DDR4 眼图测试

[{"attributes":{"size":"small"},"insert":"——转自是德科技"},{"attributes":{"align":"right"},"insert":"\n"},{"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":"对于 DDR 源同步操作，必然要求 DQS 选通信号与 DQ 数据信号有一定建立时间tDS和保持时间 tDH 要求，否则会导致接收锁存信号错误，DDR4 信号速率达到了3.2GT/s，单一比特位宽仅为 312.5ps，时序裕度也变得越来越小，传统的测量时序的方式在短时间内的采集并找到 tDS/tDH 最差值，无法大概率体现由于 ISI 等确定性抖动带来的对时序恶化的贡献，也很难准确反映随机抖动 Rj 的影响。在 DDR4 的眼图分析中就要考虑这些抖动因素，基于双狄拉克模型分解抖动和噪声的随机性和确定性成分，外推出基于一定误码率下的眼图张度。JEDEC 协会在规范中明确了在 DDR4 中测试误码率为 1e-16 的眼图轮廓，确保满足在 Vcent 周围 Tdivw 时间窗口和 Vdivw 幅度窗口范围内模板内禁入的要求。 "},{"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202208/91aa5e07abcf5e58.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":"是德科技 ADS 仿真软件的 DDR4 总线仿真器，提供了统计眼图分析的功能，能够在短时间内统计计算在极低误码率(1e-16)下的 DQ 眼图，根据规范判断模板是否违规。另外基于总线的仿真，也很易于仿真基于串扰因素下的眼图质量。"},{"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202208/5d23115a236c1906.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":"基于示波器的 DDR4 信号实测，可以利用大家熟悉的 InfiniiScan 区域触发功能，很容易分离出“写”信号，再通过 Gating 功能对 Burst 写信号做时钟恢复和眼图重建，再进行 Eye Contour 测量，并验证 1e-16 误码率下的眼图模板是否违规。如果是使用一致性测试软件，就不用手动操作，软件会自动跟踪和分离波形并实现眼图测试（如下图所示） "},{"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202208/d4b23e0c2b7dfdd3.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":"在早期设计阶段，如何完整评价 DDR 信号质量和时序等参数呢，这里为大家介绍一个设计到验证的流程。ADS 提供了 W2351EP DDR4 一致性分析工具，在 ADS 仿真后，生成波形可以直接导入到运行于电脑里的示波器离线分析软件 Infiniium 和N6462A DDR4/LPDDR4 一致性测试套件，这个软件可以分析前面所说的 JEDEC 对DDR4 信号要求的电气和时序等参数，判断是否符合规范要求，以测试报告形式呈现，这种方式可以在设计阶段发现违规问题，及时改进设计，缩短研发周期，降低硬件开发成本。另一方面，在硬件已经打板回来，可以通过 V 系列等示波器测试信号，通过实际的信号检查存在的问题，将仿真的结果和实际测试的结果做相关对比，进一步迭代优化仿真模型和测量方法，使仿真和测试结果逐渐逼近。 "},{"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202208/76bf8f4e95999320.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":"DDR4 做测试时，由于 BGA 信号难以探测，是德科技提供了 N2114A/N2115A 等DDR4 Interposer，将 BGA 下方的信号引到 Interposer 外围，方便探头焊接，为了减少 Interposer 对信号带来影响，在 interposer 内专门有埋阻设计，减少由于分支和走线带来的阻抗不连续和对信号的负载效应；但为了精确测量，我们需要对 BGA Interposer 带来的误差进行修正。可以通过 InfiniiSim 或在 DDR4 一致性测试软件N6462A 内进行去嵌，在软件内使用多端口拓扑模型，载入 Interposer 的 S 参数，生成从探头测试点到 BGA 焊球位置的去嵌传递函数，在示波器中测得去嵌后的波形，下图可以看到去嵌后信号眼图的改善。 "},{"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202208/f8ad8b48a93a6461.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":"最后，对于物理层无论是仿真还是一致性测试软件得到的数据，都可以通过数据分析工具 N8844A 导入到云端，通过可视化工具，生成统计分析表格，对比性分析高低温、高低电压等极端情况下不同的测试结果，比较不同被测件异同。为开发测试部门提供灵活和有效的大数据分析平台。"},{"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202208/ba6d41f7c8a58596.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":"除了在物理层信号质量和基本时序参数之外，DDR 总线的状态机复杂时序特性，以及总线的命令操作解析需要通过逻辑分析仪辅助分析。是德科技的 U4164A 逻辑分析 "},{"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":"仪，同步分析速率可以达到 4Gbps，采样窗口可以低至 100mv x 100ps，单路采集样本高达 400M，对于 DDR4 的测试是非常合适的，另外配合 B4661A memory 分析软件，可以解析 DDR4 会话操作，实现 DDR4 总线的命令解码，解析 MRS，命令，行列地址，并可以直接触发物理地址捕获特定信号，利用深存储的大量样本，可以对DDR 总线的性能进行分析，包括统计内存总线有效吞吐速率，统计各种命令操作以及总线利用率，分析对不同内存地址空间的访问效率。另外利用是德科技独有的逻辑分析仪内部眼图扫描功能，可以同时分析扫描总线各个比特位的眼图质量。"},{"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202208/c0747789a10b2275.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":"JEDEC 的规范中，定义了如下这些参数要求，B4661A 软件可以支持这些参数的实时和后分析功能，分析判断测试结果是否符合规范的范围要求，并且可以跟踪测量结果，对于违规的测量参数可以跟踪到波形界面，从而定位命令和操作的根源问题。"},{"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202208/221f04de4ec091fd.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":"以上，我们介绍了 DDR4 总线物理层仿真测试和协议层的测试方案，借助仿真软件、示波器和逻辑分析仪对 DDR4 总线分析调试的主要方法。对于 DDR 系统中存在的复杂问题，还可以使用逻辑分析仪和示波器进行联合调试，逻辑分析仪优势在解析 DDR总线会话和操作性能分析，示波器的强大在于信号波形的观测，也可以测量电源纹波和噪声。是德科技的逻辑分析仪自带的 View Scope 功能，可以通过网线和触发线，同步捕获示波器内的波形，时基相关的查看逻辑操作和物理波形的关系，下面的实测场景就是使用逻辑分析仪捕获 LPDDR4 信号，使用 10 比特的 S 示波器配合电源完整性测试探头 N7020A，精确观测供电电压 1.1V 的实例，可以看到在逻辑分析仪界面，电源电压轨迹展开出现尖峰和跌落。 "},{"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202208/d5f796c6e1f3374d.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#000000"},"insert":"再通过逻辑分析仪的内存软件解析 DDR 总线的操作和分析性能，可以分析出由于系统中集中的读操作，以及 LPDDR4 的速率切换导致了电源电压的波动，以及特定命令操作导致的电压跌落现象，下图我们展示了逻辑分析仪界面内总线会话解码、总线利用率时域统计和电压波形的同步显示，展开命令后可以发现在电压出现尖峰的周边是Clock 重新打开、Self Refresh Exit 操作，再看总线利用率的时域变化，突发的读操作总线利用率提升了 12%，由于突发的连续读操作形成电源负载瞬间变化，导致 1.1V上出现了瞬间的 38mV 的尖峰。这个电压波动可能导致系统工作可靠性下降，所以需要进一步改善 DDR 供电电源网络的设计。"},{"insert":"\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202208/13e7a456f06383f7.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"}]