Teledyne e2v的宇航級DDR4的硬件設(shè)計指南

摘要

快速、高可靠和耐輻射的存儲是復(fù)雜空間邊緣計算系統(tǒng)的必備特性。DDR4 將使航天工業(yè)實現(xiàn)更高吞吐量的星上計算能力和更長的采集時間，從而支持全新的地球觀測、空間科學(xué)和電信應(yīng)用，例如超高分辨率圖像、實時流媒體視頻和星載人工智能。

我之前介紹過面向宇航應(yīng)用的 Teledyne e2v 的耐輻射 DDR4 (DDR4T04G72)，可提供 4GB 的存儲容量，高達(dá)1.2GHz的時鐘頻率和 2.4GT/s 的數(shù)據(jù)速率（帶寬為 172.8Gb/s），本文將更深入地介紹這款宇航級 DDR4 存儲器的細(xì)節(jié)。

本文的第一部分將討論 SDRAM的技術(shù)實現(xiàn)，然后擴(kuò)展到 DDR4 的架構(gòu)和結(jié)構(gòu)，因為 DDR4 包含了最新的架構(gòu)和硬件特性，需要首先考慮這些要素以確保設(shè)計的正確性。

隨后，我將重點介紹 PolarFire FPGA 和 Teledyne e2v DDR4T04G72 之間點對點的連接的例子，以及多個 DDR4器件如何與一片 Xilinx KU060 FPGA 連接。

最后，我將介紹DDR4 相比于DDR3 的優(yōu)點，以及單模式和多模式的DDR4 配置及容量。

我之前介紹過這款面向宇航應(yīng)用的 DDR4，可提供 4GB 的存儲容量，高達(dá) 1.2GHz 的時鐘頻率和 2.4GT/s 的數(shù)據(jù)速率（帶寬為 172.8Gb/s）。與前幾代 SDRAM 相比，DDR4 包含新的架構(gòu)和硬件特性，提高了容量、性能、可擴(kuò)展性、系統(tǒng)可靠性和電氣效率。除了上述內(nèi)容，本文還將討論時序和信號完整性，以及如何將這個存儲器和FPGA 連接，以確保電子設(shè)計的正確性。

SDRAM 的架構(gòu)由多個存儲單元組成，這些存儲單元組織在一個二維的行和列的數(shù)組中，如圖 1 所示。要選擇一個特定的位，首先需找到相關(guān)的行，然后是相關(guān)的列。一旦選通所需的行，就可以訪問多個列，從而通過連續(xù)的讀/ 寫操作提高速度并減少延遲。

為了增加字的大小，存儲器包含多個數(shù)組，而當(dāng)請求讀/ 寫訪問時，存儲器只需要一個地址來訪問每個數(shù)組中的某一位。為了增加總的存儲容量，SDRAM 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含許多 bank，如下圖所示。這些交錯的 bank 進(jìn)一步提高了性能，每一個 bank 都可以被獨立尋址。

圖1 SDRAM 的bit cell 和 DDR 芯片的結(jié)構(gòu)

SDRAM 的核心速度比它的 I/O 速率慢。在每個列指令期間可訪問多個數(shù)據(jù)字，然后這些數(shù)據(jù)被序列化到接口。DDR4基于 8n 預(yù)取架構(gòu)，每個時鐘周期在 I/O 傳輸兩個 n 位寬的數(shù)據(jù)字。一個讀/寫操作包括一個單獨的 8n 位寬、4 個周期的在DRAM核心上的傳輸操作和對應(yīng)的8 個n 位、一個半周期的I/O 端口傳輸操作。

DDR4擴(kuò)展了上述 SDRAM架構(gòu)，引入了 bank 組的概念，允許在一個組中預(yù)取8個，并在另一個組中獨立執(zhí)行另一個操作。實際上，DDR4時分復(fù)用其內(nèi)部的 bank 組，以隱藏內(nèi)部核心比 I/O 端口傳輸8個字需要更多的時間這一事實。與 DDR3相比，DDR4 通過更多的 bank 和更小尺寸的行，使器件能夠以更高的速率訪問不同的bank，從而提高性能。 DDR4 存儲器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。為了支持更大的存儲容量而不增加額外的地址引腳，DDR4 使用全新定義的 ACT_n輸入到命令管腳 RAS、CAS 和 WE 的復(fù)用地址。如果 ACT_n 為低，這些輸入被分別用作地址 A16、A15 和 A14 腳。如果ACT_n 為高，它們則恢復(fù)為SDRAM 命令真值表中指定的正常功能。

