基于国产处理器的双Rank内存设计与仿真优化

基于国产处理器的双Rank内存设计与仿真优化

吴帮强，张晓雄，杨希梅，陈明波

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都610041）

摘要：随着国产处理器的功能和性能的提升，越来越多的行业设备采用搭载国产处理器的计算机主板。在恶劣环境应用场景下，主板内存设计采用更可靠的板载颗粒的方案，而国产单片内存颗粒的最大容量有限，采用双Rank内存设计增大访问内存的容量。在这种情况下，尺寸较小的主板的器件布局和PCB布线都提出了更高的要求，高密度布线对DDR信号干扰更加明显。本文提出了一种基于国产处理器的板载双Rank内存设计与仿真优化的方法，通过对影响内存信号质量的关键因素的分析，实现对信号完整性的仿真分析和优化，从而在实现更大内存容量的同时，节省了PCB设计时间和开发成本，实现更可靠稳定的内存访问控制。

关键词：国产处理器；双Rank，内存设计，仿真优化

1概述

近年来，中美双边贸易摩擦日益加剧，对我国芯片行业的发展带来巨大影响。国内涌现出大量半导体设计和制造相关公司，研发的芯片包括中央处理器、桥片、内存、FPGA、DSP和电源芯片等。采用国产自主处理器和内存设计的主板越来越多，国产处理器的运行速度越来越快，对存储器的数据传输能力要求也越来越高，在有限电路板尺寸下高速电路的互连关系变得越来越复杂，PCB设计也越来越复杂。为了降低重新制版造成的产品交付进度风险和成本风险，解决板卡复杂信号完整性，设计过程增加了仿真要求，根据仿真结果对设计进行优化。

在设计的不同阶段通过仿真来指导优化设计，PCB设计初期做前仿（pre-simulation），PCB完成设计做后仿（post-simulation）。本文主要针对PCB前仿和后仿两个阶段，介绍了仿真的一些基础理论和PCB设计规则，对双Rank DDR的信号质量及时序进行仿真，提升高速设计的信号完整性。

2仿真分析

本例使用的仿真软件是Cadence SPB 16.6/Allegro Sigrity 2017，采用双Rank板载DDR颗粒设计，16片16bit颗粒，800M的数据信号速率。在设计双Rank DDR时，单端信号（ADDR/CMD/CTRL）的终端匹配电阻在40~60Ω之间，并且上拉到VTT，上拉电阻要根据不同阻值的SI仿真的结果来选择，国产处理器通常在20~40Ω之间，差分信号（CLK）的阻抗匹配电阻为100Ω。可以对印制板叠层、传输线和过孔的各项参数进行设计、仿真优化，达到降低信号的反射、过冲和串扰等问题。结合实际产品要求，与印制板厂商沟通制板要求，同时考虑性价比和加工周期，这就是前仿的过程。

后仿主要针对拓扑结构的信号反射的仿真，通过仿真确定信号的电路结构、走线阻抗、匹配阻容的大小以及各pin-pair的布线长度。同时，DDR采用了新的技术—ODT ( On-Die Termination )，即芯片内部匹配终结技术。所谓ODT，是在DRAM内部有终端电阻，DRAM是主动的状态的时候启动ODT，是待机状态的时候关闭ODT。根据这个，能降低信号的反射，提高信号质量，降低功耗。最适合的终端电阻器的验证就要通过拓扑仿真才能完成。

3仿真测试

3.1前仿真

针对DDR的数据和地址/命令信号，两个Rank的方式进行DDR设计，每个Rank包含4片DDR颗粒，每个控制器共连接了8片DDR颗粒，布线密度更大。两个Rank的方式不同于以往的DDR设计，因此对其信号质量进行前仿真。

3.1.1数据信号

数据信号（DQ/DM/DQS）为T型拓扑，不再是常规的点到点拓扑结构，T型拓扑结构相对来说布线等长会比较好设计。以数据信号DQ为例，拓扑结构如图 1所示。

图 1  2个Rank方式DQ信号拓扑结构

由于数据信号为双向信号，所以拓扑仿真要对读写两个方向进行仿真，即写方向3A3000到SM41J256与读方向SM41J256到3A3000。当驱动端内阻、传输线阻抗、ODT端接都是40欧姆时，没有反射影响。但当拓扑结构中的传输线阻抗、ODT端接电阻值等各不相同时，信号质量也会有所差异。不同驱动能力和ODT参数的情况下，读、写操作的眼图仿真结果如图 2、图 3所示。

图 2  写操作的眼图

图 3  读操作的眼图

从仿真结果的信号波形可以看出：写方向不同驱动能力和ODT端接的波形几乎没有差异；读方向不同驱动能力和ODT端接的波形有所差异。通过拓扑仿真得出结论：传输线的主干段阻抗选择40Ω，分支线的阻抗为60Ω，控制器及DDR的驱动能力、ODT参数按表 1所示参考配置。

表 1 控制器及DDR的参数

3.1.2地址/控制信号

由于采用了2个Rank的方式，ADDR信号基本上无法使用传统的Fly-by拓扑结构，而是使用Fly-by与T型相结合的拓扑结构，ADDR拓扑结构如图 4所示。该拓扑结构兼顾了良好的等长控制和较好的噪声处理，能更好地保证信号的完整性。

