过孔STUB长，DDR信号“强”？

本帖最后由 edadoc 于 2022-5-16 17:29 编辑

作者：一博科技高速先生 姜 杰
Layout组有个雷工，大家叫他老雷，尽管画板多年阅板无数，但还是被SI同事给出的DDR4信号优化建议整懵圈了；SI组也有个雷工，大家叫他小雷，尽管初出茅庐时默默无闻，但是在他优化的这版一驱九DDR4稳定运行在3200Mbps后，他将被尊称为豹哥。
一驱九DDR4设计一直是行业公认的难点，尤其是板载颗粒的方案，当然，具体难度也因板而异。不幸的是，两位雷工这次遇到的是个硬骨头，不光是板载颗粒设计，还是个改板，之所以改板，原因很简单，之前的板子DDR4数据信号没有达到3200Mbps的预期速率。 客户反馈前一版本已经可以跑到2933Mbps， 改板的需求也很简单，就是能稳定运行到3200Mbps，毕竟，上一版离目标速率也就差那么一点点。

与客户的乐观不同，小雷觉得事情可能不像预期的那么容易。可以判断的是，上一版是裕量不足导致的marginal fail，问题是，从2933Mbps到3200Mbps，这点看似不起眼的裕量去哪找？
熟悉高速先生文章的朋友一定还记得，一驱多DDRX，难点往往不在速率较高的数据信号，而在于速率只有数据信号一半的地址控制类信号，原因这里再解释哈：数据信号一般都是点到点的拓扑，而且大多有片上端接（ODT），走线拓扑简单，又有端接，信号想跑不起来都难；地址控制类信号的处境就难多了，难就难在一驱多的走线拓扑对信号的影响太大，即便速率相比数据信号减半。


小雷也深知这一点，所以上一版数据信号跑不到3200Mbps，大概率是因为DDR4的地址控制类信号达不到1600Mbps，于是查板从此类信号入手，上一版的走线拓扑为Clamshell，看不懂单词没关系，画出来你就秒懂了：


对于空间受限的单板而言，一驱九DDR4选择这个拓扑也算合理。Clamshell拓扑可以认为是Flyby拓扑和T拓扑的组合，所以既有Flyby拓扑的特点，也就是近端颗粒的信号质量特别差；也有T拓扑的特点，近端的DRAM1和DRAM2一样差。小雷的仿真结果也验证了这一点，上一版近端颗粒的眼图（地址信号速率1600Mbps）确实在Pass和Fail的边缘疯狂试探，无怪乎压力测试速率总是差那么一点点。


令人沮丧的是，无论小雷如何调整Clamshell拓扑参数，近端颗粒的信号质量始终不见改善，看来前一版的设计也是下过功夫的。关键时刻，客户提供了另外一个信息：同样的主控芯片，在板载颗粒方案之前，有过DIMM条成功的案例，当时的DIMM条上的DDR颗粒采用Flyby拓扑，设计如下：


苦无良方的小雷决定照葫芦画瓢，让老雷把板载颗粒也改为Flyby拓扑试试，不过，由于单板空间不像DIMM条充足，板载DDR芯片需要双面布局，调整后的地址信号拓扑如下：


老雷不愧设计老炮儿，三下五除二把板子改了出来，除了因空间受限与DIMM条的布局无法做到一样，DDR信号的各段走线长度、阻抗控制都与DIMM条保持一致，还很贴心了调整了信号走线层，让过孔stub尽量短。
小雷查板之后相当满意，老雷得到认可后也很得意，甚至自信满满的与客户确定了投板日期，万事俱备，只欠仿真验证了。

调整为Flyby拓扑的板载颗粒方案仿真结果居然又翻车了，近端颗粒信号质量略有改善，但是仍没达到预期效果：


小雷迷茫了，目前的仿真结果显然无法支持数据信号稳定运行到3200Mbps。拓扑、走线、阻抗都控制的和DIMM一毛一样，为啥结果还差着一截？


一定是漏了什么？小雷对着DIMM条和板载设计的Flyby一点点的排查，功夫不负有心人，经过一整天的对比验证，终于发现了关键影响因素。最后给出的优化方案让老雷惊掉了下巴：调整主控芯片与近端颗粒之间走线的层面，控制过孔stub越长越好。


“都知道SI同事的套路深，没想到这么深。众所周知过孔stub越短越好，小雷为何这次却不走寻常路，偏偏要加长？！”老雷将信将疑，还是耐着性子按照小雷的要求调整走线层，过孔stub由调整前的35mil增加到94mil。不曾想，仿真结果再次颠覆了老雷的认知，近端颗粒的信号质量竟然鬼使神差的好了起来：


老雷心中疑云密布： “为什么会这样？难道以前的经验有错？”
小雷仿佛看透了老雷的想法，于是解释起来：“其实，一开始自己也是百思不得其解，后来从stub的特点切入，才慢慢有了眉目：过孔stub本质是一种能量泄放的通道，越是高频的能量受到的影响越大，因此，高速串行信号需要控制过孔stub尽量短，以避免能量损耗。但是，本项目的特殊之处在于主控芯片的驱动较强，加上一驱多拓扑的反射更容易在近端颗粒处积累，所以近端颗粒的信号质量就成了通道的瓶颈，增加近端颗粒的过孔stub长度能够很好的衰减高频分量，使主芯片输出的强度减弱，上升沿变缓，最终达到减少反射的目的，相应的，信号质量也得到了改善。不过，这也是一家之言，要深入理解这个现象还有待进一步的研究。”
“这是不是说所有DDRX的Flyby信号拓扑都要控制近端颗粒过孔stub尽量长呢？”老雷继续问道。
小雷沉吟半晌：“不是，增加过孔stub这种非常规操作需要慎用，这个项目这么做也是因为有仿真的验证。如果主控芯片的驱动本身比较弱，这时再增加过孔stub可能就适得其反了。”
老雷秒懂了：“所以，It depends！实在拿不准的还是要仿真。”
两人会心一笑，顺利投板。两个月以后，客户反馈了改板调试成功的消息，给这个项目画上了圆满的句号。

问题来了
大家接触过的DDRX最多拖了几个颗粒呢？地址信号采用什么拓扑？欢迎分享