關(guān)于數(shù)Gpbs高速存儲器接口設(shè)計的分析

游戲機、數(shù)字電視(DTV)和個人電腦等流行的消費類電子產(chǎn)品的功能越來越多，性能也越來越高。這些產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理能力的增強使它們的DRAM存儲器接口功能與產(chǎn)品本身的功能緊密聯(lián)系在一起，以支持更多功能和更高性能。數(shù)據(jù)速率達(dá)數(shù)Gbps的存儲器接口架構(gòu)可以幫助這些產(chǎn)品實現(xiàn)所需的功能和性能，但是存儲器接口設(shè)計必須克服艱巨的挑戰(zhàn)才能達(dá)到想要的產(chǎn)品性能和質(zhì)量。

更新一代的DDR3DRAM和XDR DRAM物理層接口(PHY)具有一些特殊的性能，完全可以克服數(shù)Gbps存儲器接口架構(gòu)帶來的挑戰(zhàn)。但是，DDR3 SDRAM和XDR DRAM各自不同的特性使得它們適合不同的應(yīng)用場合。例如，在DTV應(yīng)用中，XDR DRAM比DDR3 SDRAM更具有成本和某些設(shè)計優(yōu)勢，但DDR3 SDRAM非常適合要求存儲容量高、單位比特成本最低的設(shè)計。就像前代產(chǎn)品DDR2 SDRAM那樣，DDR3 SDRAM也是大批量普及型存儲器，能以盡可能最低的單位比特成本提供系統(tǒng)設(shè)計工程師要求的最大容量。

當(dāng)然，如果以最低單位比特成本提供大容量并不是主要的設(shè)計指標(biāo)，那么XDR DRAM可能是個更好的選擇，特別是對DTV和HDTV等消費電子產(chǎn)品而言。這些特殊設(shè)計要求高帶寬和小的存取粒度(access granularity)，但不需要很大的容量。例如，典型的DTV設(shè)備要求帶寬為6.4GBps，這個要求可以通過2個512Mx8b XDR DRAM器件(提供128MB容量和合適的16B存取粒度)或4個1Gx8b DDR3 SDRAM器件(提供512MB容量和32 B存取粒度)來實現(xiàn)。在這種系統(tǒng)中，XDR解決方案可以比DDR3更好地匹配系統(tǒng)的帶寬、容量和存取粒度需求。XDR DRAM實際上在總體系統(tǒng)成本方面也更便宜，包括元件數(shù)量、電路板復(fù)雜度和設(shè)計時間等。

苛刻的物理效應(yīng)

在開發(fā)數(shù)Gbps接口架構(gòu)時，設(shè)計必須能夠克服一些物理效應(yīng)。這些物理效應(yīng)會影響信號時序并減小電壓余量，從而限制系統(tǒng)的性能。經(jīng)驗豐富的系統(tǒng)設(shè)計工程師對這些物理效應(yīng)非常熟悉。在很多的新一代產(chǎn)品設(shè)計中，他們不斷面臨這些物理效應(yīng)的挑戰(zhàn)，最終都很好地解決了這些挑戰(zhàn)。但對于數(shù)Gbps接口設(shè)計來說，這些問題愈加嚴(yán)重，并提出了更高的挑戰(zhàn)性，因此它們迫切需要更新的解決方案。

舉例來說，數(shù)Gbps信號由于傳輸線的不連續(xù)會造成信號質(zhì)量惡化。在典型的存儲器通道中，這些不連續(xù)性表現(xiàn)在多個方面，從存儲控制器芯片的連接到封裝、從封裝連接到電路板，以及電路板級傳輸線上信號的不完整性。

存儲器通道傳輸線中的眾多阻抗不連續(xù)的地方會產(chǎn)生反射，高速I/O設(shè)計工程師將這些反射判斷為某種形式的信號干擾，或稱為碼間干擾(ISI)。這時的通道似乎還有剩余的存儲空間，因此前一個發(fā)送比特中的信息在發(fā)送結(jié)束時會反向影響下一個發(fā)送比特中的信息。將存儲器通道當(dāng)作傳輸線還面臨其它挑戰(zhàn)，比如50Ω終端電阻可以很好地匹配傳輸線阻抗，從而消除反射和由此導(dǎo)致的ISI，但是即使是最新的片上端接方法也不可能實現(xiàn)完美的阻抗匹配，因為傳輸線存在很多的不連續(xù)性。由于片上接收器存在寄生輸入電容，所以不可能實現(xiàn)理想的片上阻抗匹配。在更高頻率上，50Ω電阻將呈現(xiàn)非理想特性，這將進(jìn)一步導(dǎo)致反射和ISI。

阻抗不連續(xù)性和ISI效應(yīng)在低于兆比特每秒的傳輸速率時并不是主要問題，但在數(shù)Gbps速率下，625ps數(shù)據(jù)眼圖很常見。如果終端阻抗不匹配，或者通道中存在太多不連續(xù)性，或者寄生輸入電容太高，設(shè)計工程師希望發(fā)送的625ps數(shù)據(jù)眼圖在到達(dá)接收器時將變成300ps數(shù)據(jù)眼圖。

