過(guò)孔STUB長(cháng)，DDR信號“強”？

作者：一博科技高速先生  姜杰

Layout組有個(gè)雷工，大家叫他老雷，盡管畫(huà)板多年閱板無(wú)數，但還是被SI同事給出的DDR4信號優(yōu)化建議整懵圈了；SI組也有個(gè)雷工，大家叫他小雷，盡管初出茅廬時(shí)默默無(wú)聞，但是在他優(yōu)化的這版一驅九DDR4穩定運行在3200Mbps后，他將被尊稱(chēng)為豹哥。

一驅九DDR4設計一直是行業(yè)公認的難點(diǎn)，尤其是板載顆粒的方案，當然，具體難度也因板而異。不幸的是，兩位雷工這次遇到的是個(gè)硬骨頭，不光是板載顆粒設計，還是個(gè)改板，之所以改板，原因很簡(jiǎn)單，之前的板子DDR4數據信號沒(méi)有達到3200Mbps的預期速率。 客戶(hù)反饋前一版本已經(jīng)可以跑到2933Mbps， 改板的需求也很簡(jiǎn)單，就是能穩定運行到3200Mbps，畢竟，上一版離目標速率也就差那么一點(diǎn)點(diǎn)。
 

與客戶(hù)的樂(lè )觀(guān)不同，小雷覺(jué)得事情可能不像預期的那么容易?？梢耘袛嗟氖?，上一版是裕量不足導致的marginal fail，問(wèn)題是，從2933Mbps到3200Mbps，這點(diǎn)看似不起眼的裕量去哪找？

熟悉高速先生文章的朋友一定還記得，一驅多DDRX，難點(diǎn)往往不在速率較高的數據信號，而在于速率只有數據信號一半的地址控制類(lèi)信號，原因這里再解釋哈：數據信號一般都是點(diǎn)到點(diǎn)的拓撲，而且大多有片上端接（ODT），走線(xiàn)拓撲簡(jiǎn)單，又有端接，信號想跑不起來(lái)都難；地址控制類(lèi)信號的處境就難多了，難就難在一驅多的走線(xiàn)拓撲對信號的影響太大，即便速率相比數據信號減半。


小雷也深知這一點(diǎn)，所以上一版數據信號跑不到3200Mbps，大概率是因為DDR4的地址控制類(lèi)信號達不到1600Mbps，于是查板從此類(lèi)信號入手，上一版的走線(xiàn)拓撲為Clamshell，看不懂單詞沒(méi)關(guān)系，畫(huà)出來(lái)你就秒懂了：


對于空間受限的單板而言，一驅九DDR4選擇這個(gè)拓撲也算合理。Clamshell拓撲可以認為是Flyby拓撲和T拓撲的組合，所以既有Flyby拓撲的特點(diǎn)，也就是近端顆粒的信號質(zhì)量特別差；也有T拓撲的特點(diǎn)，近端的DRAM1和DRAM2一樣差。小雷的仿真結果也驗證了這一點(diǎn)，上一版近端顆粒的眼圖（地址信號速率1600Mbps）確實(shí)在Pass和Fail的邊緣瘋狂試探，無(wú)怪乎壓力測試速率總是差那么一點(diǎn)點(diǎn)。


令人沮喪的是，無(wú)論小雷如何調整Clamshell拓撲參數，近端顆粒的信號質(zhì)量始終不見(jiàn)改善，看來(lái)前一版的設計也是下過(guò)功夫的。關(guān)鍵時(shí)刻，客戶(hù)提供了另外一個(gè)信息：同樣的主控芯片，在板載顆粒方案之前，有過(guò)DIMM條成功的案例，當時(shí)的DIMM條上的DDR顆粒采用Flyby拓撲，設計如下：


苦無(wú)良方的小雷決定照葫蘆畫(huà)瓢，讓老雷把板載顆粒也改為Flyby拓撲試試，不過(guò)，由于單板空間不像DIMM條充足，板載DDR芯片需要雙面布局，調整后的地址信號拓撲如下：

