Руководство по компоновке, трассировке и обеспечению целостности сигнала на печатных платах DDR5

Анонс стандарта DDR5 был сделан в июле 2020 года, примерно через 18 месяцев после объявления о разработке первого модуля оперативной памяти, следующего предложенному стандарту. Стандарт позволяет достигать пиковых скоростей свыше 5200 МТ/сек/контакт (в сравнении с 3200 МТ/сек/контакт у DDR4), с оценочными скоростями JEDEC до 6400 МТ/сек/контакт и увеличенной пропускной способностью канала до 300 ГБ/с. Спрос на эту новую генерацию памяти с объемами 8, 16 и 32 ГБ должен превысить спрос на предыдущие поколения по мере того, как технология становится более коммерциализированной.

Более высокие скорости, более низкие напряжения питания и большие потери в канале создают строгие границы и допуски в компоновке и дизайне печатных плат DDR5, но целостность сигнала каналов DDR5 все еще может быть оценена с помощью общих метрик целостности сигнала. В этой области есть много чего рассмотреть, но в этой статье мы сосредоточимся на основных рекомендациях по компоновке и трассировке печатных плат DDR5, которые помогут обеспечить целостность сигнала в DDR5, а также на важных метриках целостности сигнала в каналах DDR5.

Диаграммы глазков DDR5 и импульсные характеристики

Для анализа целостности сигнала в каналах DDR5 используются две важные симуляции: диаграмма глаза и импульсная характеристика. Диаграмма глаза может быть смоделирована или измерена, как и импульсная характеристика в завершенном канале. Оба метода измеряют способность канала передавать один бит и поток битов через канал, и они позволяют оценить аналитическую модель канала с точки зрения причинности. В таблице ниже приведена важная информация, которую можно получить из этих измерений/симуляций.

Чтобы узнать больше о некоторых технических характеристиках каналов DDR5 в сравнении с предыдущими поколениями DDR, ознакомьтесь с этой статьей.

Диаграммы глаза в анализе целостности сигнала DDR5

Основные метрики, извлекаемые из диаграммы глаза, - это открытие глаза и показатель битовых ошибок (BER). Открытие глаза можно проследить в центре глаза и обычно используется как мера качества канала. Важные точки, которые можно напрямую извлечь из пересечений сигналов, - это джиттер амплитуды и джиттер времени, оба из которых указывают на ISI и некоторые источники искажений или потерь. Когда джиттер времени и шум амплитуды высоки, диаграмма глаза будет более закрытой. Улучшение основных метрик целостности сигнала в канале (потери, диэлектрическая дисперсия, расширение полосы согласования импеданса до более высоких частот) должно улучшить обе упомянутые метрики и, таким образом, более полно открыть глаз, что приведет к снижению показателя битовых ошибок.

• Узнайте больше о диаграммах глаза

Импульсные характеристики в целостности сигнала DDR5

Импульсные характеристики учитывают реакцию канала в изоляции при подаче быстрого импульса. Хотя важно оценивать псевдослучайную последовательность битов, как это делается в диаграмме глаза, импульсная характеристика является более фундаментальной. Она раскрывает информацию о том, как канал передает один бит с определенной скоростью изменения краев (полосой пропускания) через канал и к приемнику. Импульсная характеристика канала будет зависеть от импеданса канала, полосы пропускания окончания по сравнению с полосой пропускания сигнала, общих потерь в канале и дисперсии. Сигналы DDR5 больше сосредоточены на потерях, зависящих от отражения на приемнике, чем типичные последовательные каналы, что можно увидеть по скорости изменения краев в импульсной характеристике.

• Узнайте больше о функциях импульсной характеристики

Важная причина использования симуляции импульсной характеристики для предложенного дизайна канала DDR5 или извлеченной модели канала заключается в оценке причинности канала. Модель, определенная из S-параметров канала, может произвести не причинный ответ в канале, и поэтому потребуется некоторая коррекция (оконное преобразование) для модификации модели канала, если присутствуют не причинные артефакты. Читайте об этом в недавней статье от Джейсона Эллисона.

