使用多通道體系結構優(yōu)化LPDDR4的性能和功耗

tRC定時(shí)會(huì )導致很多問(wèn)題，尤其是在更快的器件中更是如此。在LPDDR4的最高速度下，tRC時(shí)間超過(guò)100時(shí)鐘周期。當在LPDDR4的最高速度下工作時(shí)，觸發(fā)Bank中的某一行后，至少在100時(shí)鐘周期內，tRC會(huì )阻止訪(fǎng)問(wèn)該Bank中的其他行，這樣，就會(huì )在相當長(cháng)的時(shí)間內禁止再次使用該Bank。如果具有更多的可用Bank，會(huì )降低訪(fǎng)問(wèn)因tRC時(shí)間而鎖定的Bank中新行的訪(fǎng)問(wèn)概率。

tRRD和tFAW會(huì )限制頻繁更換存儲體Bank的能力，設計團隊可能希望這樣做，以避開(kāi)tRC定時(shí)參數。

圖12顯示了1個(gè)器件示例，它具有4個(gè)激活窗口tFAW，具有4倍的行行延遲tRRD。在LPDDR4-3200中，tRRD時(shí)間可達16個(gè)時(shí)鐘周期。

圖12：tFAW和tRRD時(shí)序

在圖13中，顯示了在并行實(shí)施方案下執行的連續傳輸序列。符號AC/BA0是Bank0觸發(fā)命令的代稱(chēng)。與其相鄰的命令RD/BA4指的是對Bank4的讀取命令(假定Bank4已在較早時(shí)間觸發(fā))。每一命令標記代表4時(shí)鐘周期，原因在于LPDDR4器件的4相尋址特性。在實(shí)際應用中，該序列會(huì )需要延長(cháng)，這是因為在激活(Active)之后會(huì )接著(zhù)讀取、激活、讀取、激活、讀取、激活、讀取。數據返回，完全占用DQ總線(xiàn)，總線(xiàn)處于滿(mǎn)狀態(tài)。并行訪(fǎng)問(wèn)模式會(huì )利用100%的內存帶寬，但僅在800MHZ(DDR1600)下訪(fǎng)問(wèn)器件時(shí)才能實(shí)現該點(diǎn)。

圖13：在BL16和800MHz/DDR1600上使用至旋轉地址的連續64字節讀取的并行實(shí)施

圖14中顯示了一種雙通道實(shí)施，其中執行了相同的序列，獨立使用每一命令地址通道。每一命令地址總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)模式略有差異：激活、讀取、無(wú)操作、讀取、激活、讀取、無(wú)操作、讀取。命令通道中的空隙可用于其他方面，如設定的預充或按bank刷新，或簡(jiǎn)單地留作空閑時(shí)鐘周期。圖中數據總線(xiàn)已被完全占用。

圖14：在BL16和800MHz/DDR1600上使用至循環(huán)地址的連續64字節讀取、獨立使用命令地址的雙通道實(shí)施

將頻率加倍至1600 MHz(DDR 3200操作)(圖15)時(shí)，tRRD時(shí)間會(huì )限制SOC的能力，允許在并行實(shí)施的上方示例中發(fā)送激活命令至LPDDR4器件。序列為：激活、讀取、無(wú)操作、無(wú)操作、激活、讀取、無(wú)操作、無(wú)操作。無(wú)操作周期可用于預充或刷新，但內存的激活速度不足以就每一傳輸向新rank發(fā)送連續的64-bank傳輸。

圖15：頻率加倍至1600MHZ/DDR3200

當沒(méi)有發(fā)向同一內存頁(yè)的另一64字節傳輸時(shí)，SOC必須等待，直至tRRD期滿(mǎn)并能再次在內存中觸發(fā)新頁(yè)為止。如果傳輸的時(shí)間不足以在移動(dòng)至新bank之前對每一bank進(jìn)行兩次讀取，該工作模式會(huì )將器件的最大性能限制在50%帶寬下。

與之相比，對于圖15下方的雙通道實(shí)施，由于“激活、讀取、無(wú)操作、讀取”模式，允許每一通道滿(mǎn)足tRRD的要求。即使在DDR 3200數據率下，總線(xiàn)帶寬也能工作在滿(mǎn)負荷下。