图 4  ADDR拓扑结构

图 5  阻抗及端接为40Ω的仿真结果

控制器的输出阻抗、传输线阻抗以及末端的端接匹配电阻均设置为40Ω时，仿真结果如图 5所示。离控制器越近的DDR信号质量越差，在实际电路中，考虑到电源噪声、串扰等因素影响时，信号质量会进一步恶化，因此必须对阻抗和端接电阻进行调整。当驱动为20Ω、分支阻抗为60Ω、端接27Ω时，眼图的眼高指标最好，此时的仿真结果如图 6所示，但此时距控制器最远的两片DDR颗粒信号的振铃X现象比较明显。保持分支阻抗为60Ω、端接27Ω，驱动能力设置为20Ω、30Ω、40Ω后的对比如图 7所示，驱动内阻越大振铃幅度越小。保持驱动能力为40Ω，分支阻抗为60Ω、端接设置为27Ω、33Ω、40Ω后，前两片DDR颗粒的对比如图 8所示，端接电阻越小信号质量越好。

图 6  驱动20Ω分支60Ω端接27Ω的仿真结果

图 7  不同驱动能力下最后两片DDR的仿真结果

图 8  不同端接电阻时前两片DDR的仿真结果

根据眼图仿真结果，并综合考虑功耗、EMC等因素，推荐传输线的主干段阻抗选择40Ω，分支线的阻抗为60Ω，控制器的驱动能力选择30Ω或40Ω，端接电阻选择27Ω。

3.2后仿真

当完成所有DDR信号的拓扑仿真，验证信号的电路结构满足DDR的信号完整性要求，就可以在PCB设计软件中为DDR信号设置约束。对于单独的信号需要设置信号的最小/最大传输延时，而对DDR系统中每一组Byte Lane中的各个信号需设置信号之间的相对传输延时。约束设置和完成布线之后，就要板级后仿真验证工作。板级后仿真主要是进行DDR信号完整性和时序关系的验证。首先，确定DDR源同步信号组及其相关的Clock/Data Strobe信号；然后，在仿真软件中建立总线，设定仿真模型以及仿真码流；最后，通过仿真建立的总线信号，测量相关的参数来验证布线是否合理。

由于DDR的设计较为成熟，本例仅针对2个Rank形式的3A3000和国产内存颗粒，选择其中一个控制器进行数据和地址的时序仿真。其中数据组的拓扑结构为4组T形结构，对其中一组进行了仿真。

3.2.1数据信号

根据DDR数据信号的时序关系，将3A3000的MC1控制器对应的数据信号分为Data0~Data7共8个组，其中Data6和Data7组的信号连接关系如图 9所示，仿真时数据组的系统拓扑如图 10所示，两片Memory中有一片为Active状态，另一片为Standby状态。

图 9 MC1的Data6和Data7数据组

图 10 仿真时数据组的系统拓扑

设置驱动能力为34Ω/40Ω、ODT值设置为60Ω/120Ω，各参数下的DDR读写眼图仿真结果如图 11、图 12、图 13所示，眼图均满足要求。驱动能力为40Ω、ODT为60Ω时眼图的眼宽和眼高最小，但此时的高频分量较少，上下眼皮较细；提高驱动能力或提高ODT阻抗都会使眼宽和眼高增大，但同时会引入较多的高频分量，出现了“双眼皮”。

图 11 34Ω驱动60ΩODT时数据组的眼图

图 12 40Ω驱动60ΩODT时数据组的眼图

图 13 40Ω驱动120ΩODT时数据组的眼图

3.2.2地址信号

3A3000的MC1控制器对应的地址/命令信号连接关系如图 14所示，仿真时地址/命令信号的系统拓扑如图 15所示。

图 14  MC1的地址/命令信号

图 15  仿真时地址/命令信号的系统拓扑

设置控制器的驱动能力为40Ω，端接电阻分别为40Ω、33Ω、27Ω时，随着端接阻值的减小，Mem1的眼高逐渐增大，Mem4的眼高逐渐减小。端接值为27Ω时，Mem1~Mem4的眼高较为一致，总体信号质量较好。Mem1和Mem4在三种端接电阻时的眼图对比如图 16、图 17所示。

图 16  Mem1不同端接时的眼图对比

图 17  Mem4不同端接时的眼图对比

4结束语

基于国产处理器的双Rank内存设计中，不同传输线阻抗、驱动能力和ODT端接都会影响内存信号质量。本文通过仿真软件进行前仿真和后仿真，根据仿真结果确定了内存信号有关参数，完成了不同参数下信号眼图效果对比，最终确定了最优参数范围，满足产品指标要求。通过仿真分析大大节省了板卡设计的时间，同时也保证了产品的质量。尤其是在高速电路设计中，不论是研发阶段的前仿，还是测试阶段的后仿，仿真分析都显得尤为重要，也是增强高速电路板设计可靠性和稳定性的必要手段。

参考文献

[1]Howard Johnson, Martin Graham. 高速数字设计. 沈立, 朱来文, 陈宏伟等译. 北京 : 电子工业出版社, 2004.5.

[2]Stephen H. Hall, Garrett W. Hall, James A. McCall. High-Speed Digital System Design [M]. New York: John Wiley & Sons Inc. 2000.

[3]JESD79-3F, DDR3 SDRAM Standard. USA: JEDEC 2012.

[4]吴均，周伟，陈德恒. 高速电路设计仿真实战——信号与电源完整性. 武汉 : 华中科技大学出版社, 2019.9.

[5]周润景. Cadence 高速电路板设计与仿真（第4版）——原理图与PCB设计. 北京 : 电子工业出版社, 2011.7.

作者简介：

吴帮强（1986—），男，学士，工程师，主要研究方向为高速数字电路设计、电磁兼容与EDA仿真分析设计；

张晓雄（1979—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为高速数字电路设计、信号/电源完整性分析；

杨希梅（1976—），女，大专，工程师，主要研究方向为高速数字电路设计与EDA仿真分析设计；

陈明波（1983—），男，硕士，工程师，主要研究方向为高速数字电路设计、电磁兼容与EDA仿真分析设计。

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