_margin：建立時間余量保持時間余量，TvbTva：驅(qū)動端的建立時間和保持時間，TsetupThold接收端的建立時間和保持時間，Tskew：指數(shù)據(jù)、地址信號參考時鐘引起的偏移。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)與選通信號飛行時間的時序偏移(skew)，包含驅(qū)動端輸出的偏移和在PCB板上的走線長度的偏移，需通過時序仿真非理想隨機(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序參數(shù)進(jìn)行靜態(tài)時序裕量的計(jì)算，獲得PCB設(shè)計(jì)的時序控制規(guī)則。

表3仿真所需要的時序參數(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)算值是理論上的時序余量，其實(shí)源同步時序除本身芯片自身固有特性所帶來的延時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，需通過信號仿真分析來估算。

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

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，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)總線時序裕量大大減少。上述時序裕量需減去此值再考慮其他噪聲因素，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)留些時序余量后，就可把時序余量轉(zhuǎn)換成PCB設(shè)計(jì)時的布線長度約束(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;由于數(shù)據(jù)時序余量最小，組內(nèi)嚴(yán)格控制延時，以對應(yīng)的DQS為基準(zhǔn)，等長精度在±10mil.

地址線、控制線、時鐘線組：需等長控制，地址線與控制線各分支的誤差±20mil，它們與時鐘線誤差在±100mil，差分時鐘線之間±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信號質(zhì)量和時序關(guān)系進(jìn)行分析。

5.1 DDR3的差分時鐘驗(yàn)證

DDR3差分時鐘在PCB布線后對其后仿真分析，抽取一對實(shí)際時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：差分時鐘PCB走線波形圖8數(shù)據(jù)總線寫時序

5.2 DDR3的時序驗(yàn)證

對于布線后的時序驗(yàn)證也是十分重要的環(huán)節(jié)。在確定好同步信號組及對應(yīng)的選通信號后利用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，設(shè)定時鐘頻率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序參數(shù)可計(jì)算時序裕量，驗(yàn)證PCB布線是否滿足相關(guān)的時序關(guān)系。分析結(jié)果見圖8.

圖8數(shù)據(jù)總線寫時序

從上圖8可測量出數(shù)據(jù)總線的建立時間和保持時間，根據(jù)DDR3數(shù)據(jù)相應(yīng)時序進(jìn)行靜態(tài)時序計(jì)算，再綜合考慮其余因素對時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接收端的建立時間和保持時間的時序正確性，其它時序關(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，了解高速信號反射、串?dāng)_、時序等因素對其設(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。