DDR SDRAM最早是由三星公司于1996年提出。從最早的128Mbps的DDR發(fā)展到了當(dāng)今的6400Mbps的DDR5，每一代DDR的數(shù)據(jù)速率都翻倍增長(zhǎng)。兩代內(nèi)存之間的過(guò)渡時(shí)間大概只需要兩年。到2023年，DDR5 內(nèi)存的市場(chǎng)份額將高于DDR4的情況，到2026年，DDR4份額應(yīng)降至5%以下。

圖：歷代DDR對(duì)比

目前DDR主要應(yīng)用于服務(wù)器和PC端，主要以DMMI條和DDR顆粒的形態(tài)（如下圖）。DDR內(nèi)存的發(fā)展趨勢(shì)是速率更高，封裝更密，工作電壓更低。

圖：DMMI內(nèi)存條

圖：DDR顆粒

這些對(duì)設(shè)計(jì)和測(cè)試提出了更高的要求，對(duì)于DDR信號(hào)的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1、如何進(jìn)行讀寫(xiě)信號(hào)的分離

2、如何進(jìn)行信號(hào)的探測(cè)

3、如何進(jìn)行JEDEC規(guī)定參數(shù)的測(cè)試。

下面就三個(gè)部分的內(nèi)容詳細(xì)的討論一下：

1、DDR的讀寫(xiě)分離

對(duì)于DDR總線來(lái)說(shuō),真實(shí)總線上總是讀寫(xiě)同時(shí)存在的。而且規(guī)范對(duì)于讀時(shí)序和寫(xiě)時(shí)序的相關(guān)時(shí)間參數(shù)要求是不一樣的。因此要進(jìn)行 DDR 信號(hào)的測(cè)試,第一步要做的是從真實(shí)工作的總線上把感興趣的讀信號(hào)或者寫(xiě)信號(hào)分離出來(lái)。

如下圖所示，在DDR總線中，讀時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序、高阻態(tài)是同時(shí)存在的，對(duì)于測(cè)試來(lái)說(shuō)，如果沒(méi)有軟件的輔助，就需要人為的來(lái)捕獲不同位置的波形，并判讀每組burst是讀操作還是寫(xiě)操作，在根據(jù)不同的讀寫(xiě)規(guī)范進(jìn)行參數(shù)的測(cè)試，這使得效率很低。

圖：DDR總線操作時(shí)序

讀寫(xiě)時(shí)序不一致另外造成的問(wèn)題就是眼圖的測(cè)量，讀雖然DDR的規(guī)范并沒(méi)有要求進(jìn)行眼圖測(cè)試,但是很多時(shí)候眼圖測(cè)試是一種快速、直觀衡量信號(hào)質(zhì)量的方法。對(duì)于 DDR的信號(hào)來(lái)說(shuō)，進(jìn)行眼圖測(cè)量也有一定的困難。因此如果直接用 DQS 觸發(fā)對(duì) DQ累積進(jìn)行眼圖測(cè)量的話,會(huì)得到讀寫(xiě)、高阻疊加在一起的雜亂的眼圖。因此很難對(duì)信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。要進(jìn)行信號(hào)的評(píng)估,首先要能把讀寫(xiě)信號(hào)分離出來(lái)。

圖：read operation 時(shí)序

圖：write operation時(shí)序

總結(jié)來(lái)說(shuō)讀寫(xiě)分離的方法有如下幾種：

方法1：根據(jù)讀寫(xiě)preamble的寬度不同，在示波器里用脈沖寬度進(jìn)行觸發(fā)分離。

在每次的burst之前，DQS會(huì)從高阻態(tài)切換到一段負(fù)脈沖，然后才開(kāi)始正常的讀寫(xiě)。這段負(fù)脈沖，我們叫做preamble（preamble實(shí)際上是在讀寫(xiě)前，DQS提前通知DRAM芯片或者是controller的信號(hào)）。一般說(shuō)來(lái)，讀數(shù)據(jù)DQS的preamble寬度要大于寫(xiě)數(shù)據(jù)。

方法2：信號(hào)幅度上的差異

一般在DRAM端進(jìn)行測(cè)試，寫(xiě)數(shù)據(jù)從memory controller出來(lái)，經(jīng)過(guò)了PCB板，到達(dá)DRAM顆粒的時(shí)候，信號(hào)已經(jīng)被衰減了，而讀數(shù)據(jù)剛剛從DRAM出來(lái)，還沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何的衰減，因此讀數(shù)據(jù)的幅度要大于寫(xiě)數(shù)據(jù)。但是這種方法對(duì)于走線長(zhǎng)度不長(zhǎng)或者讀寫(xiě)信號(hào)幅度差異不大的場(chǎng)合不太適用。

