過(guò)孔STUB對(duì)DDRX地址信號(hào)的影響

公眾號(hào) | 高速先生

作者 | 周偉

之前高速先生發(fā)表過(guò)一篇過(guò)孔STUB長(zhǎng)，DDR信號(hào)“強(qiáng)”？的文章，最近大家也都在問(wèn)DDR4或DDR5長(zhǎng)stub是否有影響，是否要背鉆等，然后正好有個(gè)項(xiàng)目在仿真DDR4地址信號(hào)的時(shí)候我們讓設(shè)計(jì)人員將走線移到stub較長(zhǎng)的層面，信號(hào)居然變好了，到底怎么回事呢，下面我們就來(lái)看看吧。

這個(gè)項(xiàng)目共16層，板厚2.9mm，主控芯片拖了3片DDR4顆粒，這些器件都分布在底層，數(shù)據(jù)速率（下文簡(jiǎn)稱數(shù)率）需要運(yùn)行到2400Mbps。如下圖所示為對(duì)應(yīng)的疊層信息。

采用同樣的模型進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)主干在L14層的（Stub較長(zhǎng)）信號(hào)質(zhì)量居然比L5層（Stub較短）的信號(hào)質(zhì)量更好，可見(jiàn)如下圖所示的第一個(gè)顆粒信號(hào)眼圖的對(duì)比。

圖1 數(shù)率2400Mbps時(shí)第一個(gè)顆粒處地址信號(hào)眼圖

上圖所示L5層的走線眼圖基本快閉合了，眼寬也比較小，這種眼圖的質(zhì)量可能會(huì)影響到信號(hào)的正常工作，會(huì)導(dǎo)致速率跑不上去或者會(huì)數(shù)據(jù)出錯(cuò)，而L14層的走線眼圖就好很多，再優(yōu)化一下就會(huì)有一定的裕量，看起來(lái)過(guò)孔stub長(zhǎng)居然對(duì)DDR4的信號(hào)質(zhì)量有一定的改善作用。

這個(gè)原理其實(shí)在上篇文章中講到過(guò)，我們?cè)賮?lái)重溫一下：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，高速串行需要控制過(guò)孔stub盡量短，以避免能量損耗。但是，對(duì)于主控芯片的驅(qū)動(dòng)較強(qiáng)，加上一驅(qū)多拓?fù)涞姆瓷涓菀自诮祟w粒處積累，所以近端顆粒的信號(hào)質(zhì)量就成了通道的瓶頸，增加近端顆粒的過(guò)孔stub長(zhǎng)度能夠很好的衰減高頻分量，使主芯片輸出的強(qiáng)度減弱，上升沿變緩，最終達(dá)到減少反射的目的，相應(yīng)的，信號(hào)質(zhì)量也得到了改善。這也印證了我們一直說(shuō)的：大部分信號(hào)完整性問(wèn)題歸根到底就是信號(hào)的上升沿太快造成的。

我們接下來(lái)看當(dāng)數(shù)據(jù)速率上升到3200Mbps時(shí)地址信號(hào)的眼圖會(huì)怎么樣，其他都不變，直接改變地址信號(hào)的速率到1600Mbps，如下是對(duì)應(yīng)的眼圖：

圖2 數(shù)率3200Mbps時(shí)第一個(gè)顆粒處地址信號(hào)眼圖

可以看到速率上升后整體的眼高反而變好了，同時(shí)趨勢(shì)還是一樣，比較長(zhǎng)的stub孔 L14層的走線比短stub孔L5層的走線信號(hào)質(zhì)量好。看起來(lái)在模型上升沿比較快（驅(qū)動(dòng)強(qiáng)）的時(shí)候，地址信號(hào)保留一定的過(guò)孔stub確實(shí)會(huì)對(duì)信號(hào)質(zhì)量有一定的改善作用，接下來(lái)我們?cè)儆肵ilinx的fast slew rate模型來(lái)驗(yàn)證一下，保持同樣的拓?fù)洌瑢Ⅱ?qū)動(dòng)模型換成Xilinx的driver48_fast，其他不變的情況下，地址信號(hào)還是按照1600Mbps的速率仿真的結(jié)果如下所示。

圖3 數(shù)率3200Mbps時(shí)第一個(gè)顆粒處地址信號(hào)眼圖（xilinx_driver48_fast驅(qū)動(dòng)）

此時(shí)還是比較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)，可以看到比較長(zhǎng)的stub孔 L14層的走線比短stub孔L5層的走線信號(hào)質(zhì)量好。如果換成不是那么快的比較正常的驅(qū)動(dòng)結(jié)果會(huì)怎么樣呢？下面我們把驅(qū)動(dòng)改成Xilinx的driver48_typical，其他條件不變，仿真出來(lái)的眼圖如下圖所示。

圖4 數(shù)率3200Mbps時(shí)第一個(gè)顆粒處地址信號(hào)眼圖（xilinx_driver48_typical驅(qū)動(dòng)）

