2020年7月，DDR 5新標(biāo)準(zhǔn)誕生，令人興奮的DDR5技術(shù)保證了更高的數(shù)據(jù)速率和更低的功耗。這是接口設(shè)計(jì)人員熟悉的承諾。但是，就像生活中的大多數(shù)事情一樣，沒有免費(fèi)的午餐。降低功耗和提高速度的進(jìn)步伴隨著設(shè)計(jì)復(fù)雜性的增加。 DDR5與前幾代產(chǎn)品之間最顯著的區(qū)別是判決反饋均衡的引入，這是串行鏈路系統(tǒng)中用于改善接收信號(hào)完整性的一項(xiàng)技術(shù)。

 

隨著新技術(shù)的發(fā)展，本文將研究DDR5上下文中的一些基本信號(hào)完整性概念。第一部分介紹了眼圖：確定信號(hào)完整性的指標(biāo)。第二部分通過(guò)檢查單脈沖響應(yīng)來(lái)描述信號(hào)完整性問題的根本原因。第三部分規(guī)定了信號(hào)完整性發(fā)生問題時(shí)的解決方案。

 

眼圖確定信號(hào)完整性

 

眼圖是評(píng)估通道信號(hào)完整性的主要指標(biāo)。它是通過(guò)對(duì)通道接收的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（PRBS）的適當(dāng)處理而創(chuàng)建的。為了在存儲(chǔ)器操作的“寫”周期的上下文中創(chuàng)建眼圖，控制器（發(fā)送器）通過(guò)通道發(fā)送PRBS到達(dá)存儲(chǔ)器模塊（接收器）。在存儲(chǔ)模塊上接收到的PRBS模式被劃分為具有相同時(shí)間間隔的段。然后將具有相同時(shí)間間隔的這些片段彼此堆疊以創(chuàng)建眼圖。

 

在圖1中，有兩個(gè)藍(lán)色的眼圖和紅色的眼圖模板。通過(guò)將通道輸出端的眼圖與模板進(jìn)行比較，可以確定通道的信號(hào)完整性。模板是接收閾值的圖形表達(dá)。模板顯示對(duì)于給定的誤碼率（BER），接收信號(hào)的可接受時(shí)序和幅度。

 

如圖1左側(cè)所示，眼睛是張開的。當(dāng)輸出眼圖和眼圖模板之間沒有重疊時(shí)，該通道具有良好的信號(hào)完整性。如果輸出眼圖與模板不重疊，則接收器可以根據(jù)接收到的模擬電壓電平和時(shí)序確定數(shù)字1或數(shù)字0。另一方面，如果存在違反模型的情況（如圖1右側(cè)所示），則眼睛會(huì)閉合，接收器無(wú)法區(qū)分?jǐn)?shù)字1或數(shù)字0。

眼圖為工程師提供了給定通道性能的指標(biāo)。當(dāng)接收器的眼睛合上時(shí)，需要其他分析技術(shù)來(lái)確定閉眼的根本原因。

 

DDR5中的頻率相關(guān)損耗和反射

 

DDR5標(biāo)準(zhǔn)中指定的主要問題是反射和與頻率有關(guān)的損耗[1]。圖2顯示了從控制器到存儲(chǔ)模塊的DQ線的單脈沖響應(yīng)。單脈沖響應(yīng)是從控制器發(fā)送單脈沖（數(shù)字脈沖）時(shí)在存儲(chǔ)模塊上接收到的波形。

 

在圖2中，紅色虛線是通道中沒有反射或與頻率相關(guān)的損耗的理想情況。以藍(lán)色表示，隨著理想脈沖的擴(kuò)展，觀察到通道的頻率相關(guān)損耗。通道中的反射會(huì)在稍后出現(xiàn)。由于單個(gè)脈沖的擴(kuò)散和反射會(huì)干擾其他脈沖，因此人們常將其稱為符號(hào)間干擾（ISI）。

 

 

由頻率相關(guān)損耗引起的ISI在串行鏈路通道中很常見，而由阻抗不連續(xù)性引起的反射問題則是DDR特有的。

 

DDR5中的決策反饋均衡

 

如果信號(hào)完整性問題的根本原因是與頻率有關(guān)的損耗，那么最直接的解決方案是減少通道的長(zhǎng)度或在制造過(guò)程中使用低損耗的材料。為了使反射量最小，走線應(yīng)設(shè)計(jì)為可控阻抗。如果通過(guò)適當(dāng)?shù)耐ǖ篱L(zhǎng)度，制造材料和阻抗控制使眼圖保持閉合，則接收器處的均衡可以幫助進(jìn)一步改善/張開接收器中的眼圖。

 

在DDR5中，指定了四抽頭決策反饋均衡（DFE）來(lái)減輕損耗和反射，而不放大噪聲。每個(gè)抽頭代表一個(gè)單位間隔，四抽頭DFE在當(dāng)前接收的比特之后最多校正四個(gè)單位間隔。顧名思義，決策反饋均衡算法對(duì)每個(gè)接收到的比特做出決策，并將比特的修改反饋給接收器。

 

在DFE算法中，接收到的模擬波形首先到達(dá)符號(hào)檢測(cè)器。符號(hào)檢測(cè)器確定接收到的模擬波形代表數(shù)字1還是數(shù)字0。如果檢測(cè)到的符號(hào)是數(shù)字符號(hào)，則模擬波形的縮放版本將是加入原始數(shù)字以強(qiáng)調(diào)下一個(gè)數(shù)字0。如果檢測(cè)到的符號(hào)是數(shù)字0，則將模擬波形的縮放版本添加到原始波形中，以強(qiáng)調(diào)下一個(gè)數(shù)字1。

 

圖3的左側(cè)顯示了幾乎閉合的眼圖。通過(guò)應(yīng)用DFE，幾乎可以閉眼。如圖3的右側(cè)所示，DFE算法成功地打開了幾乎閉合的眼睛圖。 DFE均衡眼圖的另一個(gè)獨(dú)特功能是睜眼前后的扭結(jié)。

 

 

隨著數(shù)據(jù)速率的提高，人們看到了串行鏈路和DDR之間的技術(shù)融合。在DDR5之前，無(wú)需進(jìn)行均衡即可使接收器處的像樣張開。隨著對(duì)更高速度和更低功耗的推動(dòng)，均衡已經(jīng)成為適當(dāng)睜眼的必要條件。

 

盡管在接收器處配備一個(gè)均衡器以改善眼圖是令人欣慰的，但仍然需要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)信道損耗和走線阻抗，以便均衡可以對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生最積極的影響。

 

為了更好地理解不同通道設(shè)計(jì)和均衡功能之間的平衡，使用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件作為虛擬原型環(huán)境驗(yàn)證也已成為必需。通過(guò)將虛擬樣機(jī)的結(jié)果和實(shí)際設(shè)計(jì)的測(cè)量結(jié)果相結(jié)合，可以形成一個(gè)強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工作流程，以應(yīng)對(duì)新的令人興奮的技術(shù)。
（來(lái)源：是德科技，作者：Tim Wang Lee）