DDR5 vs. DDR6: Oto czego można się spodziewać w modułach RAM

Gdy DDR5 było jeszcze w fazie finalizacji, DDR6 dopiero zaczęło być dyskutowane, nawet gdy projektanci, którzy już dobrze czuli się z DDR4, zmierzyli się z nową wersją tej klasycznej technologii RAM. Przesuwając się do dziś, pamięci RAM DDR5 właśnie trafiły na rynek, a tymczasem największe nazwiska w branży półprzewodników pracują nad DDR6. Projektanci pracujący w ultra-szybkim obszarze będą podnosić prędkości zegara i danych do nowych poziomów, aby uzyskać jeszcze więcej danych z ich pamięci.

Przejście z wcześniejszych generacji DDR do DDR5 i DDR6 przynosi nowe opakowania, nowe zegary i kody korekcji błędów dodane do strumieni bitów, oraz oczywiście wyższą prędkość transferu danych. Co więc jeszcze mogą oczekiwać projektanci od pamięci RAM DDR6? Spójrzmy na porównanie tych dwóch technologii, ponieważ porównanie pomoże zapalonym projektantom peryferiów komputerowych przygotować się do korzystania z obu.

Od DDR1 do DDR5 i dalej

DDR jest jedną z niewielu technologii, która pozostaje głównie równoległą magistralą z mieszanką sygnałów jednostronnych i różnicowych. Od oryginalnych specyfikacji DDR aż do DDR5 i DDR6, topologia trasowania oraz możliwości tych systemów znacząco ewoluowały z biegiem czasu. Poniższa tabela porównuje niektóre kluczowe specyfikacje technologii DDR aż do obecnej specyfikacji DDR5 oraz oczekiwane możliwości w specyfikacji DDR6.
 

Powyższa tabela pokazuje, że ciągłe podwajanie w standardzie bazowym jest stosowane również w DDR5 i DDR6. Standard JEDEC przewiduje, że technologia DDR osiągnie do 2024 roku prędkość do 8 GHz. Dla porównania, spójrz na prędkości dostępnych komercyjnie modułów RAM (oraz powiązanych modułów GDDR) przedstawionych na poniższym wykresie (grafika dostarczona przez Keysight).

Do DDR3 i DDR4, projektanci musieli martwić się o projektowanie z kontrolowaną impedancją, utrzymanie dopasowania długości i zapobieganie przeplotom w magistrali. Kiedy dochodzi do DDR4 i wyższych, problemy takie jak dyspersja, jitter i szorstkość miedzi zaczynają mieć większy wpływ na integralność sygnału, ponieważ pasma są przesuwane dalej w poziomy GHz. DDR5 posuwa to jeszcze dalej, ale zmienia nieco topologię i dodaje nowe możliwości korekcji błędów i odzyskiwania sygnału na odbiorniku.

Topologia DDR5 i DDR6

DDR5 i DDR6 podwajają najwyższą prędkość transmisji danych DDR4 (a DDR6 podwaja ją jeszcze raz), poprzez przyspieszenie magistral, a nie zwiększanie ich szerokości. Nadal masz do czynienia z wyzwaniami związanymi z trasowaniem DDR4, jeśli chodzi o układanie równoległych jednostronnych sieci, ale te kanały są znacznie krótsze. Magistrale będą również działać na tyle szybko, że typowe kanały zazwyczaj będą elektrycznie długie, więc błędy bitowe będą dominowane przez straty wstawienia wzdłuż połączeń.

Niektóre punkty w standardach DDR5 i DDR6 nie zmieniły się w porównaniu do DDR4:

• Kod korekcji błędów jest zachowany
• Całkowita szerokość magistrali to 64 bity
• Topologia przelotowa nadal jest używana w trasowaniu

Główną zmianą w DDR5 i DDR6 jest podział magistrali z pojedynczego kanału 64-bitowego na dwa kanały 32-bitowe. Te dwa kanały mają własne kody korekcji błędów (8 bitów) stosowane oddzielnie do każdego kanału. Sprawia to, że równoważna szerokość magistrali jest szersza, gdy kody korekcji błędów są włączone do magistrali.

Przykładowy moduł pamięci DDR5 dostarczony przez firmę Rambus jest pokazany poniżej. Ten przykład rozdziela kanały po obu stronach układu sterującego zegarem z rejestrem (RCD), który zapewnia dystrybucję zegara do każdego modułu DRAM. Rozdzielenie kanałów w ten sposób wymaga również rozdzielenia różnicowego sygnału zegarowego na dwa kanały. Powodem tego jest pomoc w utrzymaniu integralności sygnału w każdym kanale. DDR6 stosuje tę samą metodę, ale z 4 kanałami po 16 bitów każdy, zamiast 2 kanałów.