方法3：根據(jù)控制信號(hào)來(lái)進(jìn)行讀寫(xiě)分離

可以根據(jù)RAS、CAS、CS、WE等控制信號(hào)來(lái)分離讀寫(xiě)，這種方法使用控制信號(hào)的讀寫(xiě)來(lái)判決讀寫(xiě)的時(shí)序,是最可靠的方法,但是由于要同時(shí)連接多個(gè)控制信號(hào)以及CIkDQSDQ等信號(hào),要求示波器的通道數(shù)多于4個(gè),只有帶數(shù)字通道的 MSO示波器才能滿足要求。

方法4：DQ/DQS phase alignment

基于讀操作和寫(xiě)操作的DQ/DQS相位對(duì)齊關(guān)系的不同。讀操作為邊沿對(duì)齊，寫(xiě)操作為中心對(duì)齊，這種使用的最普遍。

圖：DDR讀突發(fā)

圖：DDR寫(xiě)突發(fā)

2、DDR的信號(hào)探測(cè)

在 DDR 的信號(hào)測(cè)試中,還有一個(gè)要解決的問(wèn)題是怎么找到相應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)探測(cè)。通常DDR都為BGA顆粒焊接，而且JEDEC 對(duì)信號(hào)規(guī)范的定義都是在內(nèi)存顆粒的 BGA管腳上，這使得信號(hào)探測(cè)成為一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。

如果PCB的設(shè)計(jì)密度不高，則有可能在 DDR 顆粒的管腳附近找到 PCB過(guò)孔或者通過(guò)預(yù)留測(cè)量點(diǎn)的方式，這時(shí)可以用焊接或點(diǎn)測(cè)探頭的方式進(jìn)行信號(hào)測(cè)量。測(cè)量點(diǎn)的預(yù)留可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)分叉的出現(xiàn)，雖然分叉很短，但是在高速的信號(hào)傳輸下也會(huì)造成比較大的信號(hào)震蕩和反射。

如果PCB密度太高或者采用雙面貼裝的PCB，通常采用專用的BGA探頭-Interposer. interposer焊接在DDR內(nèi)存顆粒和PCB板中間，并把信號(hào)引出。

圖：常見(jiàn)的幾種interposer

當(dāng)然interposer也會(huì)出出現(xiàn)信號(hào)分叉的問(wèn)題，為了解決信號(hào)質(zhì)量的問(wèn)題就需要對(duì)相應(yīng)的分叉進(jìn)行信號(hào)匹配，由于interposer是夾在內(nèi)存顆粒和PCB之間，沒(méi)有合適的位置可以放置匹配電路需要的電阻、電容等。因此可以在interposer上使用埋阻技術(shù)，將匹配電阻通過(guò)特殊的處理隱藏在interposer內(nèi)部。

3、DDR的信號(hào)測(cè)試

由于DDR 的信號(hào)速率很高,而且信號(hào)上同時(shí)存在讀、寫(xiě)、高阻態(tài)以及由于分叉引起的信號(hào)反射,為了進(jìn)行可靠的探測(cè),對(duì)于示波器和探頭的要求很高。對(duì)于DDR2 信號(hào)的測(cè)試,通常推薦的示波器和探頭的帶寬在4GHz，對(duì)于DDR3信號(hào)的測(cè)試通常推薦的示波器和探頭的帶寬在12.5GHz,DDR4 的示波器帶寬是16GHz或者更高。除了帶寬滿足要求以外,由于DDR2/3 信號(hào)信號(hào)電平擺幅一般不超過(guò) 1V,LPDDR2/3和DDR4的信號(hào)擺幅更低,信號(hào) bit 寬度很多都在ns甚至0.5ns以下。因此要進(jìn)行準(zhǔn)確的信號(hào)測(cè)量,需要示波器的底噪聲和固有抖動(dòng)都比小。JEDEC 規(guī)定了很多DDR 的參數(shù)，這些參數(shù)的測(cè)量都需要復(fù)雜的計(jì)算。如果這些測(cè)量全靠手工來(lái)做,非常耗時(shí)耗力,如果沒(méi)有相應(yīng)的自動(dòng)測(cè)試軟件配合,很多用戶要完成 DDR的手工測(cè)試一般需要好幾天的時(shí)間。

為了加快DDR信號(hào) 的測(cè)試，各大示波器廠商都提供了全自動(dòng)的DDR測(cè)試軟件，如keysight、Tektronix等。DDR軟件的使用相對(duì)比較簡(jiǎn)便，用戶只需要提示進(jìn)行參數(shù)配置和連接，然后運(yùn)行測(cè)試軟件即可。

圖：tek DDR測(cè)試解決方案

圖：keysight DDR4調(diào)試、測(cè)試解決方案

軟件運(yùn)行后，示波器會(huì)自動(dòng)設(shè)置時(shí)基、垂直增益、觸發(fā)等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果會(huì)匯總成一個(gè)html格式的測(cè)試報(bào)告，報(bào)告中列出了測(cè)試項(xiàng)目、是否通過(guò)、spec的要求、實(shí)測(cè)值、margin值等。

今天的文章寫(xiě)到這里，后續(xù)會(huì)介紹如何使用示波器進(jìn)行DDR信號(hào)的實(shí)測(cè)。