Процесс анализа сигнальной целостности в канале DDR5 (или любом другом канале высокой скорости) включал бы:

1. Проектирование каналов и тестирование/моделирование
2. Извлечение модели из симулированного полноволнового импульсного отклика или из измерений параметров рассеяния (S-параметров)
3. Проверка и коррекция причинности модели
4. Симуляция и тестирование диаграммы глаза
5. Модификация дизайна канала
6. Повторять до достижения соответствия канала

Компенсация обратной связи по решению (DFE) на линиях DQ

Одно из самых значительных изменений (на мой взгляд) в архитектуре DDR - это использование компенсации обратной связи по решению (DFE) для преодоления потерь и дисперсии в линиях DQ в шине DDR5. Концептуально, самый простой способ преодолеть искажения в цифровых сигналах - это пропустить ослабленный сигнал через высокочастотный фильтр. Вот почему параллельный RC-фильтр может использоваться как простой эквалайзер. Но в DDR5, где ширина полосы цифровых сигналов значительно выше, DFE более эффективен и внедряется на стороне приема канала. Причина использования DFE заключается в том, что эти каналы могут быть довольно короткими по сравнению с последовательными каналами, и DFE эффективен, когда потери отражения значительны в общих потерях канала.

DDR5 будет продолжать использовать однопроводные сети, но идеально, если бы длина канала была короче, чем в предыдущих поколениях DDR. На высоких скоростях, присущих каналам DDR5, доминирующее поведение отражений и дисперсия сочетаются, вызывая значительную интерсимвольную интерференцию (ISI), если трассы не заканчиваются должным образом, как показано выше в разделе об импульсных реакциях. ISI вызывает искажение уровней сигнала в дополнение к искажению формы из-за дисперсии и отражений, и каждый цифровой импульс начинает выглядеть как полугауссовский импульс на приемной стороне в неравномерном канале. В результате диаграмма глаза для канала начинает закрываться, поскольку потери, доминируемые отражениями, и искажения, связанные с дисперсией, накапливаются.

Для преодоления искажения сигнала и ISI в архитектуру DRAM включена схема эквализации, либо на передающей, либо на приемной стороне, аналогично некоторым контроллерам DDR3 и DDR4. Для приемной стороны можно использовать эквализацию с обратной связью по решениям (DFE) или непрерывную линейную эквализацию (CTLE), или эквализацию с прямой подачей (FFE) на передающей стороне. Отметим, что CTLE не идеален для каналов, доминируемых отражениями, поэтому DDR5 принимает DFE в качестве метода эквализации.

Измерение диаграммы глаза.

Руководство по размещению DDR5 на печатных платах для снижения деградации сигнала

Существуют и другие источники шума в каналах DDR5, которые становятся ещё более проблематичными, чем в предыдущих поколениях, особенно учитывая необходимость высоких скоростей для обеспечения больших скоростей передачи данных и ширины сигнального канала. Есть три основных принципа размещения DDR5 на печатных платах, которые будут иметь приоритет в этих проектах.

• Точное согласование и контроль импеданса до высоких частот необходимы для подавления отражений в требуемом диапазоне частот.
• Доставка питания также критична в дизайне печатных плат DDR5. Модули DDR5 будут включать в себя микросхему управления питанием, которая получает 12 В и выдает 1.1 В на микросхемы DIMM. Это переносит вопросы целостности питания на уровень модуля DDR5 и убирает их с материнской платы.
• Выбирайте более короткие пути из-за ослабления в каналах DDR5. Может быть полезен ламинатдля высокоскоростных передач с низкими потерями, или ламинаты с разнесенным стекловолокном для минимизации эффектов волоконной текстуры на высоких частотах.

На стороне моделирования инструмент для постпроектировочного моделирования перекрестных помех, использующий модели IBIS для ваших компонентов, может помочь вам оценить целостность сигнала в ваших каналах DDR5. Перекрестные помехи могут быть использованы для определения, является ли расстояние между линиями подходящим с учетом стека и расстояния до опорной точки для сигнальных линий. Тот же инструмент моделирования может быть использован для анализа отражений, что важно в топологии с множественным подключением, доминируемой отражениями, которая встречается в DDR5, хотя это в меньшей степени зависит от моделей IBIS и в большей степени от моделирования сигнала, вводимого в канал, что может быть выполнено численно в подходящем симуляторе.

GDDR5 для GPU

Мощные инструменты проектирования и трассировки печатных плат в Altium Designer^® предназначены для приложений, таких как каналы SerDes, проектирование печатных плат DDR5 и другие передовые области. Altium Designer включает в себя мощный менеджер стека с решателем поля для контроля импеданса на вашей плате во время трассировки, и вы получите доступ к инструментам постпроектировочного моделирования, которые помогут вам выявить проблемы с целостностью сигнала на вашей плате.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для разработки макетов, моделирования и планирования производства. Обратитесь к эксперту Altium сегодня, чтобы узнать больше о рекомендациях по размещению и трассировке печатных плат DDR5.

Начните путь к переходу на Altium Designer уже сегодня.