圖 1 EV12AQ600 的不確定性源和積累延遲

Teledyne e2v的4GB耐輻射DDR4T04G72是一款包含5個裸片的MCP，其中4個分別提供 1GB（8Gb）的存儲（512Mb x 16 位），組成2組，每組有4個 bank，如上圖所示。為了提高可靠性，它使用72位的數(shù)據(jù)總線，包含64位數(shù)據(jù)和8位錯誤檢測修復(fù)。這個ECC功能在第5片裸片中實現(xiàn)。該器件使用一個內(nèi)部的8n預(yù)取緩沖以最大限度地高速運行，并提供可編程的讀、寫和附加延遲。

DDR4引入了一些硬件特性以降低功耗。首先，I/O供電（VDDQ）從DDR3使用的1.35V降低到1.2V。增加了一個獨立的2.5V供電Vpp，用來激活內(nèi)部字線并降低10%的功耗。數(shù)據(jù)總線的 I/O 電氣接口從推挽 SSTL 變?yōu)橄聢D所示的偽開漏（POD）信號。通過截止到VDDQ而不是1/2的VDDQ，信號擺動的幅值和中心可根據(jù)不同設(shè)計的需要定制。POD的I/O降低了驅(qū)動數(shù)據(jù)時的開關(guān)電流，因為只有0時才消耗功率。DDR4還提供數(shù)據(jù)總線倒置，以分配更少的位，降低熱量和功耗。通過減少開關(guān)的次數(shù)，可減少噪聲，并實現(xiàn)更干凈的數(shù)據(jù)眼圖。

圖3 DDR3 的推挽 I/O 信號（左）vs. DDR4 的POD（右）

總的來說，降低的VDDQ電壓、使用外部Vpp供電操作字線、使用POD信號和VDDQ截止，以及前面討論的更小的行尺寸和激活電流，都使得DDR4的整體功耗比DDR3 SDRAM大大降低。在類似的數(shù)據(jù)速率下，DDR4 器件大約減少了30%的功耗。這使得用戶可以實現(xiàn)更高的速度，或以更低的功耗實現(xiàn)相同的性能。我們可提供DDR4T04G72的功耗預(yù)測表和ICEPAK/ECXML熱模型。

在系統(tǒng)的層面，DDR4提供了更高的可靠性、可用性和可服務(wù)（RAS）。數(shù)據(jù)總線在寫操作時的CRC錯誤檢測和命令、地址總線的奇偶校驗如下圖所示。與DDR3不同，DDR4可被配置為當(dāng)檢測到奇偶校驗錯誤時停止命令。

圖4 DDR4 提供的系統(tǒng)級錯誤檢測

對于那些在存儲器的生命周期里無法使用ECC修復(fù)的軟錯誤，DDR4提供了一個“包后修復(fù)”的功能來糾正出現(xiàn)故障的行。這不僅提高了系統(tǒng)的可靠性和壽命，而且提供了一種進(jìn)一步防止單粒子翻轉(zhuǎn)的機(jī)制。

DDR4還提供了連接性測試模式（CT），用來在不調(diào)用SDRAM的初始化序列的情況下檢查內(nèi)存和控制器之間的PCB走線的連續(xù)性。傳統(tǒng)的邊界掃描測試在每個時鐘周期串行移入和移出測試序列，與之不同，CT模式使用更快的并行接口。

DDR4的I/O接口是真正的源同步設(shè)計，使用雙向數(shù)據(jù)選通DQS，每個時鐘周期捕獲兩次數(shù)據(jù)。在寫操作時，DQS由存儲器輸出，與數(shù)據(jù)相關(guān)；對于寫操作，DQS由以數(shù)據(jù)為中心的控制器提供，提供同步參考。為了保證數(shù)據(jù)速率增加、幅度減小時的數(shù)據(jù)完整性，時鐘和strobe信號是差分的，以抵消共模噪聲。在PCB層面，DQS對數(shù)據(jù)總線有相同的負(fù)載，布線方式類似。其余的地址、命令、控制和數(shù)據(jù)信號依然工作在單端模式，更容易受到噪聲、串?dāng)_和干擾的影響。

