Enrutamiento mediante la topología fly-by para las memorias DDR3 y DDR4

Echa un vistazo a tus chips de RAM la próxima vez que actualices tu ordenador de sobremesa o portátil. Si es necesario, obsérvalos bajo la lupa. Cualquier trazo que puedas ver en la capa superficial es solo el principio de una complicada red de pistas entre la ranura de expansión y los chips de la RAM. Aunque el trazado puede ser bastante complicado, la topología parecerá sencilla si observamos la disposición de la PCB desde lejos.

Esta topología relativamente sencilla para la disposición se conoce como topología fly-by. Un esquema de disposición de topología fly-by es preferible a la de doble T por la integridad de la señal. La topología fly-by produce menos ruido por conmutación simultánea. Y, además, los protocolos DDR hacen frente a las desviaciones producidas en el enrutamiento fly-by al admitir la nivelación de escritura. También funciona bien con aplicaciones de alta frecuencia y reduce la cantidad y la longitud de los stubs de vía.

Es un hecho que la topología fly-by proporciona la mejor integridad de la señal para las memorias DDR3 y DDR4. Por tanto, es importante conocer más sobre cómo afecta a las directrices de enrutamiento para DDR. Para obtener más información, dales un vistazo a nuestras directrices de enrutamiento mediante la topología fly-by para DDR3 y DDR4.

Diseño de DDR: topología de doble T versus topología fly-by

La topología fly-by presenta una estructura en cadena que contiene stubs muy cortos o incluso carece de ellos. Debido a esa estructura, la topología fly-by tiene menos ramas y conexiones punto a punto. Cuando se trabaja con el enrutamiento para DDR3 y DDR4, la topología fly-by parte del controlador, empieza por el chip 0 y se enruta a través del chip N— (o el bit de datos superior). El enrutamiento se produce en orden por número de carril de bytes y los carriles de bytes de datos se enrutan en la misma capa. Si es necesario, el enrutamiento puede simplificarse intercambiando los bits de datos dentro de un carril de bytes. La topología fly-by se muestra a continuación.

Una topología alternativa para el diseño y enrutamiento de una DDR es la topología de doble T. En esta topología, el reloj diferencial, el comando y el fan-out de direcciones del controlador de memoria se ramifican hacia una sección en T que puede admitir hasta dos chips. Cada rama podría dividirse de nuevo para albergar dos chips cada una, haciendo un total de cuatro chips. En general, con una topología de doble T se pueden conectar 2^N chips (N = número de ramas). Posteriormente, cada sección se enruta a un único chip de memoria RAM. Las líneas de datos y estroboscópicas se enrutan directamente desde el controlador de memoria a cada chip de RAM. Esto se muestra en el siguiente diagrama.

Las topologías en T eran comunes en el enrutamiento de las DDR2. Sin embargo, cada rama creaba diferencias de impedancia acumuladas en las frecuencias de las DDR2. Es por esto que la topología fly-by es preferible en las DDR3 y en generaciones posteriores, ya que cada dispositivo percibe solo una única rama en las líneas CLK/comando/ADDR. Concretamente, la topología fly-by es preferible para los dispositivos RAM de una sola pastilla. En tanto, en los dispositivos multipastilla podría utilizarse cualquiera de las dos topologías. Aunque se dispone de cierta libertad para elegir entre estas diferentes topologías, la DDR3 y la DDR4 son más fáciles de enrutar con la topología fly-by. Y, además, notarás ciertas ventajas en cuanto a la integridad de la señal.

Topología fly-by en las directrices de diseño y enrutamiento de las DDR

Cuando se utiliza la topología fly-by, es necesario seguir algunas directrices básicas a la hora de enrutar las pistas a fin de garantizar la integridad de la señal. La primera de ellas consiste en la disposición de la pila de capas y la orientación de los chips. Si el diseño de la placa tiene espacio suficiente, lo mejor es enrutar las líneas ADDR/comando/control/CLK en la misma capa. Aunque, si fuera necesario, se puede ahorrar espacio enrutando en diferentes capas. El enrutamiento de ADDR/Comando/Control/CLK avanza desde el chip con menor cantidad de bits hasta el chip mayor cantidad de bits. Debe haber al menos 200 mils de distancia entre los chips de memoria. Por último, coloca una terminación diferencial de 100 Ω en el último dispositivo SDRAM de la cadena.

Cuando empieces a colocar los componentes, es importante que dejes espacio para los fan-out, las resistencias de terminación y las fuentes de alimentación de terminación. Además, tu plan de enrutamiento debe evitar pasar a través de vacíos de vías en el plano. Las vías deben extenderse y permitir el enrutamiento de dos o más pistas entre ellas. El hecho de extender el fan-out incrementa la cantidad de canales de enrutamiento.

