DDR3 메모리 및 CPU 팬아웃 라우팅 방법

마이크로컨트롤러를 다룰 때 보드 디자이너들이 고속도(high speed) PCB 디자인을 해야 하는 상황이 점점 불가피해지고 있습니다. Freescale iMX6 멀티코어 ARM 디바이스 패밀리와 같은 CPU의 강력한 성능을 보면서도 "비용 대비 MIP"가 매우 낮기 때문에, 이러한 디바이스를 사용하여 제품에 풍부한 소프트웨어와 사용자 경험을 제공하는 것이 점점 더 바람직해지고 있습니다.

하지만 이러한 초소형 메모리 컨트롤러를 사용하는 것은 DDR3 레이아웃 가이드라인을 따라야 하는 고속, 고밀도 메모리 인터페이스의 도전과제를 수반합니다. 이 게스트 블로그에서, Altium Designer 사용자인 Fedevel Academy의 Robert Feranec는 iMX6 Rex의 오픈 소스 하드웨어 디자인을 바탕으로 DDR3 메모리 라우팅에 대한 매우 가치 있는 팁을 보여줍니다. iMX6 Rex는 컴팩트하면서도 강력한 싱글 보드 컴퓨터 개발 키트입니다. 

DDR3 메모리는 너무나도 보편적이어서; 전문적인 프린트 보드 디자이너들이 반드시 사용해야 할 보드를 마주하게 될 것이 거의 불가피합니다. 이 기사는 매우 높은 밀도와 밀집된 PCB 레이아웃에서도 DDR3 메모리 인터페이스를 적절히 팬아웃하고 라우팅하는 데 도움이 되는 팁을 제공합니다.

DDR3 메모리 디자인 규칙 및 신호 그룹

모든 것은 DDR3을 그룹으로 라우팅할 때 권장되는 고속 PCB 설계 규칙으로 시작합니다. DDR3 메모리 레이아웃 중에 인터페이스는 명령 그룹, 제어 그룹, 주소 그룹, 그리고 데이터 뱅크 0/1/2/3/4/5/6/7, 클록 및 기타로 나뉩니다. 동일한 그룹에 속하는 모든 신호는 "동일한 방식" 즉, 동일한 토폴로지와 레이어 전환을 사용하여 라우팅되어야 한다고 권장됩니다.

그림 1: DATA 6 그룹의 모든 신호는 동일한 토폴로지와 레이어 전환을 사용하여 “동일한 방식”으로 라우팅됩니다.

예를 들어, 그림 1에 표시된 DDR 라우팅 순서를 고려해 보세요. DATA 6 그룹의 모든 신호는 레이어 1에서 레이어 10으로, 그 다음에 레이어 11로, 그 후에 레이어 12로 갑니다. 그룹 내의 모든 신호는 동일한 레이어 전환을 하며 일반적으로 동일한 라우팅 거리와 토폴로지를 취합니다.

DDR 신호를 이런 방식으로 라우팅하는 장점 중 하나는 길이 조정(일명 지연 또는 위상 조정) 시에 비아의 z축 길이를 무시할 수 있다는 것입니다. 이는 모든 신호가 동일한 방식으로 라우팅되므로 비아를 통한 전환과 길이가 정확히 동일하기 때문입니다.

DDR3 메모리 그룹 생성

Altium Designer^®는 필요한 신호 그룹을 생성하고 신호 무결성을 확인하는 간단한 방법을 지원합니다. 이 단계는 프로젝트의 스키마틱에서 수행됩니다. 먼저, 그룹이 생성되는 각 넷 세트 주변에 블랭킷이 배치됩니다. 그런 다음 블랭킷 가장자리에 넷 클래스 인쇄 보드 지시문이 부착되어 그룹에 넷 클래스를 적용합니다. 이의 예는 그림 2에서 보여집니다.

 그림 2: 블랭킷과 PCB 지시문을 사용하여 DDR3 라우팅 지침에 대한 넷 클래스 그룹을 생성합니다.

DDR3 메모리 그룹에 색상 지정

새로운 넷 클래스를 우리의 인쇄 회로 기판에 가져온 후(설계 » PCB 문서 업데이트...를 통해 엔지니어링 변경 명령(ECO) 하에), 각 그룹에 다른 색상을 할당하는 것이 라우팅을 정신적으로 따라가기 쉽게 만들어 매우 유용합니다. 인쇄 회로 기판 패널로 이동하여, 색상을 할당하고자 하는 그룹(넷 클래스)을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고, 팝업 메뉴에서 넷 색상 변경을 선택하세요, 그림 3에 나타난 것처럼.

 그림 3: 각 그룹에 다른 색상을 할당하면 라우팅을 정신적으로 따라가기 쉽습니다.

