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揭秘DDR5的讀寫分離技術奧秘

高頻高速研究中心 ? 來源:高頻高速研究中心 ? 2024-11-14 11:12 ? 次閱讀

在系統級仿真中,與DDR4-3200 相比,更高數據速率下的 DDR5 的有效帶寬幾乎是其兩倍。這種改進是通過提高數據速率和增強架構來實現的。DDR5 包含從 3200 MT/s 到 8800 MT/s 的數據速率。一個值得注意的特性是在DQ接收器中集成了一個多抽頭判決反饋均衡器,可在更高的數據速率下抵消碼間干擾(ISI)效應。這些發展旨在滿足下一代 CPU 對每個內核帶寬日益增長的要求。

測試要求也同樣發生了變化,以確保滿足電氣和時序裕量。

DDR5電氣和時序規格會根據信號是讀取還是寫入數據而變化。這意味著,例如,斜率或電壓電平取決于信號的方向和來源。寫入數據從內存控制器發送(紅色),數據從內存讀取(藍色)。寫測試包括“寫入前導碼時序”和“輸入差分斜率”。讀測試包括“讀取高輸出電平和低輸出電平”。DDR5的讀寫數據雙向傳輸意味著測試時必須包括讀寫分離步驟,以分析雙向信號的單個數據。

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讀寫分離一直是 DDR 總線測試的難點。由于 DDR 總線一直采用讀寫數據共享數據總線,而 JEDEC 規范針對讀寫操作制定了不同的指標,因此如果需要對被測器件和設備進行準確測試就必須分別對讀和寫進行分開測試。一種方法是 Memory Controller 可以編程只進行讀或寫操作以分別進行測試,這種方法不易實現。另外一種方法就是在示波器上根據讀和寫信號的特點設置恰當的觸發進行分離。

在主板上電的正常操作期間捕獲信號后查看信號可能并不容易。如我們主要關注的CLK/DQS/DQ/CA4信號,沒有任何后處理,很難判斷讀取和寫入數據何時處于活動狀態。

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相位關系

對于DDR4及更早版本,讀取和寫入數據遵循可預測的模式,使測試設備能夠輕松檢測分離:數據相對于寫入選通DQS的中心對齊,讀取時邊緣對齊。

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上圖顯示了中心對齊的 DDR4 寫入數據和選通信號示例:大部分時序和偏斜對齊的負擔都落在內存控制器上,因此寫入數據以最小的偏斜到達 DRAM 接收器(中心對齊),使數據鎖存更容易。

在過往DDR3和DDR4總線上,主要采用DQS前導位或者DQS和DQ的相位差進行分離。

在DDR5總線上,DQS和DQ在讀寫操作時沒有相位差,DQS的讀寫操作的前導碼也是相同的。

因此在DDR5總線上的讀寫分離是一個難點。

對于DDR5,除了寫入之外,這些規則幾乎相同。為了降低功耗(DQS 時鐘門控)并簡化寫入訓練,DDR5對DRAM輸入使用無與倫比的路徑。但是,還有其他方法可用于讀取和寫入信令。

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上圖顯示了寫入數據和選通信號之間可能的可變延遲。

振幅差異

盡管DDR5使用復雜的協議來存儲和檢索數據,但更高的數據速率為實現讀寫分離提供了一個有趣的途徑。較高的頻率相關損耗和信號衰減導致讀寫之間的幅度差異更明顯。由于內存流量是盡可能靠近DRAM捕獲的,無論是直接捕獲還是使用interposer,因此讀取數據的幅度預計會更高。了解這些差異可以簡化分離識別過程。一些 DDR5 合規性工具提供此功能,甚至可以使用機器學習算法來更好地區分全擺幅突發和“峰值”邊緣。

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命令/地址解碼(CA4)

由于DRAM接收讀取和寫入事務的命令和地址信息,因此很自然地認為測試設備也可以解碼命令以更好地識別分離。這是理想的方案,適用于某些配置。完整命令總線解碼選項的替代方法是對 CA 總線進行部分解碼,并僅關注確定給定命令的突發類型的 CA 位。對于 DDR5,這是 CA4。

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在JEDEC協議中,很容易就能找到CA4的特別之處,可以看到,寫數據時,CA4呈現的特征是低電平;讀數據時,CA4呈現的特征是高電平。

那是不是我只要找到持續的CA4的低電平信號,此時對應的數據就是寫信號呢?

你想多了!

DDR5的一致性測試軟件提供了CA4 lantency分離方法,同樣還有DQS、DQ的Phase分離方法,通過檢測信號的閾值電平來作為一大判斷依據。

閾值或參考電平用于確定突發開始和結束時以及 DQ 和 DQS 信號之間的有效轉換。下面顯示了讀信號,然后是電氣空閑狀態,然后是寫信號。

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再來看看CA4分離

第 1 步:通過使用屏幕上的標記或光標來測量延遲以及前導和后導轉換電壓,從而確定時序和基準電平。在下圖中,CA4在有效寫數據(綠色)開始時的延遲(紅色)。

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第二步,輸入相關的數值,很關鍵。

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Preamble參考協議中的要求

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第 3 步:選擇并運行測試。

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看這個步驟是不是覺得很簡單,包括開篇的視頻也介紹了如何找read和write lantency,理論上是應該行云流水的等著APP跑出結果就行了。

然而,理論就是理論,無論你是用phase分離還是用CA4 lantency分離,都是在考慮你的耐心,這個問題找了原廠FAE現場,找了付費的技術支持遠程連線,折騰了兩個月也沒說出個1234,分離的成功率確實是太低,就算能分,也要跑小時以上。

算了,還是推薦最原始的分離方法,1分鐘即可分離。

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將上述波形展開,讀寫信號都混在一起。

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右鍵→Zones→AND Must Not Intersect

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同樣的方法,劃第二個框

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DQS分離成功

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DQS分離成功后再看DQ眼圖也就眉清目秀了。

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總而言之,讀寫分離采用InfiniiScan要遠比APP要高效簡單。

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原文標題:DDR5:揭秘讀寫分離技術的奧秘

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