【应用】Keysight Pathwave平台提供完整的DDR5仿真流程及解决方案

2020年2月6日，美光科技宣布交付全球首款量产的低功耗DDR5 DRAM 芯片，随后，三星S20系列和小米10系列手机先后发布，全新的LPDDR5内存成为两家的共同卖点之一，这也预示着DDR5的时代即将到来。今天我们就来聊一聊DDR5的发展过程，设计难题以及如何通过仿真来应对DDR5设计挑战。

本文主要目录：

01. DDR技术的发展历程

02. DDR5的出现，带来了哪些设计挑战？

03. 如何通过仿真及建模中的创新克服DDR5技术挑战

04. DDR5仿真解决方案

05. DDR5仿真实例

01. DDR技术的发展历程

在计算机和移动设备中，DDR是数据的缓冲区，CPU所需访问与处理的数据几乎都会经过这里。与此同时，除了暂存CPU运算数据，DDR还需要承担与外部储存器交互数据的使命。随着CPU处理能力的不断提高，对DDR的速度和容量的要求也在不断地提升。

从DDR的发展图中可以看到，DDR的传输速率在成倍提升，而其迭代速度也在不断加快。

如今，占据着主流市场的是从2014年底开始上市的DDR4。较低的工作电压以及最高可达4266MT/s的传输速率，使其达到前代DDR3三倍速率的同时，拥有更低的功耗。

但是，随着CPU的核数不断增多，内存的性能又将成为新的瓶颈。因此JEDEC协会早在2017年就开始和各大SDRAM厂商协作，着手起草DDR5标准，DDR5技术规范草案和LPDDR5的更新标准都已公布，不过至今还未推出正式版本。

目前而言，DDR5的最高速率预计可以达到8.4GT/s，是DDR4的两倍。同时，工作电压也从1.2V降低到了1.1V，这也意味着DDR5在性能提高的同时，进一步降低了功耗。

02. DDR5的出现，带来了哪些设计挑战？

DDR5的速率最高超过8.4GT/s，达到了前代DDR4最高速率的两倍。更高的速率，带来出色性能的同时，不可避免的提升了设计的困难。

挑战1：串扰(Crosstalk)

DDR信号较多，走线较为密集，随着信号速率的增加，传输线之间的串扰也会随之增加。此外，DDR颗粒的引脚布局，往往多个信号附近只有一个GND引脚，这就使得这些信号需要共用同一个返回路径，更加增加了相互干扰的风险。

在图中不难发现，单一传输线之间的串扰都在-25dB以下，这个是相对不错的结果。然而，即使如此，在观察眼图时可以发现，串扰较为严重地减小了眼图地张开程度。这就意味着，单独从单一传输线的串扰角度上，并不能确切的得到串扰真实造成的影响，这给设计过程中，带来了困难。

挑战2：抖动(Jitter)

除了串扰外，抖动也是不能被忽视的问题。

在上图可以看到，仅仅考虑随机抖动后，眼图的时间裕量就减小47%（27ps）。这意味着，如果忽视了抖动的影响，很容易对设计的质量的评估过优，最后造成实际产品的失败。

挑战3：码间干扰(ISI)及均衡(Equation)

由于传输线的频率选择特性，频率越高，传输线的插入损耗也会随之增加，信号的衰减和码间干扰的现象也会更加严重。

图中传输线在1.2GHz时插损约在-10dB左右，而上升到3.2GHz后，插损达到了-30dB。对比眼图可以发现，6.4Gbps时，由于ISI和衰减，眼图已经完全闭合。

为此，DDR5引入了可调增益以及判决反馈均衡器(DFE)，减小ISI对相邻bit的影响，用以改善眼图闭合的情况。

与SERDES中使用的DFE不同的是，在SERDES中，DFE的时钟信息可以由信号本身通过时钟恢复获得。而在DDR5中，由于DQ信号是通过DQS信号触发的，所以需要将DQS作为时钟信号，加入到DFE中去。最后形成的是双输入，单输出的DFE。

挑战4：测试方法

低误码率：

在DDR5的协议草案中，要求在测试时系统的误码率要在10e-16以下，及最少需要5.3e9个UI，才能保证99.5%的置信水平。无论是在测试，还是仿真中，如此多的bit数都需要花费大量的时间。