兩個(gè)眼圖肉眼看起來(lái)其實(shí)差不多，量測(cè)下來(lái)短stub孔的眼高稍微好點(diǎn)，但長(zhǎng)stub孔的信號(hào)質(zhì)量也還不錯(cuò)，可以滿足要求，這么看來(lái)在3200Mbps數(shù)據(jù)速率下，不管驅(qū)動(dòng)正常還是比較強(qiáng)，長(zhǎng)stub過(guò)孔都有比較好的表現(xiàn)，這樣是否就能說(shuō)明過(guò)孔stub比較長(zhǎng)其實(shí)對(duì)3200Mbps速率下的地址信號(hào)反而更好呢？大部分情況下看起來(lái)是這樣的，那如果這個(gè)信號(hào)本身的驅(qū)動(dòng)比較弱，此時(shí)長(zhǎng)stub過(guò)孔會(huì)將信號(hào)上升沿變得更緩，這樣對(duì)信號(hào)質(zhì)量是否有影響呢？接下來(lái)我們也通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證下。

其他都不變的情況下將驅(qū)動(dòng)模型換成比較弱一點(diǎn)的ron80，再比較兩種情況在數(shù)據(jù)速率3200Mbps時(shí)的眼圖如下圖所示。

圖5 數(shù)率3200Mbps時(shí)第一個(gè)顆粒處地址信號(hào)眼圖（本案例_ron80驅(qū)動(dòng)）

可以看到結(jié)論還是和上面差不多，這是由于此時(shí)這個(gè)模型的沿也不是很緩，相對(duì)于普通的弱驅(qū)其實(shí)也并不弱，那我們?cè)賮?lái)看看Xilinx的slow模式，這個(gè)可能更有代表性一點(diǎn)，直接將驅(qū)動(dòng)模型換成Xilinx的driver48_slow，其他不變還是在3200Mbps數(shù)率下的仿真結(jié)果如下圖所示。

圖6 數(shù)率3200Mbps時(shí)第一個(gè)顆粒處地址信號(hào)眼圖（xilinx_driver48_slow驅(qū)動(dòng)）

從仿真結(jié)果來(lái)看，還是過(guò)孔stub較長(zhǎng)的信號(hào)眼圖會(huì)好點(diǎn)，看起來(lái)結(jié)論已經(jīng)比較明顯了，那就是3200Mbps數(shù)率下，過(guò)孔stub對(duì)地址信號(hào)的影響比較小，甚至?xí)盏粢徊糠址瓷湫盘?hào)使得信號(hào)質(zhì)量更好。再拓展一下，如果到了DDR5地址信號(hào)也有ODT了，結(jié)論還是不是這樣呢？都到門口了，我們接下來(lái)就最后再仿真看看如果地址按照3200Mbps結(jié)果會(huì)怎么樣。

拓?fù)溥€是不變，驅(qū)動(dòng)改為之前比較強(qiáng)一點(diǎn)的Ron48，顆粒模型換成DDR5，外部上拉端接去掉，地址信號(hào)按照3200Mbps速率仿真，結(jié)果如下圖所示。

圖7 數(shù)率6400Mbps時(shí)第一個(gè)顆粒處地址信號(hào)眼圖（Ron48驅(qū)動(dòng)）

可以看到當(dāng)?shù)刂沸盘?hào)速率到3200Mbps時(shí)（數(shù)據(jù)率6400Mbps），長(zhǎng)過(guò)孔stub對(duì)地址信號(hào)的影響也還不是很大，這樣我們以后DDR4設(shè)計(jì)的時(shí)候就不用想著stub的影響了，也不用考慮地址信號(hào)長(zhǎng)stub要不要做背鉆了，甚至有時(shí)候還可以特意把地址信號(hào)走在長(zhǎng)過(guò)孔stub的層面。

按照這個(gè)思路，我們正好把這個(gè)結(jié)論用在了一個(gè)一拖五的錯(cuò)位正反貼的DDR4項(xiàng)目上，而且最終驗(yàn)證也成功了。該項(xiàng)目板厚也是3mm共18層板，一開(kāi)始設(shè)計(jì)的時(shí)候采用常規(guī)的做法，盡量避開(kāi)長(zhǎng)過(guò)孔stub的層面，后面仿真的時(shí)候發(fā)現(xiàn)信號(hào)質(zhì)量整體不太好，尤其是第一片顆粒的眼圖比較小，信號(hào)反射嚴(yán)重，如下圖所示。

后面我們建議引入一定的過(guò)孔stub，把TOP層的顆粒，前面的走線換到L3層；BOT層的顆粒，前面的走線換到L16層，這樣顆粒前面的換層孔stub就比較長(zhǎng)，然后再仿真得到如下比較好的眼圖。

有時(shí)候不得不覺(jué)得，這個(gè)世界就是這么神奇！尤其是DDRx的設(shè)計(jì)套路太多了，設(shè)計(jì)難度越來(lái)越大，不仿真還真不好保證能跑到那么高的速率。

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