找出最小的塊提取大小

塊提取大小指的是可在一個(gè)DRAM事務(wù)(一次突發(fā)傳輸)中傳輸的最小字節數。由于LPDDR4的最小突發(fā)長(cháng)度為16，采用LPDDR4的并行連接可能使SoC具有不優(yōu)化的塊提取大小。

最佳方式是使提取大小與SOC匹配，不僅體現在通過(guò)總線(xiàn)傳輸的傳輸大小方面，也體現在器件的總帶寬方面。

對于很多SOC和CPU的緩存線(xiàn)，首選塊取大小是32字節。在偶爾情況下，一些較大的64位CPU使用64字節緩沖線(xiàn)。視頻和網(wǎng)絡(luò )傳輸通常需要32字節或更小的短字節傳輸。在理想情況下，多通道體系結構應與系統的提取大小匹配，以便將系統優(yōu)化至系統所能使用的提取大小。

在圖16顯示的并行實(shí)施方案中，LPPDDR4最小突發(fā)長(cháng)度為16，有64個(gè)的并行DQ引腳，塊提取大小為128字節，它實(shí)際上僅適合于至連續地址的長(cháng)數據傳輸。對于每次以128字節為單位的訪(fǎng)問(wèn)，并行實(shí)施方案能夠工作，然而，如果數據訪(fǎng)問(wèn)小于128字節且需訪(fǎng)問(wèn)隨機地址，那么并行實(shí)施方案的效率不高。

圖16：并行實(shí)施

對于64位并行實(shí)施方案，另一問(wèn)題是SOC和DRAM裸片之間的物理連接。LPDDR4 PoP封裝的管腳分配是每一角一個(gè)通道，使得封裝包上有4個(gè)通道以容納2或4個(gè)裸片。每一通道位于器件的每一角。在理想情況下，SOC內存控制器和PHY布局應與LPDDR4的管腳分配匹配。采用該布局，允許將通道A映射到通道A，通道B映射到通道B，C到C，D到D，使得LPDDR4 PoP封裝內的路徑盡可能短，無(wú)交叉。該封裝布局還有助于并行4通道LPDDR4接口的物理實(shí)現。

用戶(hù)還應注意傳輸是否訪(fǎng)問(wèn)內存中的不同頁(yè)，tRRD可能會(huì )限制較高頻率下的有效帶寬，如同前述部分中介紹的那樣。

正是由于這些原因，與4通道實(shí)施相比，設計者更傾向于選擇LPDDR4的多通道實(shí)施。

命令/地址總線(xiàn)

LPDDR4具有很窄的命令/地址總線(xiàn)(每通道僅6位寬，DDR4為20位或以上)，因此，使用多個(gè)命令/地址通道的開(kāi)銷(xiāo)低于使用其他DDR類(lèi)型的開(kāi)銷(xiāo)。在LPDDR4封裝包上獨立使用所有4個(gè)命令/地址總線(xiàn)，能夠提供最大的靈活性，可能還會(huì )為整個(gè)系統提供最高性能。

LPDDR4 PoP的SOC分割

有多種適用于LPDDR4的SOC分割方式。圖17顯示了最簡(jiǎn)單的一種方式。這是一種同構CPU體系結構，它具有4個(gè)CPU和4個(gè)通道。每一CPU具有自己的方式以訪(fǎng)問(wèn)自己的獨立通道。該體系結構具有下述優(yōu)點(diǎn)：CPU不會(huì )彼此屏蔽，SOC總線(xiàn)更短?？申P(guān)閉未使用通道以便節省功耗。

圖17：LPDDR4.PoP的最簡(jiǎn)單SOC分割

然而，該體系結構不夠靈活。如果通道A需使用通道C中的一些數據，它無(wú)法將內存當作郵箱使用。必須通過(guò)SOC以某種方式傳輸數據。這還會(huì )使得CPU更難于執行與負載平衡相關(guān)的共享任務(wù)。

另一方法是使每一CPU共享每一內存(圖18)。這樣就能實(shí)現更加靈活的分割。對于異構處理，它的工作表現更好，CPU能夠對共享數據進(jìn)行處理，但需要更多和更長(cháng)的片上布線(xiàn)資源，這可能需要用到復雜的片上互聯(lián)系統。這樣就能更準確地反映實(shí)際芯片的工作方式，尤其是對具有不同CPU、GPU和其他處理單元的異構體系結構而言。