Ten en cuenta que la topología fly-by añade intencionalmente cierta desviación entre cada carril. Esto reduce el ruido producido por la conmutación simultánea cuando un chip conmuta. Así pues, los chips cercanos no se verán afectados, ya que hay un cierto retraso entre los eventos de conmutación en diferentes chips. Además de esta ventaja relativa a la integridad de la señal, hay otros puntos que hay que tener en cuenta a la hora de enrutar dispositivos DDR3 y DDR4.

Integridad de la señal en el enrutamiento fly-by para DDR3 y DDR4

Si estás enrutando en las capas internas, puedes usar striplines o striplines dobles para los pares diferenciales. Las pistas de superficie deben enrutarse como microstrips. Todas las líneas necesitan un control de la impedancia para suprimir las reflexiones en las interconexiones y en el receptor. Para la mayoría de las interfaces, se recomienda que las pistas tengan una impedancia de salida simple de 50-60 Ω (100-120 Ω de impedancia diferencial). Ten en cuenta que las especificaciones de la JEDEC para DDR3 establecen dos intensidades de accionamiento, a 34 y 40 Ω, para las E/S de un solo extremo. Sin embargo, los dispositivos modernos utilizan la terminación integrada en la pastilla para ajustar los valores de la impedancia característica adecuada. Asegúrate de comprobar las impedancias de entrada y salida de los componentes y aplica la terminación donde sea necesario.

Una manera de lograr mayor sensibilidad y restricciones para la señal consiste en agrupar los carriles de bytes de datos. Esto simplificará el proceso de enrutamiento, pero debes tener cuidado con el espacio entre las pistas dentro de los carriles para evitar una excesiva diafonía dentro del mismo. Las longitudes de las pistas para señales concentradas deben adaptarse cuidadosamente según lo estipulado en las directrices especificadas en la ficha técnica del dispositivo. Hay que tener cuidado, ya que generalmente estas presuponen un valor de Dk=4 para el material de sustrato. Si realizas el trazado en un material alternativo para el sustrato de tu PCB, tendrás que ajustar el valor de coincidencia de longitudes para compensar el retardo de tiempo permisible (o retardo de fase en pares diferenciales).

En lo que respecta al espaciado entre las pistas, las diferentes directrices indican diferentes valores, pero estos pueden ser fácilmente sacados de contexto. Así pues, sé cuidadoso a la hora de determinar el espaciado entre las pistas y los pares a partir de las notas de aplicación, ya que estas a menudo asumen un apilamiento de capas específico. Debe elegirse el espaciado exacto entre cada extremo de los pares diferenciales de manera que se mantenga la impedancia diferencial requerida. Las pistas más anchas pueden albergar un enrutamiento más denso, ya que tendrán menor inductancia, la cual es la causa principal de la diafonía a las frecuencias prácticas de operación de las DDR. Lo mejor es realizar simulaciones de diafonía para analizar los límites de separación entre las pistas de salida simple y las diferenciales.

Cómo utilizar Altium Designer^® para el diseño de enrutamiento fly-by

Ante la complejidad de un mayor número de pistas, es conveniente utilizar el diagrama esquemático como base de tu diseño. Con el diagrama en mano, podrás localizar los componentes y redes más importantes. Esta técnica te permite utilizar la selección y la comprobación cruzadas de componentes y redes del esquema para resaltar el mismo elemento en la PCB. Estas funciones, junto con tu configuración de reglas de diseño, te ayudarán a identificar los pares diferenciales que necesitan ajustes de longitud y a mantener la impedancia objetivo, así como el espaciado necesario durante el enrutamiento.

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Los diseños de PCB de alta velocidad son complejos y requieren una buena planificación para la colocación de sus componentes y el control de la impedancia. Altium Designer te ofrece un completo paquete de herramientas de enrutamiento interactivo basado en reglas para la implementación de la topología fly-by en tus diseños de DDR3 y DDR4. En términos generales, lo recomendable es crear un enrutamiento que produzca a una vía directa y una solución de interconexión para cada lado del bus. Las funcionalidades de CAD del editor de PCB de Altium Designer facilitan la creación de disposiciones para DDR3 y DDR4 a fin de garantizar la integridad de la señal y la facilidad de enrutamiento.

Para conocer más sobre el enrutamiento mediante la topología fly-by para tus dispositivos de memoria DDR3 y DDR4, ponte en contacto con un experto de Altium.