在PCB布線之前，需決定為布線不匹配留出多少時間余量，這一點很重要。我們可以考慮時間占整個周期的比例，例如時鐘頻率是1.2GHz 時，一個周期是833ps。對于FR4的典型飛行時間是6.6ps/mm，所以1mm的走線大約消耗整個周期的1.6%。如果您的設(shè)計并不要求實現(xiàn)性能的極限，您可以為整體的線長不匹配留出較大的余量，以提高布線靈活性，簡化布線的工作。

當(dāng)計算PCB的傳遞延遲時，需注意內(nèi)層（帶狀線）和外層（微帶線）的延遲不同，因為它們的有效介電常數(shù)不同。過孔引入了Z方向上額外的長度，需匹配的線上的過孔數(shù)目應(yīng)該相同，并有著相同的跨度，以忽略它們對整體時間特性的影響。

在加工PCB之前，建議進(jìn)行布線后仿真，以確認(rèn)時間余量和信號完整性。Teledyne e2v可提供DDR4T04G72的IBIS和Spice模型，使您可在設(shè)計早期確認(rèn)電氣和時序是否滿足要求。我是用Mentor Graphics（現(xiàn)在是 Siemens）的Hyperlynx Linesim和Boardsim分別驗證布線前和布線后的信號完整性，優(yōu)化終端和驅(qū)動能力，并驗證時間余量，以便在投產(chǎn)前確認(rèn)沒有問題。目前，另一種EBD模型也正在開發(fā)中。

為了驗證使用內(nèi)部布線層的控制器和存儲器之間的信號完整性，可參考PolarFire耐輻射FPGA與單片DDR4T04G72連接 的數(shù) 據(jù)線 的Linesim預(yù)測的眼圖（圖 5）。多個DDR4設(shè)備也可通過各自的IP控制器連接到單片F(xiàn)PGA上。

圖5 PolarFire 和 DDR4T04G72 的點對點連接

為了增加總體的存儲容量，相同的軟IP可控制fly-by或clamshell拓?fù)涞亩鄠€DDR4器件，即公共時鐘、地址、控制和數(shù)據(jù)信號，而每片SDRAM有各自的片選輸入信號，如下圖所示。在這種情況下，傳輸線更長，容性負(fù)載更大，因此需要通過仿真來確定所需的驅(qū)動器電流強(qiáng)度。每個KU060 DDR4控制器的最大數(shù)據(jù)總線寬度是80位，可訪問最多5個外部存儲器，而FPGA可實例化其中的兩個IP。

圖6 多個DDR4 器件與Xilinx KU060 FPGA 的連接

Xilinx提供了一個視頻，演示如何實例化一個DDR控制器及其資源，以計算最大速率和可連接到FPGA的外部SDRAM設(shè)備的數(shù)量。PolarFire 的DDR4 IP提供了72位的數(shù)據(jù)總線寬度，允許上述的4 個DDR4T04G72的連接。

當(dāng)DDR4T04G72連接到Xilinx的KU060或Microchip的PolarFire耐輻射FPGA時，數(shù)據(jù)速率分別為1.33GT/s和1.86GT/s時的存儲容量和帶寬如表1所示?？稍贔PGA中實例化的DDR4 IP的總數(shù)取決于您I/O使用的具體情況，所以請使用 Vivado^? Design Suite 或 Libero^? SoC確認(rèn)您的配置。NanoXplore的NG-Ultra也將支持DDR4SDRAM。

表1 系統(tǒng)存儲容量和帶寬

Xilinx提供了一個視頻，演示如何實例化一個DDR控制器及其資源，以計算最大速率和可連接到FPGA的外部SDRAM設(shè)備的數(shù)量。PolarFire 的DDR4 IP提供了72位的數(shù)據(jù)總線寬度，允許上述的4 個DDR4T04G72的連接。

當(dāng)DDR4T04G72連接到Xilinx的KU060或Microchip的PolarFire耐輻射FPGA時，數(shù)據(jù)速率分別為1.33GT/s和1.86GT/s時的存儲容量和帶寬如表1所示。可在FPGA中實例化的DDR4 IP的總數(shù)取決于您I/O使用的具體情況，所以請使用 Vivado? Design Suite 或 Libero^? SoC確認(rèn)您的配置。NanoXplore的NG-Ultra也將支持DDR4SDRAM。

