DDR5 vs. DDR6: O Que Esperar dos Módulos de RAM

Enquanto o DDR5 ainda estava sendo finalizado, o DDR6 já estava sendo discutido, mesmo enquanto os designers que já estavam confortáveis com o DDR4 lutavam com uma nova versão desta clássica tecnologia RAM. Avançando para hoje, e os pentes de RAM DDR5 acabaram de chegar ao mercado, e enquanto isso, os maiores nomes em semicondutores estão trabalhando no DDR6. Designers trabalhando no domínio ultra-rápido estarão levando as velocidades de relógio e de dados a novos níveis para extrair ainda mais dados de suas memórias.

A transição das gerações anteriores de DDR para DDR5 e DDR6 traz novas embalagens, novos códigos de relógio e correção de erros adicionados aos bitstreams, e claro, uma taxa de transferência de dados mais alta. Então, o que mais os designers podem esperar do RAM DDR6? Vamos olhar para uma comparação destas duas tecnologias, pois uma comparação ajudará o ávido designer de periféricos de computador a se preparar para usar ambos.

Do DDR1 ao DDR5 e Além

DDR é uma das poucas tecnologias que permanece principalmente como um barramento paralelo com uma mistura de sinais de extremidade única e diferenciais. Desde as especificações originais do DDR até o DDR5 e DDR6, a topologia de roteamento e as capacidades desses sistemas evoluíram significativamente ao longo do tempo. A tabela abaixo compara algumas das especificações críticas das tecnologias DDR até a especificação atual do DDR5 e as capacidades esperadas na especificação do DDR6.
 

A tabela acima mostra que a duplicação contínua no padrão base também é utilizada no DDR5 e DDR6. O padrão JEDEC espera que a tecnologia DDR escale até 8 GHz até 2024. Para ter uma perspectiva, veja as velocidades em módulos de RAM comercialmente disponíveis (e módulos GDDR relacionados) mostrados no gráfico abaixo (gráfico fornecido pela Keysight).

Até o DDR3 e DDR4, os projetistas precisavam se preocupar com o design para impedância controlada, manutenção de correspondência de comprimento e prevenção de diafonia dentro do barramento. Uma vez que você chega ao DDR4 e superior, problemas como dispersão, jitter e asperidade do cobre começam a contribuir mais para a integridade do sinal à medida que as larguras de banda são empurradas para níveis mais altos de GHz. O DDR5 leva isso ainda mais longe, mas muda um pouco a topologia e adiciona novas capacidades para correção de erro e recuperação de sinal no receptor.

Topologia DDR5 e DDR6

DDR5 e DDR6 dobram a taxa de dados de ponta do DDR4 novamente (e outra duplicação no DDR6) ao tornar os barramentos mais rápidos, em vez de mais largos. Você ainda está lidando com os desafios de roteamento do DDR4 em termos de disposição de redes single-ended paralelas, mas esses canais são muito mais curtos. Os barramentos também funcionarão rápido o suficiente para que os canais típicos geralmente sejam eletricamente longos, então os erros de bit serão dominados por perdas de inserção ao longo dos interconectores.

Alguns pontos nos padrões DDR5 e DDR6 não mudaram em relação ao DDR4:

• O código de correção de erro é mantido
• A largura total do barramento é de 64 bits
• A topologia flyby ainda é usada no roteamento

A principal mudança no DDR5 e DDR6 é a divisão do barramento de um único canal de 64 bits em dois canais de 32 bits. Esses dois canais têm seus próprios códigos de correção de erro (8 bits) aplicados separadamente a cada canal. Isso torna a largura equivalente do barramento mais ampla quando os códigos de correção de erro são incluídos no barramento.

Um exemplo de módulo de RAM DDR5 fornecido pela Rambus é mostrado abaixo. Este exemplo divide os canais em cada lado do chip de driver de relógio registrado (RCD), que fornece distribuição de relógio para cada módulo DRAM. Dividir os canais dessa maneira requer também a divisão do relógio diferencial em dois canais. A razão citada para fazer isso é para auxiliar a integridade do sinal em cada canal. DDR6 segue a mesma abordagem, mas com 4 canais de 16 bits cada, em vez de 2 canais.

Finalmente, os módulos de RAM terão sua própria regulação de energia aplicada diretamente no módulo, em vez de depender da regulação de energia da placa principal. Trazer um regulador para o módulo proporciona isolamento do trilho de energia principal através da retificação no circuito regulador. Isso é benéfico porque outros componentes estarão puxando do trilho de energia principal, e seu ripple poderia se transmitir para o módulo apesar do desacoplamento aplicado. O regulador proporciona algum isolamento natural e permite que a estratégia de desacoplamento (decaps e design de empilhamento) seja movida para o módulo.

Equalização DDR5 e DDR6

Para abordar o problema de perda de inserção que mencionei acima, DDR5 e DDR6 adotam a equalização de feedback de decisão (DFE) para auxiliar na recuperação de sinal no receptor. Esta técnica ajuda a abrir o olho em um fluxo de bits para que os níveis de sinal possam ser claramente interpretados quando são recebidos. Esta é uma abordagem padrão para tratar a recuperação de sinal em canais dominados por perda de inserção quando as larguras de banda começam a se estender para frequências muito altas.

A necessidade de equalização surge devido às larguras de banda de sinal em DDR5 e DDR6. Ambos os padrões exigem chips que empurram as larguras de banda em transições de borda tão altas que efeitos como aspereza e dispersão se tornam excessivos. O nível de sinal também é mais baixo em DDR5 e DDR6 em comparação com gerações anteriores. O resultado é uma atenuação excessiva em altas frequências e fechamento do olho em um fluxo de bits. DFE é uma técnica de equalização que ajuda a abrir o olho para que os níveis de sinal em um fluxo de bits possam ser distinguidos. Também é usado nas revisões mais recentes dos padrões de outros protocolos de alta velocidade.

Desafios de Design de PCB em DDR5 vs. DDR6 RAM

Os desafios na RAM DDR6 ocorrem em grande parte no nível do chip, mas os mesmos desafios no nível da placa em DDR5 também se aplicam à RAM DDR6. O desafio da integridade de energia em DDR5 que mencionei acima não vai desaparecer na RAM DDR6. O desafio da integridade de energia com DDR6 está em estender a impedância plana da PDN para larguras de banda de sinal mais altas uma vez que a modulação é imposta aos sinais DDR6. Estender a impedância plana da PDN para frequências mais altas é tudo sobre manter o jitter no lado Tx baixo, o que então mantém o ISI no lado Rx baixo o suficiente para que os sinais possam ser resolvidos com equalização. Circuitos integrados de gerenciamento de energia a bordo para módulos DDR5 também aparecerão em módulos de RAM DDR6 para ajudar a regular a energia em todo o módulo.

Há muitos outros desafios de design a considerar em DDR5 e DDR6, mas os listados acima são, sem dúvida, os maiores. Você pode ler mais sobre os desafios de design de PCB DDR5 em um artigo anterior. DDR6 nem mesmo está disponível comercialmente, e ainda assim já existem projeções sobre o desempenho para DDR7. Uma das principais aplicações dessa arquitetura de memória poderia ser jogos em 8K, VR/AR e qualquer outra experiência imersiva que dependa de vídeo de ultra-alta qualidade.

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