虚拟探针：

由于DDR5引入了均衡器，所以最终的接受信号是经过均衡后的得到的结果。但是在测试时，往往只能直接测量到芯片BGA封装上的信号波形。所以，需要通过软件仿真或推测模拟出封装以及均衡器的影响，再通过一个虚拟探针，获得最后的波形进行分析。

Loop-back模式：

在DDR5芯片中，有一个RCD接口，可以将最后经过均衡处理的数据输出。测试时可以利用这个接口，将输入的信号与最后RCD 接口输出的信号进行对比，获得整个系统的误码率。

03. 如何通过仿真及建模中的创新克服DDR5技术挑战

相对于测试而言，仿真能在较前期对设计进行评估，帮助工程师及时优化设计。这对减少产品风险以及因迭代优化产生的时间和成本有很大的帮助。同时，由于仿真允许在电路的任意节点检测信号质量，也不存在DDR5测试过程中无法直接测量到均衡后信号的问题。

同时，针对DDR5这样一个新的协议规则，在仿真中也必须要针对之前提到的一些挑战做出一些创新。

通道仿真

正如上文提到的，DDR5协议草案中，有低误码率的要求。如果使用传统的瞬态算法，就需要将5.3e9个bit逐一卷积计算，这将花费大量的时间，与仿真尽早，快速评估设计的初衷不符，也往往很难实现。 

为此，在DDR5的仿真中，就必须使用类似于广泛应用于SERDES仿真当中的通道仿真技术。

传统适用于SERDES的通道仿真分成两种模式，其一是逐bit模式(bit-by-bit)，这种方式会得到单个bit的阶跃响应，在通过仿真器根据输入的bit序列，将对应的阶跃响应进行叠加。而另一种则是统计模式(statistical)，即整个系统的响应，包括抖动，串扰，均衡等，都是基于单个bit的阶跃响应，根据概率密度分布结果，经过数据后处理获得。

由于DDR信号多为单端信号，与SERDES的差分信号不同。因此，应用在DDR上的通道仿真技术，还需要有一些改动。

首先是通道仿真技术所需要的阶跃响应。差分信号的上升沿与下降沿是对称的，因此只需要获得单一的阶跃响应进行通道仿真。而对于单端信号而言，上升时间和下降时间不再相同，这就意味着需要同时获得上升和下降两个阶跃响应，同时，仿真器需要在信号上升和下降时使用对应阶跃响应进行计算。

其次是时钟问题。SERDES信号往往是通过时钟恢复电路(CDR)，从信号本身恢复出时钟信号。而DDR则不同，DQ信号由DQS信号触发。这就需要仿真器具有时钟触发的功能。否则，如果依旧使用DQ信号本身进行时钟恢复的话，会造成时域的偏移。下图中，红色部分为DQ时钟恢复后结果，蓝色为DQ由DQS触发后的结果。可以看到，两个结果在时间上存在一个偏移量。

最后是关于DDR的write-leveling功能。Write-leveling允许设备调整ClK信号与DQS信号之间的时间差。如果仿真器不能实现这个功能，会带来不必要的调整。

在这里需要注意的是，如果需要使用Rx端DFE的自适应模式，必须在bit-by-bit模式下进行仿真。而statistical模式下，只支持固定抽头系数的仿真。

所以，如果需要仿真自适应DFE下的低误码率结果，可以首先使用bit-by-bit模式仿真足够长的比特数，得到稳定的DFE系数。再使用statistical模式，读入之前的抽头系数进行仿真。

在ADS2015中，基于通道仿真技术改进而来的DDR BUS仿真器就已经被应用到DDR仿真中，并在更新中不断完善，以应对DDR5仿真带来的挑战。

IBIS-AMI模型

在前代的DDR仿真中，IBIS模型已经得到了广泛的应用。而DDR5与之前协议的一个很大的差别，就是需要在Rx使用可调增益和DFE的均衡方式对接收到的数据进行处理。这就给了IBIS-AMI模型发挥的舞台。