此外，電路板的電氣連線還具有其它寄生電容，這會帶來明顯的信號衰減。例如，信號在發(fā)送端可能有500mV信號幅度，但用于傳送該信號的電子系統(tǒng)就像一個低通濾波器。當(dāng)信號傳輸速度提高時，到達(dá)接收器的總能量將比發(fā)送時的能量降低很多，這樣最初的500mV可能變成200mV。

在高性能SERDES應(yīng)用中，常用來解決高頻衰減問題的通道均衡技術(shù)可能不適合DRAM系統(tǒng)，因為這種系統(tǒng)的I/O電路必須針對延時、功率和成本進(jìn)行優(yōu)化。

串?dāng)_是引起信號劣化的另一個主要原因，它與兩個相鄰信號走線間的容性、感性或電導(dǎo)性耦合有關(guān)。事實上，串?dāng)_是單端信號系統(tǒng)(如DDR3或更高速的GDDR3)中限制速度的主要原因。由于XDR DRAM使用差分信號(與高性能SERDES系統(tǒng)非常相似)，因此與DDR3 DRAM相比，它們對串?dāng)_的免疫能力強幾個數(shù)量級。

因此，單端信號系統(tǒng)必須采取板級信號隔離技術(shù)來解決串?dāng)_問題。隨著數(shù)據(jù)速率的提高，設(shè)計工程師必須增加電氣通道的間距才能避免串?dāng)_效應(yīng)。換句話說，設(shè)計工程師必須在發(fā)送器和接收器之間以及控制器和DRAM之間開發(fā)一個更昂貴的傳輸線系統(tǒng)，才能滿足數(shù)Gbps數(shù)據(jù)速率的單端信號系統(tǒng)的要求。

差分信令在存儲器-控制器封裝成本方面也具有成本優(yōu)勢。例如，帶200個存儲器I/O的存儲-控制器ASIC封裝采用金線綁定封裝技術(shù)比倒裝技術(shù)更便宜。這種成本優(yōu)勢在DTV等成本敏感消費設(shè)備中具有重要意義。但是，由于串?dāng)_和電源噪聲問題，數(shù)Gbps的單端信號系統(tǒng)很難在綁定封裝中以數(shù) Gbps的接口速率全速工作，通常它需要一個更昂貴的倒裝封裝存儲控制器。此外，非常寬的單端信號總線容易產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，因此采用單端信號的消費類電子設(shè)備要想達(dá)到相同的EMI屏蔽等級，要比差分信號設(shè)備付出更高代價。

除了考慮傳輸線不連續(xù)性引起的物理效應(yīng)以及差分信號的優(yōu)勢外，存儲器系統(tǒng)設(shè)計還要考慮其它數(shù)Gbps接口設(shè)計問題，包括走線長度匹配、偏移管理和高速時鐘分配。

走線長度匹配、偏移和高速時鐘分配

走線長度匹配在低速接口設(shè)計中可以輕易忽略掉，但對數(shù)Gbps接口來說，走線長度不能忽略。一個信號在典型主板上傳輸一英寸距離需要大約 100ps。例如信號沿著典型的存儲器通道傳輸?shù)臅r間可能需要500ps。在數(shù)Gbps系統(tǒng)中，500ps與整個數(shù)據(jù)眼圖的寬度一樣大。

當(dāng)電氣互連的信號傳輸時間與數(shù)據(jù)眼圖寬度相當(dāng)，且只有一個芯片到芯片信號時，不會出現(xiàn)其它新問題。但如果是總線信號，比如16、32或64條走線，并且所有信號都工作在數(shù)Gbps數(shù)據(jù)速率時，則是另外一回事。

就高速時鐘分配而言，存儲器系統(tǒng)與采用先進(jìn)的時鐘/數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)技術(shù)的SERDES或電信設(shè)計存在本質(zhì)區(qū)別。在存儲器系統(tǒng)中，傳輸通?？梢员徽J(rèn)為是“源同步”的。比如，存儲控制器都有一個到DRAM的數(shù)據(jù)接口和到DRAM的時鐘參考接口(通常是命令總線的一部分)，因此DRAM的時鐘信號與存儲控制器用來同步其數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r鐘有直接關(guān)系。[!--empirenews.page--]

對于源同步傳輸方式，主要的時鐘問題是相位而不是頻率。不像SERDES或數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中通道兩側(cè)的時鐘參考源都有頻率偏移，存儲器系統(tǒng)中的發(fā)送器和接收器共享唯一的頻率參考源，僅有相位不同。這樣的系統(tǒng)一般被稱為meso-synchrONous或者mesochronous。雖然它們共享一個頻率參考，但發(fā)送器和接收器電路必須以某種方式補償隨機相位偏移。

在XDR DRAM系統(tǒng)中，存儲控制器中的FlexPhase電路可以解決走線長度匹配和均步時鐘問題。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送到DRAM時(寫操作)，該電路可以智能地預(yù)測偏移數(shù)據(jù);在從DRAM接收數(shù)據(jù)時(讀操作)，該電路可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行去偏移。此外，還采用先進(jìn)的校準(zhǔn)技術(shù)來自動優(yōu)化去偏移和預(yù)偏移值。

在DDR3存儲器系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)接口使用選通組(DDR特有的信號組)處理走線長度匹配和時鐘問題。數(shù)據(jù)選通或DQS被定義為時序參考信號，伴隨數(shù)據(jù)從DRAM發(fā)送到控制器(讀操作)或從控制器發(fā)送到DRAM(寫操作)。