芯耀輝軟硬結(jié)合的智能DDR PHY訓(xùn)練技術(shù)

引言

DDR接口速率越來越高，每一代產(chǎn)品都在挑戰(zhàn)工藝的極限，對(duì)DDR PHY的訓(xùn)練要求也越來越嚴(yán)格。本文從新銳IP企業(yè)芯耀輝的角度，談?wù)凞DR PHY訓(xùn)練所面臨的挑戰(zhàn)，介紹芯耀輝DDR PHY訓(xùn)練的主要過程和優(yōu)勢，解釋了芯耀輝如何解決DDR PHY訓(xùn)練中的問題。

DDR PHY訓(xùn)練簡介

高可靠性是系統(tǒng)級(jí)芯片SoC重要的質(zhì)量和性能要求之一。SoC的復(fù)雜在于各個(gè)IP模塊都對(duì)其產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。從芯耀輝長期服務(wù)客戶的經(jīng)驗(yàn)來看，在客戶的SoC設(shè)計(jì)中，訪問DDR SDRAM是常見的需求，所以DDR PHY則成為了一個(gè)非常關(guān)鍵的IP，其能否穩(wěn)定可靠的工作決定了整個(gè)SoC芯片的質(zhì)量和可靠性。

制定DDR協(xié)議的固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)（JEDEC）標(biāo)準(zhǔn)組織并沒有在規(guī)范中要求動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）需要具備調(diào)整輸入輸出信號(hào)延時(shí)的能力，于是通常DDR PHY就承擔(dān)起了輸入和輸出兩個(gè)方向的延時(shí)調(diào)整工作，這個(gè)調(diào)整的過程稱為訓(xùn)練（training）。訓(xùn)練是為了使DDR PHY輸出信號(hào)能符合固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，DDR PHY通過調(diào)節(jié)發(fā)送端的延遲線（delay line），讓DRAM顆粒能在接收端順利地采樣到控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)；相對(duì)應(yīng)的，在DDR PHY端，通過調(diào)整內(nèi)部接收端的延遲線，讓DDR PHY能順利地采樣到DRAM顆粒的輸出信號(hào)。從而在讀寫兩個(gè)方向，DDR接口都能穩(wěn)定可靠地工作。

圖1 DDR PHY承擔(dān)了輸入和輸出兩個(gè)方向的延時(shí)調(diào)整工作

然而，隨著DDR工作頻率提高，DDR PHY訓(xùn)練的準(zhǔn)確性和精度要求也隨之提高。訓(xùn)練的準(zhǔn)確性和精度決定了DDR系統(tǒng)能否穩(wěn)定可靠地工作在較高的頻率。

DDR PHY訓(xùn)練所面臨的挑戰(zhàn)

DDR訓(xùn)練的種類繁多，每個(gè)訓(xùn)練的結(jié)果都不能出錯(cuò)。同時(shí)固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)定義的訓(xùn)練序列都比較單一，如果只使用這些默認(rèn)序列的話，訓(xùn)練結(jié)果在實(shí)際工作中并不是一個(gè)最優(yōu)值。

目前絕大多數(shù)DDR PHY都采用硬件訓(xùn)練的方式，如果硬件算法有問題，會(huì)導(dǎo)致訓(xùn)練出錯(cuò)，DDR無法正常穩(wěn)定地工作，導(dǎo)致整個(gè)SoC的失敗。同時(shí)，硬件訓(xùn)練模式很難支持復(fù)雜的訓(xùn)練序列和訓(xùn)練算法，從而無法得到訓(xùn)練結(jié)果的最優(yōu)解。

芯耀輝的DDR PHY采用軟硬件結(jié)合的固件（firmware）訓(xùn)練方式跳出了上述DDR PHY訓(xùn)練模式的固定思維。

芯耀輝DDR PHY在訓(xùn)練上的優(yōu)勢

解決寫入均衡（write leveling）的難題

寫入均衡是為了計(jì)算出flyby結(jié)構(gòu)下命令通路和數(shù)據(jù)通路的走線延遲的差值，在DDR PHY中把這個(gè)差值補(bǔ)償?shù)綌?shù)據(jù)通路上，從而最終讓數(shù)據(jù)通路和命令通路的延遲達(dá)到一致。

圖2 DDR flyby拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

在實(shí)際的應(yīng)用中，命令（command）路徑上的延時(shí)會(huì)超過數(shù)據(jù)（DQ）路徑的延時(shí)。假設(shè)路徑差值 = 命令路徑延時(shí) – 數(shù)據(jù)路徑延時(shí)，一般路徑差值在0～5個(gè)時(shí)鐘周期之間?？梢园崖窂讲钪捣譃檎麛?shù)部分和小數(shù)部分（單位是0.5個(gè)時(shí)鐘周期）。

