使用多通道體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化LPDDR4的性能和功耗

tRC定時(shí)會(huì)導(dǎo)致很多問題，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100時(shí)鐘周期。當(dāng)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(nèi)，tRC會(huì)阻止訪問該Bank中的其他行，這樣，就會(huì)在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)禁止再次使用該Bank。如果具有更多的可用Bank，會(huì)降低訪問因tRC時(shí)間而鎖定的Bank中新行的訪問概率。

tRRD和tFAW會(huì)限制頻繁更換存儲(chǔ)體Bank的能力，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能希望這樣做，以避開tRC定時(shí)參數(shù)。

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(dá)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(zhí)行的連續(xù)傳輸序列。符號(hào)AC/BA0是Bank0觸發(fā)命令的代稱。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(biāo)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(yīng)用中，該序列會(huì)需要延長，這是因?yàn)樵诩せ?Active)之后會(huì)接著讀取、激活、讀取、激活、讀取、激活、讀取。數(shù)據(jù)返回，完全占用DQ總線，總線處于滿狀態(tài)。并行訪問模式會(huì)利用100%的內(nèi)存帶寬，但僅在800MHZ(DDR1600)下訪問器件時(shí)才能實(shí)現(xiàn)該點(diǎn)。

圖13：在BL16和800MHz/DDR1600上使用至旋轉(zhuǎn)地址的連續(xù)64字節(jié)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(zhí)行了相同的序列，獨(dú)立使用每一命令地址通道。每一命令地址總線的訪問模式略有差異：激活、讀取、無操作、讀取、激活、讀取、無操作、讀取。命令通道中的空隙可用于其他方面，如設(shè)定的預(yù)充或按bank刷新，或簡單地留作空閑時(shí)鐘周期。圖中數(shù)據(jù)總線已被完全占用。

圖14：在BL16和800MHz/DDR1600上使用至循環(huán)地址的連續(xù)64字節(jié)讀取、獨(dú)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、無操作、無操作、激活、讀取、無操作、無操作。無操作周期可用于預(yù)充或刷新，但內(nèi)存的激活速度不足以就每一傳輸向新rank發(fā)送連續(xù)的64-bank傳輸。

圖15：頻率加倍至1600MHZ/DDR3200

當(dāng)沒有發(fā)向同一內(nèi)存頁的另一64字節(jié)傳輸時(shí)，SOC必須等待，直至tRRD期滿并能再次在內(nèi)存中觸發(fā)新頁為止。如果傳輸?shù)臅r(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、無操作、讀取”模式，允許每一通道滿足tRRD的要求。即使在DDR 3200數(shù)據(jù)率下，總線帶寬也能工作在滿負(fù)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?shù)淖钚∽止?jié)數(shù)。由于LPDDR4的最小突發(fā)長度為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(xiàn)在通過總線傳輸?shù)膫鬏敶笮》矫?，也體現(xiàn)在器件的總帶寬方面。

對于很多SOC和CPU的緩存線，首選塊取大小是32字節(jié)。在偶爾情況下，一些較大的64位CPU使用64字節(jié)緩沖線。視頻和網(wǎng)絡(luò)傳輸通常需要32字節(jié)或更小的短字節(jié)傳輸。在理想情況下，多通道體系結(jié)構(gòu)應(yīng)與系統(tǒng)的提取大小匹配，以便將系統(tǒng)優(yōu)化至系統(tǒng)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)長度為16，有64個(gè)的并行DQ引腳，塊提取大小為128字節(jié)，它實(shí)際上僅適合于至連續(xù)地址的長數(shù)據(jù)傳輸。對于每次以128字節(jié)為單位的訪問，并行實(shí)施方案能夠工作，然而，如果數(shù)據(jù)訪問小于128字節(jié)且需訪問隨機(jī)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(nèi)存控制器和PHY布局應(yīng)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(nèi)的路徑盡可能短，無交叉。該封裝布局還有助于并行4通道LPDDR4接口的物理實(shí)現(xiàn)。

用戶還應(yīng)注意傳輸是否訪問內(nèi)存中的不同頁，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(shè)計(jì)者更傾向于選擇LPDDR4的多通道實(shí)施。