색상을 선택한 후에는 넷 클래스나 넷을 다시 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 디스플레이 오버라이드 » 선택된 ON을 선택하세요. 이렇게 하면 선택한 넷 색상이 해당 넷의 객체가 현재 사용하는 레이어의 레이어 색상을 덮어씁니다.

넷 컬러 오버라이드를 켜지 않았다면, 선택한 색상으로 넷이 표시되지 않습니다. 이 경우, 보기 » 넷 컬러 오버라이드 옵션을 토글하거나 F5 키를 사용하여 이 설정을 전역적으로(모든 넷에 대해) 활성화하세요. 이제 CPU의 DDR3 인터페이스를 팬아웃할 준비가 되었습니다.

CPU DDR3 팬아웃 작업을 할 때 미리 계획하나요? 

특정 메모리 그룹에 적합한 비아 스타일을 선택하고 PCB 레이어의 사용 방법을 결정하는 것은 DDR3 레이아웃을 훨씬 쉽게 만들 수 있습니다. 각 메모리 그룹에 다른 색상을 할당하면 인터페이스를 시각화하는 데 도움이 됩니다.

그림 4: 올바른 비아 크기를 선택하면 더 많은 트랙을 위한 공간을 절약할 수 있습니다.

마이크로비아(μVia)는 스루 홀 비아(Through Hole Via)에 비해 더 적은 공간을 차지합니다. 이를 통해 같은 영역에서 더 많은 트랙을 팬아웃할 수 있습니다. 마이크로비아는 다른 레이어에서도 공간을 절약합니다. 절약된 공간은 트랙을 위해 사용될 수 있습니다.

주소, 명령, 제어 신호에 마이크로비아를 사용하는 이유는 무엇인가요?

주소, 명령 및 제어 그룹은 메모리 그룹 중에서 가장 많은 신호를 가지고 있습니다. 우리가 스루 홀 비아(Through Hole Vias)를 선택한다면, 모든 층에서 많은 공간을 사용하게 될 것입니다. 마이크로비아(microvias)를 선택함으로써, 우리는 3층에서만 공간이 필요하며, 마이크로비아의 지름이 더 작기 때문에, 3층에서 신호를 팬아웃(fanout)하는 데 더 많은 공간을 가질 수 있습니다.

그림 5: 마이크로비아 사이에는 같은 공간이 필요한 스루 홀 비아 사이에 한 개의 트랙이 들어갈 공간에 두 개나 세 개의 트랙이 들어갈 수 있습니다.

주소, 명령 및 제어 그룹에 가장 가까운 그룹에 스루 홀 비아를 사용하는 이유는 무엇인가요?

주소, 명령 및 제어 그룹의 일부 신호는 "가장 가까운 그룹" 아래의 공간이 필요할 것입니다.

그림 6: 주소, 명령 및 제어 트랙의 일부는 "가장 가까운 그룹"의 패드 아래로 라우팅되어야 합니다.

주소, 명령 또는 제어 신호 그룹이 3층의 마이크로비아를 통해 라우팅될 때, 이 그룹 아래에 10층에서 사용할 수 있는 여유 공간이 남게 됩니다. 이 공간은 "가장 가까운 그룹"을 팬아웃하는 데 사용될 수 있습니다.

그림 7: 마이크로비아로 라우팅된 그룹 아래에 남겨진 여유 공간은 "가장 가까운 그룹"을 팬아웃하는 데 사용될 수 있습니다.

"외부 그룹"이 마이크로비아를 사용하는 이유는 무엇인가요?

위의 그림에서 볼 수 있듯이, "외부 그룹"을 팬아웃하기 위한 공간이 레이어 10에 남아 있지 않을 것입니다. 그래서 "외부 그룹"을 레이어 3에 배치하고 마이크로비아를 사용하는 것은 팬아웃 계획의 결과입니다.

참고: 동일한 레이어 / 비아 / 마이크로비아 "팬아웃 계획 기술"은 다른 인터페이스에도 적용될 수 있습니다(예: PCI, ISA, ...). 이 방법으로, 정말로 패킹되고 매우 밀집된 디자인도 라우팅할 수 있습니다.

결론

약간의 주의와 사전 계획을 통해, DDR3 팬아웃의 라우팅과 길이 조정은 가장 컴팩트하고 밀집된 디자인 가이드라인에서도 스트레스 없는 과정이 될 수 있습니다. iMX6 Rex는 이러한 주의와 계획의 훌륭한 예로, 어떻게 하는지 보여주는 도구로 부분적으로 설계되었습니다. 로버트의 계획과 단계를 따르면 어떤 DDR3 디자인도 훨씬 적은 시간과 처음부터 올바르게 설계할 가능성이 훨씬 더 높아져 완성될 수 있습니다. 

더 많은 Altium Designer 프로젝트를 보거나 PCB 디자이너가 알아야 할 DDR5에 대해 여기서 자세히 알아보세요.