从DDR4过渡DDR5 DIMM缓冲芯片组

shuszhao · 发表于 2019-1-30 13:25:21

服务器和系统设计人员正摩拳擦掌地为其新一代设计做准备，即将从DDR4过渡到DDR5服务器双列直插内存模块(DIMM)缓冲芯片组。其中最重要的考虑涉及一些重大的规格变化。预计设计人员将专注于推动服务器设计进展的六项重大转变。
DDR的一些关键变化带来了新的设计挑战。然而，聪明的设计人员将利用这一过渡时期预先确定理想的解决方案......

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服务器和系统设计人员正摩拳擦掌地为其新一代设计做准备，即将从DDR4过渡到DDR5服务器双列直插内存模块(DIMM)缓冲芯片组。其中最重要的考虑涉及一些重大的规格变化。预计设计人员将专注于推动服务器设计进展的六项重大转变(见表1)。

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表1：DDR5的主要变化（来源：Rambus）

这些变革包括数据与时钟速率、VDD(即器件内部工作电压)、电源架构、信道架构、突发长度以及改善对于更高容量DRAM的支持。这些新的变化也带来了特殊的设计考虑。

主要的变化
DDR4缓冲芯片的最高数据速率为3,200兆次传输每秒(MT/s)，时钟速率为1.6GHz。DDR5则从低端的3,200MT/s速度开始，并迅速达到6400MT/s的数据速率和3.2GHz的时钟速率，甚至还在讨论超越此规格的更快传输速度。因此，速度显著提高，随之而来的就是设计挑战。

VDD或工作电压是服务器和系统设计人员将会面对的第二项重大变化。在此，DRAM和缓冲芯片寄存时钟驱动器(RCD)将从1.2V降低到1.1V。这将有助于节省功耗。然而，它也会对DIMM的设计带来一些挑战。

因为VDD较低，所以还必须关注于抗噪声能力以及VDD噪声。信号容限将会变得更小，因为您现在使用的是1.1V供电而非1.2V；因此，您必须具有良好的DIMM设计以及辨识信号噪声的能力。

电源架构是第三项主要的变化。在DIMM上面将配置一个12V的电源管理IC(PMIC)，能够更有效地控制系统的电源负载。将PMIC供电电压降至1.1V，也有助于提高信号完整性以及发现噪声，因为您可以在DIMM更有效地控制电源。

新的DIMM通道架构可能是DDR5的主要功能之一，这就是第四项主要变化。DDR4缓冲芯片DIMM具有72位总线，由64个数据位和8个ECC字节成。DDR5的每个DIMM都将会有2个通道，但每个都是32位加上8个ECC位，成为2个40位的信道，这和DDR4支持1个72位信道的设计也不相同。

但这将有助于高效率。它还使得DIMM设计更加对称，因为来自每通道的DIMM左侧和右侧共享RCD。现在，服务器和系统设计人员在RCD每一侧的每个通道上都有5个8位信道。因此，现在有了2个DIMM通道但只有一个RCD，而且一共有两组输出，分别位于A侧和B侧。

这种新的信道架构添加了其他功能以提升性能。在DDR4中，DIMM的每一侧都有 2个来自RCD的输出时钟；而在DDR5，每一侧都将会有4个输出时钟。这为每个通道提供了一个独立的时钟，有助于提高时钟信号的信号完整性。

第五个主要变化是突发长度。DDR4的突发长度为8，突发突变长度为4。至于DDR5，其突发长度和突发突变都将再进一步扩展以增加突发有效载荷，即使使用更窄的信道(32位vs 64位)。因为每个DIMM将会有2个通道具有相同或更大的突发有效负载，因而将提高内存效率。

DDR5的第六个变化在于改善对更高容量DRAM的支持。使用DDR5缓冲芯片DIMM，服务器或系统设计人员可以在单芯片封装中使用高达32Gb的DRAM。 DDR4目前在单芯片封装中的最大输出功率为16Gb。DDR5将可支持片上ECC、误差透明模式、封装后修复以及读写CRC模式等功能，以支持更高容量的DRAM。

需要考虑的要点
这些新的变化带来了因应DDR5更高时钟速度的一些设计考虑，因而也引发了新一轮的信号完整性挑战。您需要确保主板和DIMM能够因应更高的信号速度。此外，在执行系统级仿真时，还必须确定能够确保在所有DRAM位置的信号完整性。

好消息是DDR5缓冲芯片改善了从主机内存控制器发送命令和地址信号到DIMM的信号完整性。如图1所示，发送到2个信道中每个信道的命令地址(CA)总线都转到RCD，然后扇出到DIMM的两侧。RCD有效地减少了主机内存控制器的CA总线负载。

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图1：2个信道中每信道的CA总线转到RCD，然后扇出到DIMM的两侧（来源：Rambus）

针对DDR4设计，由于较少注意低速CA总线，使其主要的信号完整性挑战在于双数据速率DQ总线。至于DDR5设计，即使CA总线也需要特别注意信号完整性。在DDR4，考虑使用决策反馈等化(DFE)作用来改善DQ数据信道。但对于DDR5，RCD的CA总线接收器也需要DFE选项，以确保良好的信号接收。

主板上的电力传输网络(PDN)则是另一项考虑因素，它包括带有PMIC的DIMM。考虑到更高的时钟和数据速率，您必须确定PDN能够以更高速度处理执行负载、具有良好的信号完整性，而且能为DIMM提供理想的电源。

从主板到DIMM的DIMM连接器还必须能够处理新的时钟和数据速率。对于系统设计人员而言，在印制电路板(pcb)周围的更高时钟速度和数据速率，更加重视电磁干扰和兼容性(EMI和EMC)的系统设计。随着速度提高致使布局更具挑战性，您必须确定可以设计最终能通过标准要求。

结论
聪明的服务器和系统设计人员将在此过渡时期仔细分析DDR5服务器DIMM缓冲芯片组所带来的设计变化。相较于DDR4，这些变化和挑战的最前线就是更高的速度。高速主板和DIMM可能需要采用新材料。此外，还必须考虑到电源层布线，以进一步改善EMI和EMC特性。

再者，随着CA总线的速度提高，您还必须确定缓冲芯片(DIMM上的RCD)支持适当的DFE功能，确保以这些速率处理CA总线而不至于出错，并使系统正常运作。