PCB設計におけるSDRAMとDDR RAMの使用

組み込みコンピュータ、ビジョンデバイス、DAQモジュールなどは、フラッシュチップであれRAMモジュールであれ、何らかのメモリが必要になります。通常、フラッシュメモリチップや小型のeMMCモジュールは、デバイスが常に書き換えを必要とするため、一時的なストレージとしては使用されません。代わりに、揮発性（つまり、一時的な）メモリソリューションが必要な場合は、静的または動的RAM（SRAMまたはDRAM）を選択します。これら2種類のRAMの間には、非同期と同期のバージョンがあり、同期型は通常、現代の高速電子機器で使用されます。

SDRAMは、外部ボードなしでオンボードメモリに利用できる標準的で、速度が低め/容量が小さいオプションの一つです。RAMモジュールを扱ったことがない設計者は、デスクトップやラップトップにインストールする大きなDDR RAMスティックを思い浮かべるかもしれません。代わりに、個々のRAMチップをボードに取り付けることができ、それらは一般的なSODIMMスティックに見られるような高速・大容量のRAM ICである必要はありません。ボードでどのタイプのメモリを使用するか決定する必要がある場合は、SDRAMとDDRメモリモジュールの基本的な設計ガイドラインを見てみましょう。

SDRAM vs. DDR RAMモジュール

SDRAM（同期動的RAM）モジュールは、現代の電子機器で使用される標準的なタイプのRAMモジュールです。SDRAMとDDRを比較する際に重要なのは、DDRがSDRAMの一種であり、最初のDDR SDRAMチップが1997年にSamsungによってリリースされたことです。それ以来、新しいDDR世代が生産され、メモリ容量は増加しました。それでも、シングルデータレートで動作するSDRAMモジュールはなくなっていません。ここから、「SDRAM」と言及する場合は、シングルデータレートバージョンを指し、DDRではないことを知っておいてください。

以下の表は、SDRAMとDDRの基本的な動作パラメーターを比較したものです。この表からわかるように、2種類のメモリは、クロックレートと容量を除いて、似たような能力を持っています。

一般に、DDRのクロックレートが高いこと、およびDDRがクロックサイクルごとに2倍のデータを転送することは、DDRモジュールをシングルデータレートSDRAMよりもはるかに高速にします。両タイプのRAMは同期インターフェースを使用しており、これはソース同期クロックを使用してメモリモジュールからのデータ転送をトリガーすることを意味します。これには、バス全体での長さ調整を強制することが必要です。

上記のDDR番号はDDR4モジュール用です。DDR3およびそれ以前のものは、仕様が低く、コストも低くなります。DDR5は、上記の表でクロック周波数（3200 MHz）とデータレート（モジュールあたり最大6400 MT/s）を高め、最新の消費者向けおよびサーバー製品は2021年後半に利用可能になります。これは、DDRがはるかに高い容量とデータ転送率を持っているにもかかわらず、なぜすべての揮発性メモリを必要とするシステムでDDRが使用されていないのかという疑問を投げかけます。

なぜシングルデータレートSDRAMを使用するのか？

一部のシステムでは、オンボードのDDRモジュールを使用するか、エッジコネクタを介してDDRスティックにアクセスすることは過剰です。組み込みデバイスでフルオペレーティングシステムや複数のアプリケーションを実行していない限り、それほど多くのRAMは必要ありません。これは、小規模な組み込みシステムが多くのメモリを必要としないという意味ではありません。多くの場合、必要なメモリは不揮発性であり、フラッシュチップ、SDカード、またはeMMCモジュールを通じて供給される可能性があります。

組み込みシステムアーキテクチャでフルDDRモジュールの代わりにSDRAMモジュールを使用することを検討する主な理由は次のとおりです：

• MCUとのインターフェース：DDRモジュールに接続できるMCUについては聞いたことがありません。少なくともMPUやFPGAが必要になります。しかし、より強力なMCUの中には、内部コントローラーを通じて大量の揮発性メモリにアクセスできるものもあります。STM32F7シリーズのMCUは非常に人気のある例で、その内部の柔軟なメモリコントローラー（FMC）を使用して、約100 MHzでSDRAMにアクセスできます。
• 低コスト：小型のML対応システムなど、多くのメモリが必要な組み込みシステムでは、RAMモジュールによって供給される大量のメモリが必要になる場合があります。このタイプのシステムの展開が増えることが予測されるため、高価なDDRモジュールを使用する意味はなく、SDRAMチップで十分です。
• ルーティングが容易：SDRAMチップはやや遅く動作するため、信号の立ち上がり時間が遅く、長さのマッチング要件がはるかに簡単になります。設計ルールにこれらの制限をエンコードしてください。
• クロストークが少ない： どんな高速デジタルプロトコルでも、DDR4を含む、パラレルバスインターフェース内やボード上の他のバスにある程度のクロストークが発生します。低速で動作させる利点は、バス内の信号間のクロストークがそれほど激しくないことです。
• 同じバストポロジー： SDRAMとDDRは同じタイプのバスを使用しており、同じセットの信号を持ち、信号の意味も同じです。シングルデータレートSDRAMインターフェースのルーティング方法を知っていれば、より高速なDDRインターフェースの扱い方もわかります。

すべてのシステムがシングルデータレートSDRAMモジュールを必要とするわけではありませんが、マイクロコントローラを中心に構築された一般的な組み込みシステムアーキテクチャでは、確かに使用しやすいです。カスタムのシングルボードコンピューターやマザーボードを設計しており、システムに高いメモリが必要な場合は、躊躇せずに1つ以上のDDRモジュールを選択してください。現代のDDRモジュールを扱った経験がなくても、DDR2まで下げれば、典型的なSDRAMモジュールと比較してシステムに十分なメモリを提供できます。

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