命令/地址總線

LPDDR4具有很窄的命令/地址總線(每通道僅6位寬，DDR4為20位或以上)，因此，使用多個(gè)命令/地址通道的開銷低于使用其他DDR類型的開銷。在LPDDR4封裝包上獨(dú)立使用所有4個(gè)命令/地址總線，能夠提供最大的靈活性，可能還會(huì)為整個(gè)系統(tǒng)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顯示了最簡單的一種方式。這是一種同構(gòu)CPU體系結(jié)構(gòu)，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問自己的獨(dú)立通道。該體系結(jié)構(gòu)具有下述優(yōu)點(diǎn)：CPU不會(huì)彼此屏蔽，SOC總線更短?？申P(guān)閉未使用通道以便節(jié)省功耗。

圖17：LPDDR4.PoP的最簡單SOC分割

然而，該體系結(jié)構(gòu)不夠靈活。如果通道A需使用通道C中的一些數(shù)據(jù)，它無法將內(nèi)存當(dāng)作郵箱使用。必須通過SOC以某種方式傳輸數(shù)據(jù)。這還會(huì)使得CPU更難于執(zhí)行與負(fù)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(nèi)存(圖18)。這樣就能實(shí)現(xiàn)更加靈活的分割。對于異構(gòu)處理，它的工作表現(xiàn)更好，CPU能夠?qū)蚕頂?shù)據(jù)進(jìn)行處理，但需要更多和更長的片上布線資源，這可能需要用到復(fù)雜的片上互聯(lián)系統(tǒng)。這樣就能更準(zhǔn)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(gòu)體系結(jié)構(gòu)而言。

圖18：共享通道，所有CPU共享所有內(nèi)存

邏輯至物理地址映射

多通道體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。存在多種控制邏輯至物理地址映射的方式。最簡單的方式是，雙通道存儲(chǔ)器映射到不同的SoC地址空間(圖19)。

圖19：使用分區(qū)內(nèi)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(tǒng)，并保持始終在線、始終連通的功能。通道B可能包含應(yīng)用數(shù)據(jù)，視頻緩沖和類似數(shù)據(jù)。這兩個(gè)不同的地址空間獨(dú)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(xù)邏輯地址區(qū)訪問內(nèi)存的不同通道(圖20)，對內(nèi)存映射進(jìn)行交織處理。例如，通道A為字節(jié)0~63，通道B為字節(jié)64~127，以此類推，直至遍及整個(gè)內(nèi)存空間。在整個(gè)內(nèi)存上對邏輯空間進(jìn)行交錯(cuò)處理。該方法有助于在2個(gè)不同通道上實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡，可實(shí)現(xiàn)良好性能。然而，由于始終需要兩個(gè)通道，無法關(guān)閉任一通道以降低功耗。

圖20：交錯(cuò)式內(nèi)存映射

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

圖21：混合內(nèi)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(nèi)嵌I/O的LPDDR4 multiPHY，增強(qiáng)型通用DDR內(nèi)存控制器(uMCTL2)和協(xié)議控制器(uPCTL2)，驗(yàn)證IP，建模工具，以及IP硬化和信號(hào)完整性分析服務(wù)。IP完全支持LPDDR4標(biāo)準(zhǔn)，并可靈活配置，以發(fā)揮上文所述的多通道體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

Synopsys DDR內(nèi)存控制器包含uMCTL2內(nèi)存控制器，它提供了與SOC的多端口或單端口連接?？捎每偩€包括1~16端口的AXI3、AXI4或AHB。對于需要在內(nèi)存控制器之外做內(nèi)存?zhèn)鬏斦{(diào)度的系統(tǒng)，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(qiáng)大的QOS特性，包括QOS驅(qū)動(dòng)的仲裁和高性能內(nèi)存調(diào)度算法。內(nèi)存控制中的低功耗功能具有自動(dòng)的特點(diǎn)，允許設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將重心放在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面。他能夠支持包括DDR2、DDR3、DDR4、LPDDR2、LPDDR3和LPDDR4等多種內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)。對于車載應(yīng)用和其他高可靠性系統(tǒng)，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(nèi)存控制器提供了一種基于CAM的調(diào)度架構(gòu)，尤其針對2667-4266的數(shù)據(jù)率進(jìn)行了優(yōu)化，并支持多種地址映射機(jī)制，為不同使用模式和多內(nèi)存類型的系統(tǒng)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(zhuǎn)換功能，支持自動(dòng)溫度監(jiān)測和刷新率調(diào)節(jié)。

結(jié)論

LPDDR4多通道規(guī)范為新穎的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新的機(jī)會(huì)，尤其是多通道體系結(jié)構(gòu)可以改善系統(tǒng)性能。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要綜合考慮性能、功耗和設(shè)計(jì)復(fù)雜度來部署實(shí)施LPDDR4架構(gòu)。