PCB Routing Guidelines per memorie DDR4

La marina degli Stati Uniti usa una classificazione alfabetica per identificare i tipi di scafi. Ad esempio la sigla BB indica una corazzata e DD un cacciatorpediniere. Nei primi anni 50, poco dopo l’inizio della cosiddetta guerra fredda, la marina equipaggiò il primo cacciatorpediniere di scorta con un sistema speciale di comunicazioni radar. Lo scafo, denominato DDR, era dotato di antenne radar aggiuntive e il suo scopo era quello di fornire un sistema di rilevamento e allarme rapido. 

Nel mondo dei dispositivi di memoria la sigla “DDR” ha un significato diverso ed è utilizzata in sistemi di comunicazione, orologi, computer, smartphone, tablet e server. Anziché fornire un sistema di rilevamento delle forze nemiche i dispositivi di memoria DDR si sono evoluti fino a cambiare la nostra percezione in termini di prestazioni, trasferimento dati, consumi e conservazione delle informazioni.

Le DDR4 meritano una particolare attenzione

Nel 2014 è stata introdotta la quarta generazione delle memorie DDR (DDR4) che offrono consumi ridotti, velocità di trasferimento dati più elevate e una maggiore densità di chip. Le memorie DDR4 hanno anche una migliore integrità dei dati con l'aggiunta di controlli ciclici di ridondanza sui dati scritti e rilevamento parità.

Grazie a questi notevoli miglioramenti in termini di banda dati, velocità e prestazioni le memorie DDR4 meritano una particolare attenzione. Le differenze tra le memorie DDR3 e DDR4 sono le stesse che ci sono tra una normale berlina familiare e una macchina sportiva estremamente potente. Esattamente come le macchine sportive raggiungono velocità molto elevate e richiedono una diversa aerodinamica, le DDR4 offrono una solida integrità del segnale e forniscono un’elevata velocità di trasmissione dei dati.

Possiamo utilizzare l’analogia con le macchine sportive anche quando analizziamo il progetto. Rispetto ad una normale berlina le macchine sportive hanno bisogno di un’aerodinamica più raffinata e componenti in fibra di carbonio. Allo stesso modo il progetto di PCB che utilizzano DDR4 necessita di metodi di instradamento diverso.

Senza metodi di instradamento specializzati e senza prestare attenzione alle regole di progettazione che le DDR4 impongono, la qualità del segnale dal trasmettitore al ricevitore viene deteriorata. Come affrontare questo problema dal punto di vista del layout del PCB? Quali regole occorre rispettare per assicurarsi che il dispositivo opera come dovrebbe?

Regole di progettazione con DDR4

Quando si lavora con segnali sensibili e tecnologia di precisione la temporizzazione è il fattore chiave. Assicuratevi che il vostro circuito abbia la capacità di gestire i propri dati in modo efficace rispettando le linee guida per l’instradamento e la progettazione di PCB che utilizzano DDR4. In caso contrario potreste trovarvi in difficoltà con la progettazione o avere problemi seri con interferenze elettromagnetiche e altre vulnerabilità che possono compromettere il segnale.

Tenete presente che la velocità di trasferimento dati è solitamente compresa tra 1,6Gbps e 3,2Gbps. Se è presente un numero elevato di collegamenti, e per edge rate superiori, sono necessarie tecniche specifiche per mantenere al minimo il tasso di errore di bit necessario per preservare l’integrità del segnale. Ad esempio la mancanza di attenzione alle regole di progettazione può provocare accoppiamenti capacitivi ed induttivi fra un segnale ed il successivo. All’aumentare dell'accoppiamento il fenomeno del crosstalk diventa particolarmente grave.

Per ridurre la possibilità che tali accoppiamenti insorgano è possibile rimuovere tutti i punti di connessione (pad) non utilizzati dal progetto. Disaccoppiare i condensatori tra il terminale di tensione (VTT) e quello di terra aiuta a minimizzare l'accoppiamento induttivo. La VTT alimenta la memoria ed è separata dalla tensione di ingresso/uscita (VIO) e da quella del core (VCORE).