老雷不愧設計老炮兒，三下五除二把板子改了出來(lái)，除了因空間受限與DIMM條的布局無(wú)法做到一樣，DDR信號的各段走線(xiàn)長(cháng)度、阻抗控制都與DIMM條保持一致，還很貼心了調整了信號走線(xiàn)層，讓過(guò)孔stub盡量短。

小雷查板之后相當滿(mǎn)意，老雷得到認可后也很得意，甚至自信滿(mǎn)滿(mǎn)的與客戶(hù)確定了投板日期，萬(wàn)事俱備，只欠仿真驗證了。
 
調整為Flyby拓撲的板載顆粒方案仿真結果居然又翻車(chē)了，近端顆粒信號質(zhì)量略有改善，但是仍沒(méi)達到預期效果：


小雷迷茫了，目前的仿真結果顯然無(wú)法支持數據信號穩定運行到3200Mbps。拓撲、走線(xiàn)、阻抗都控制的和DIMM一毛一樣，為啥結果還差著(zhù)一截？ 


一定是漏了什么？小雷對著(zhù)DIMM條和板載設計的Flyby一點(diǎn)點(diǎn)的排查，功夫不負有心人，經(jīng)過(guò)一整天的對比驗證，終于發(fā)現了關(guān)鍵影響因素。最后給出的優(yōu)化方案讓老雷驚掉了下巴：調整主控芯片與近端顆粒之間走線(xiàn)的層面，控制過(guò)孔stub越長(cháng)越好。


“都知道SI同事的套路深，沒(méi)想到這么深。眾所周知過(guò)孔stub越短越好，小雷為何這次卻不走尋常路，偏偏要加長(cháng)？！”老雷將信將疑，還是耐著(zhù)性子按照小雷的要求調整走線(xiàn)層，過(guò)孔stub由調整前的35mil增加到94mil。不曾想，仿真結果再次顛覆了老雷的認知，近端顆粒的信號質(zhì)量竟然鬼使神差的好了起來(lái)：


老雷心中疑云密布： “為什么會(huì )這樣？難道以前的經(jīng)驗有錯？”

小雷仿佛看透了老雷的想法，于是解釋起來(lái)：“其實(shí)，一開(kāi)始自己也是百思不得其解，后來(lái)從stub的特點(diǎn)切入，才慢慢有了眉目：過(guò)孔stub本質(zhì)是一種能量泄放的通道，越是高頻的能量受到的影響越大，因此，高速串行信號需要控制過(guò)孔stub盡量短，以避免能量損耗。但是，本項目的特殊之處在于主控芯片的驅動(dòng)較強，加上一驅多拓撲的反射更容易在近端顆粒處積累，所以近端顆粒的信號質(zhì)量就成了通道的瓶頸，增加近端顆粒的過(guò)孔stub長(cháng)度能夠很好的衰減高頻分量，使主芯片輸出的強度減弱，上升沿變緩，最終達到減少反射的目的，相應的，信號質(zhì)量也得到了改善。不過(guò)，這也是一家之言，要深入理解這個(gè)現象還有待進(jìn)一步的研究?！?/p>

“這是不是說(shuō)所有DDRX的Flyby信號拓撲都要控制近端顆粒過(guò)孔stub盡量長(cháng)呢？”老雷繼續問(wèn)道。

小雷沉吟半晌：“不是，增加過(guò)孔stub這種非常規操作需要慎用，這個(gè)項目這么做也是因為有仿真的驗證。如果主控芯片的驅動(dòng)本身比較弱，這時(shí)再增加過(guò)孔stub可能就適得其反了?！?/p>

老雷秒懂了：“所以，It depends！實(shí)在拿不準的還是要仿真?！?/span>

兩人會(huì )心一笑，順利投板。兩個(gè)月以后，客戶(hù)反饋了改板調試成功的消息，給這個(gè)項目畫(huà)上了圓滿(mǎn)的句號。

問(wèn)題來(lái)了
大家接觸過(guò)的DDRX最多拖了幾個(gè)顆粒呢？地址信號采用什么拓撲？歡迎分享