圖7 DDR4 的命令、地址和控制信號的Fly-by 終端

圖8 DDR4 的差分時鐘輸入的 Fly-by 終端

DDR4有片上的核心和I/O的電容，因此，沒有必要為每對功率引腳分配外部電容。然而，需要為DDR4T04G72指定最小的PCB解耦，以防止SDRAM核心刷新、讀寫時造成供電下降。解耦還為讀操作提供輸出的驅(qū)動電流。

核心的頻率越低，所需的電容越大，而在高頻工作下的驅(qū)動開關(guān)則需要低電感和更小的電容。您已經(jīng)完成了原理圖設(shè)計、布線、預(yù)制時序和信號完整性檢查，分包了PCB的組裝，并驗證了板子能正常加電。

現(xiàn)在可以開始使用存儲器了。但是，在操作之前，必須先初始化DDR4，這樣SDRAM才能識別其工作頻率和延遲參數(shù)。 DDR3使用一個分壓器創(chuàng)建Vdd/2，以作為參考來決定DQ信號是0還是1，如圖3所示。DDR4使用一個內(nèi)部電壓參考，VrefDQ，它的值必須在初始化階段由存儲器控制器設(shè)置。此外，SDRAM需要定期校準(zhǔn)輸出驅(qū)動阻抗和ODT值，以最小化電壓和溫度的變化的影響，這一過程被稱為ZQ校準(zhǔn)。在使用DDR4前的最后一步是存儲器訓(xùn)練，即計算SDRAM和對應(yīng)控制器之間的讀/寫延遲。如圖6所示，對于連接到FPGA的多個DDR4芯片，可能每個設(shè)備與控制器的距離都不同，導(dǎo)致時鐘、strobe和數(shù)據(jù)之間的飛行時間偏差。寫校準(zhǔn)可以補(bǔ)償這些偏差。在fly-back拓?fù)渲?，每個芯片在不同的時間接收命令、地址和控制，讀寫中心始終捕獲眼圖的中間位置，確保數(shù)據(jù)可以可靠地從SDRAM讀取或?qū)懭氲絊DRAM。存儲器訓(xùn)練在初始化時校準(zhǔn)這些接口，確保操作之前有足夠的余量。

總而言之，DDR4 將使衛(wèi)星行業(yè)實現(xiàn)更高吞吐量的星上處理和更長的采集時間，并應(yīng)用于全新的地球觀測、空間科學(xué)和電信應(yīng)用，例如超高分辨率圖像、實時流媒體視頻和星上人工智能。如前所述，DDR4 包含新的架構(gòu)和硬件特性，需要首先考慮這些要素以確保設(shè)計的正確性。除了器件的數(shù)據(jù)手冊，Teledyne e2v 還可提供 DDR4T04G72 的使用指南。

DDR4 將首次允許衛(wèi)星和航天器制造商使用大存儲帶寬。在過去的 6 年里，我們的商業(yè)級應(yīng)用伙伴一直在使用這種大存儲帶寬。與現(xiàn)有的經(jīng)過認(rèn)證的 DDR3 SDRAM 相比，DDR4T04G72可與最新的宇航級 FPGA 和微處理器配合使用，使得：

●   內(nèi)存帶寬增加62%（0.172 Tb/s，數(shù)據(jù)速率2.4GT/s），加倍當(dāng)前的傳輸速度

●   存儲容量增加25%

●   物理尺寸減少 76%

●   功耗減少30%

Rajan Bedi 博士是 Spaceships 公司的 CEO 和創(chuàng)始人，該公司設(shè)計和制造一系列先進(jìn)的 L 到 K 波段的超高吞吐量星上處理器、應(yīng)答機(jī)和 OBC，用于通信、地球觀測、導(dǎo)航、互聯(lián)網(wǎng)和 M2M/IoT 衛(wèi)星。公司還提供宇航電子設(shè)計咨詢、航空電子測試、技術(shù)營銷、商業(yè)智能和培訓(xùn)服務(wù)。

Spaceships 的設(shè)計咨詢服務(wù)研發(fā)定制的衛(wèi)星和航天器子系統(tǒng)，并為客戶提供建議，例如如何使用和選擇合適的器件，如何設(shè)計、測試、組裝和制造宇航電子系統(tǒng)等。我們在 FPGA 的宇航應(yīng)用培訓(xùn)課程上教授半導(dǎo)體存儲器的相關(guān)內(nèi)容。