圖18：共享通道，所有CPU共享所有內存

邏輯至物理地址映射

多通道體系結構提供了多種控制邏輯至物理地址映射的選擇?？紤]如圖19所示的雙通道體系結構。存在多種控制邏輯至物理地址映射的方式。最簡(jiǎn)單的方式是，雙通道存儲器映射到不同的SoC地址空間(圖19)。

圖19：使用分區內存映射的邏輯至物理地址映射

例如，通道A可能會(huì )存放操作系統，并保持始終在線(xiàn)、始終連通的功能。通道B可能包含應用數據，視頻緩沖和類(lèi)似數據。這兩個(gè)不同的地址空間獨立且分離。這有助于功耗控制，原因在于，通道B可在不使用時(shí)關(guān)閉。

另一方式是，采用較小的連續邏輯地址區訪(fǎng)問(wèn)內存的不同通道(圖20)，對內存映射進(jìn)行交織處理。例如，通道A為字節0~63，通道B為字節64~127，以此類(lèi)推，直至遍及整個(gè)內存空間。在整個(gè)內存上對邏輯空間進(jìn)行交錯處理。該方法有助于在2個(gè)不同通道上實(shí)現負載平衡，可實(shí)現良好性能。然而，由于始終需要兩個(gè)通道，無(wú)法關(guān)閉任一通道以降低功耗。

圖20：交錯式內存映射

更進(jìn)一步的實(shí)施方案是使用混合內存映射(圖21)，其中，每一通道中的不同區可提供交織式訪(fǎng)問(wèn)或非交織訪(fǎng)問(wèn)。該混合方法可能包含一個(gè)始終在線(xiàn)、始終連接的內存區，以便獲得最高性能而在2個(gè)通道之間交織的內存區，以及用于程序存儲的高地址內存區，這類(lèi)程序與高帶寬相關(guān)。

圖21：混合內存映射

針對高性能、低功耗移動(dòng)SOC的Synopsys LPDDR4 IP解決方案

Synopsys完整的LPDDR4 IP解決方案包括1個(gè)內嵌I/O的LPDDR4 multiPHY，增強型通用DDR內存控制器(uMCTL2)和協(xié)議控制器(uPCTL2)，驗證IP，建模工具，以及IP硬化和信號完整性分析服務(wù)。IP完全支持LPDDR4標準，并可靈活配置，以發(fā)揮上文所述的多通道體系結構的優(yōu)點(diǎn)。

Synopsys DDR內存控制器包含uMCTL2內存控制器，它提供了與SOC的多端口或單端口連接?？捎每偩€(xiàn)包括1~16端口的AXI3、AXI4或AHB。對于需要在內存控制器之外做內存傳輸調度的系統，我們提供了單端口協(xié)議控制器uPCTL2。

uMCTL2具有低延遲、高帶寬和強大的QOS特性，包括QOS驅動(dòng)的仲裁和高性能內存調度算法。內存控制中的低功耗功能具有自動(dòng)的特點(diǎn)，允許設計團隊將重心放在系統設計方面。他能夠支持包括DDR2、DDR3、DDR4、LPDDR2、LPDDR3和LPDDR4等多種內存標準。對于車(chē)載應用和其他高可靠性系統，IP提供了多種可靠性、可用性、可服務(wù)性(RAS)特性。

面向LPDDR4的uMCTL2內存控制器提供了一種基于CAM的調度架構，尤其針對2667-4266的數據率進(jìn)行了優(yōu)化，并支持多種地址映射機制，為不同使用模式和多內存類(lèi)型的系統提供了高度靈活性。它具有自動(dòng)斷電功能，自刷新功能以及快速頻率轉換功能，支持自動(dòng)溫度監測和刷新率調節。

結論

LPDDR4多通道規范為新穎的系統設計提供了新的機會(huì )，尤其是多通道體系結構可以改善系統性能。設計團隊需要綜合考慮性能、功耗和設計復雜度來(lái)部署實(shí)施LPDDR4架構。