Clock e interfacce basate su clock sono preponderanti nel mondo dei segnali e della trasmissione dei dati

Instradamento per le diverse topologie di DDR4

Le DDR4 SDRAM operano con una topologia cosiddetta “clamshell” o “fly-by”. Entrambe le topologie presentano vantaggi e svantaggi. La topologia clamshell utilizza meno spazio sulla scheda e due strati ma richiede un instradamento più complesso. Affollare lo spazio compreso tra gli strati inferiore e superiore al di sotto dei dispositivi di memoria può causare congestione e sottotracce più lunghe.

Al contrario la topologia fly-by consente un instradamento più semplice ed è la scelta migliore in termini di integrità del segnale. Detto questo la topologia fly-by, con uno solo strato, richiede molto più spazio. In definitiva la scelta migliore per il vostro layout dipende dai requisiti del vostro dispositivo.

Quando progettate l’instradamento per il vostro PCB utilizzate sempre lo stesso gruppo sullo stesso strato. Utilizzate angoli a 45 gradi invece che a 90 ed evitate connessioni a T per le reti e i clock critici. Non instradate segnali di memoria ad una distanza inferiore a 0.025 pollici rispetto al PCI o ai clock di sistema e assicuratevi che la distanza sia superiore a 30 mil dal piano di riferimento e dai bordi. Inoltre mantenete una distanza appropriata tra i segnali di reset del sistema e gli altri segnali

La spaziatura e la lunghezza sono fattori importanti

Le DDR4 SDRAM richiedono tracce più brevi e una spaziatura corretta per una temporizzazione ottimale e per la migliore integrità del segnale. Evitate di instradare due segnali uno accanto all’altro e instradateli su un piano di riferimento solido. Quando progettate l’instradamento evitate di attraversare vuoti o separazioni.

Tutti i segnali relativi all’interfaccia della memoria devono passare attraverso gli strati di alimentazione. Inviati i segnali DQ, DQS e DM raggruppati sullo stesso strato per ridurre od eliminare le diverse velocità di trasmissione da uno strato all’altro. Dato che il segnale di clock ha un ritardo di propagazione superiore rispetto al segnale DQS la traccia del segnale deve avere una lunghezza superiore alla traccia più lunga del DQS per le DIMM. Linee di clock diverse hanno una maggiore resistenza al rumore o ad altri elementi che possono avere un effetto negativo sull’integrità del segnale.

 

Software di instradamento efficaci vi assicurano che qualsiasi progetto dove i segnali sono importanti può procedere più agevolmente

 

Per progettare la spaziatura tra le tracce nel layout un fattore importante è la distanza verticale rispetto al percorso di ritorno più vicino per una particolare traccia. Normalmente si utilizza il codice “H” per rappresentare questo fattore. Moltiplicate questa lunghezza per cinque per determinare la spaziatura minima tra una coppia di clock. Ricordate che le tracce dei segnali DQ/DQS/DM e Address/Command/Control richiedono una distanza pari ad almeno 3H.

Per semplificare la fase di progetto del PCB e del suo layout potete utilizzare Altium Designer, in grado anche di simulare l’integrità del segnale. Il simulatore calcola l’impedenza delle varie tracce ed utilizza le informazioni, insieme ad altri macro-modelli di I/O, come ingressi.

Altium Designer vi aiuta anche a definire la larghezza delle tracce e lo spessore grazie a funzionalità avanzate per il calcolo della larghezza in funzione dell’impedenza e delle regole di instradamento. Il layout di PCB non potrebbe essere più facile per circuiti con memorie volatili e non volatili, dipendenza di clock o coppie differenziali. Utilizzate sempre un software di progetto di PCB per lavorare in maniera più precisa ed efficiente.

Per ulteriori informazioni sull’instradamento nei PCB con memorie DDR4 contattate un esperto di Altium.