Ostatecznie, moduły RAM będą miały własną regulację mocy stosowaną bezpośrednio na module, zamiast polegać na regulacji mocy z głównej płyty. Umieszczenie regulatora na module zapewnia izolację od głównego szynoprzewodu zasilającego poprzez prostowanie w obwodzie regulatora. Jest to korzystne, ponieważ inne komponenty będą pobierać energię z głównego szynoprzewodu, a ich zakłócenia mogą być przenoszone na moduł pomimo zastosowanej dekuplingu. Regulator zapewnia pewną naturalną izolację i pozwala przenieść strategię dekuplingu (dekapsy i projektowanie stosu) na moduł.

Równoważenie DDR5 i DDR6

Aby rozwiązać problem strat wtrąceniowych, o którym wspomniałem powyżej, DDR5 i DDR6 oba przyjmują decyzyjną równoważenie sprzężenia zwrotnego (DFE) w celu wspomagania odzyskiwania sygnału na odbiorniku. Ta technika pomaga otworzyć oko na strumieniu bitów, tak aby poziomy sygnału mogły być wyraźnie interpretowane, gdy są odbierane. Jest to standardowe podejście do adresowania odzyskiwania sygnału w kanałach zdominowanych przez straty wtrąceniowe, gdy pasma zaczynają rozciągać się do bardzo wysokich częstotliwości.

Potrzeba równoważenia pojawia się ze względu na pasma sygnałowe w DDR5 i DDR6. Oba standardy wymagają chipów, które przesuwają pasma na krawędziach przejść tak wysoko, że efekty takie jak chropowatość i dyspersja stają się nadmierne. Poziom sygnału jest również niższy w DDR5 i DDR6 w porównaniu do wcześniejszych generacji. Skutkuje to nadmiernym tłumieniem na wysokich częstotliwościach i zamknięciem oka w strumieniu bitów. DFE to jedna z technik równoważenia, która pomaga otworzyć oko, tak aby poziomy sygnału w strumieniu bitów mogły być rozróżnione. Jest również używana w najnowszych rewizjach standardów innych protokołów wysokiej prędkości.

Wyzwania projektowe PCB w DDR5 vs. DDR6 RAM

Wyzwania związane z pamięcią DDR6 występują głównie na poziomie chipa, ale te same wyzwania na poziomie płyty, które dotyczą DDR5, mają również zastosowanie do pamięci DDR6. Wyzwanie związane z integralnością zasilania w DDR5, o którym wspomniałem powyżej, nie zniknie w przypadku pamięci DDR6. Wyzwanie związane z integralnością zasilania w DDR6 polega na rozszerzeniu płaskiej impedancji PDN do wyższych pasm sygnałowych, gdy na sygnały DDR6 nałożona jest modulacja. Rozszerzenie płaskiej impedancji PDN do wyższych częstotliwości polega na utrzymaniu niskiego jittera po stronie nadawczej (Tx), co z kolei utrzymuje interferencję międzysymbolową (ISI) na niskim poziomie po stronie odbiorczej (Rx), dzięki czemu sygnały mogą być rozdzielane z wykorzystaniem równoważenia. Układy zarządzania zasilaniem na płycie dla modułów DDR5 pojawią się również w modułach pamięci DDR6, aby pomóc regulować zasilanie na całym module.

Istnieje wiele innych wyzwań projektowych do rozważenia w DDR5 i DDR6, ale te wymienione powyżej są zdecydowanie największe. Możesz przeczytać więcej o wyzwaniach projektowych PCB DDR5 w wcześniejszym artykule. DDR6 nie jest jeszcze dostępne komercyjnie, a już teraz pojawiają się prognozy dotyczące wydajności DDR7. Jednym z głównych zastosowań tej architektury pamięci mogą być gry 8K, VR/AR oraz inne doświadczenia immersyjne opierające się na ultra-wysokiej jakości wideo.

Gdy pojawiają się nowe technologie, takie jak DDR5 vs. DDR6 RAM, potrzebujesz funkcji projektowych w Altium Designer®, jeśli chcesz być liderem w rozwoju technologii. Altium Designer zawiera zestaw potężnych funkcji układu i trasowania, które są idealne dla aplikacji wysokiej prędkości. Altium Designer na Altium 365 dostarcza niespotykany dotąd poziom integracji dla branży elektronicznej, dotychczas zarezerwowany dla świata rozwoju oprogramowania, umożliwiając projektantom pracę z domu i osiąganie niespotykanych poziomów efektywności.

Dopiero zaczynamy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji lub jeden z Webinarów na Żądanie.