IBIS-AMI模型不仅可以在保护IP的前提下满足各种均衡的需要，而且作为一个通用模型，能在各种工具中进行使用。

当然，虽然IBIS-AMI模型已经在SERDES信号中被广泛使用。但是这毕竟是第一次应用在单端信号中，有一些部分需要改进。

首先是直流偏置的问题。差分信号不存在直流偏置，因此在使用单端的IBIS-AMI模型进行均衡计算时，直流偏置必须可以通过算法解决。

第二点便是DQS提供时钟信号的问题了。在前文中介绍过，DDR5的DFE均衡需要DQS提供时钟信号。这就意味着，DDR5的IBIS-AMI模型，不仅需要有DQ信号的输入端，还需要DQS信号的输入，才能恢复出符合要求的信号。

在ADS2020 Update1中，Memory Designer已经支持IBIS-AMI模型在DDR5仿真中的应用，可以使用IBIS-AMI模型对于DDR5的均衡效果进行仿真。

04. DDR5仿真解决方案

针对之前提到的所有挑战与创新，如上表所示，KEYSIGHT Pathwave平台的SystemVue，ADS Memory Designer以及ADS SIPro提供了完整的解决方案。(以下案例中使用了Intel提供的IBIS-AMI模型)

SystemVue

SystemVue是一款被广泛应用于AMI建模的软件。用户可以使用SystemVue中包含的通用算法模块，快速的构建所需的均衡模型，同时完成AMI模型的编译和仿真验证。将原来可能需要花费一整年的AMI建模周期缩短到原有的四分之一。

首先，针对直流偏置，在BIRD197.7中，引入了一个新的参数DC_Offset来表示直流偏置。该参数作为一个固定值由EDA软件定义。在处理波形时，就将DQ信号的直流分量进行抵消，从而保证进入Rx均衡算法中的是中心电压为0V的波形。

在另一方面，针对DQ信号的DFE需要以DQS作为时钟的问题，Keysight与Intel协作，一同提出了一个新的双输入单输出的时域波形处理(getwave)函数long AMI_GetWave2()。使用该函数处理时域波形时，可以同时考虑DQ和DQS的输入。保证在DFE均衡的时候，能够从DQS中获取时钟信号进行计算。

Keysight Pathwave SystemVue可以提供完整的DDR5 AMI 建模解决方案，同时也是唯一一个能够提供long AMI_GetWave2() 以支持DQ和DQS双输入的建模工具。

ADS SIPro

ADS SIPro是一款专用于PCB仿真的EM仿真工具。针对引脚众多的DDR信号，SIPro中内置了DDR设置向导，可以帮助用户快速进行DDR仿真设置。

用户只需要选择控制器及内存模块，相应的网络就会由软件自动筛选提取。用户勾选需要仿真的网络名后，对应的仿真设置便会自动生成。整个过程只需要一分钟左右的时间。

此外，SIPro可以快速准确的提取PCB信号的S参数，可信频率高达40GHz。对于DDR中常见的共用返回路径的情况，SIPro通过算法识别过孔区域，使用三维电磁场算法FEM，精确提取由此产生的串扰，保证仿真精度。

Memory Designer

ADS Memory Designer是ADS中专门针对DDR仿真定制的组件。其目的就是减小DDR仿真的复杂度，同时保证DDR仿真的效率和精度。

另一方面，基于Keysight成熟的通道仿真算法，DDR BUS仿真器可以根据AMI模型中的均衡算法，对信号进行均衡，同时可以准确预测在低误码率情况下的抖动对信号的影响。在下图中也可以发现，当DQ与DQS存在时间差时，会造成眼图的偏移。

05. DDR5仿真实例

图中显示了在ADS Memory Designer环境中DDR5基本的仿真结构，所有信号以总线形式连接，设置过程只需要短短几分钟。其中控制器和内存模块都使用了IBIS-AMI模型，并且允许对AMI模型中的参数进行编辑。

图中显示了DDR5在ADS Memory Designer 中的仿真结果。可以发现，经过AMI模型中均衡算法处理的DQ信号，眼图张开程度明显增加。

以上介绍了DDR5带来的挑战，以及为了应对这些挑战，Keysight Pathwave做出的创新与应对。