圖3 命令路徑延時(shí)、數(shù)據(jù)路徑延時(shí)和路徑差值

根據(jù)固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（如JESD79-4C）的寫入均衡的要求，DRAM在寫入均衡模式下會(huì)用DDR PHY發(fā)送過來的DQS沿去采樣CK，并把采樣的值通過DQ返回給DDR PHY。

圖4 寫入均衡模式下調(diào)整DQS時(shí)延的示意圖

通過該訓(xùn)練，DDR PHY可以計(jì)算出命令與數(shù)據(jù)路徑延時(shí)差值的小數(shù)部分，卻沒有辦法訓(xùn)練出命令與數(shù)據(jù)路徑延時(shí)差值的整數(shù)部分（把DQS多延遲一個(gè)時(shí)鐘周期或者少延遲一個(gè)時(shí)鐘周期，用DQS采樣CK的采樣值是相同的）。

為了解決這個(gè)問題，通常會(huì)根據(jù)版圖設(shè)計(jì)估算出大概的路徑差值，從而自行得到路徑差值的整數(shù)部分，直接配置到DDR PHY的寄存器中。這種做法在頻率比較低、量產(chǎn)一致性比較好的時(shí)候問題不大。但在大規(guī)模量產(chǎn)的時(shí)候，如果平臺(tái)之間的不一致性超過一個(gè)時(shí)鐘周期（LPDDR4最高頻下周期為468ps）的話，上述直接配置整數(shù)部分的方法就沒法進(jìn)行工作了，必然會(huì)導(dǎo)致部分芯片無法正常工作。

芯耀輝采用固件的訓(xùn)練方式，通過DDR寫操作時(shí)特殊調(diào)節(jié)方法，能夠幫助客戶計(jì)算出路徑差值整數(shù)加小數(shù)部分，無需客戶根據(jù)版圖設(shè)計(jì)估算路徑差值范圍。

圖5 路徑差值整數(shù)部分訓(xùn)練和小數(shù)部分訓(xùn)練

過濾訓(xùn)練時(shí)DQS的高阻態(tài)

讀操作時(shí)，DQS信號(hào)在前導(dǎo)（preamble）前是高阻態(tài)，同時(shí)DQS信號(hào)的前導(dǎo)部分也不能達(dá)到最穩(wěn)定的狀態(tài)，所以需要訓(xùn)練出讀DQS的gate信號(hào)來過濾掉前面的高阻態(tài)和前導(dǎo)，恰好得到整個(gè)讀突發(fā)（Read Burst）操作的有效DQS，這就是讀DQS gate訓(xùn)練。

芯耀輝采用特定的方法，在訓(xùn)練的時(shí)候，排除不穩(wěn)定DQS的干擾，用讀DQS的gate信號(hào)得到讀突發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的第一個(gè)DQS的上升沿位置，從而得到gate的位置。

圖6 讀DQS gate訓(xùn)練

延遲DQS提高讀DQ訓(xùn)練的準(zhǔn)確性

一般在DDR PHY中沒有這個(gè)訓(xùn)練，因?yàn)樵撚?xùn)練不是固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)要求的，可是在實(shí)際應(yīng)用中，這個(gè)訓(xùn)練卻有著比較重要的意義。

圖7 LPDDR4突發(fā)讀（來源固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)JESD209-4B）

讀DQS和讀DQ之間的偏差為tDQSQ，這個(gè)值的范圍是0~0.18UI（在高頻下約為0~42ps）。讀訓(xùn)練的時(shí)候，采用延遲DQS的方法，找到DQ的左右窗口，最后把DQS放在DQ窗口的中心點(diǎn)。由于DDR PHY內(nèi)部的DQS-DQ延遲偏差、封裝的pad延遲偏差、以及PCB走線偏差，雖然DRAM端輸出的tDQSQ為正數(shù)（DQ的延遲比DQS大），但在DDR PHY內(nèi)部看到的tDQSQ卻可能為負(fù)數(shù)（DDR PHY內(nèi)部DQS的延遲比DQ大），如圖8上半部分所示。

在這種情況下，即使DQS的延遲為0，DQS也落在DQ的窗口內(nèi)，PHY內(nèi)部會(huì)通過從0延遲開始增加DQS的延遲來搜索DQ的左右窗口，這樣必然導(dǎo)致最終搜索到的DQ的窗口比實(shí)際的窗口要小，讀訓(xùn)練后的DQS的采樣點(diǎn)不在DQ的正中間，而在偏右的位置，最終讀余量（margin）變小。

芯耀輝通過特定的方法，能讓每個(gè)DQ的窗口都在DQS右邊，這樣做讀訓(xùn)練的時(shí)候，可以搜索到DQ的完整窗口，提高了讀訓(xùn)練的準(zhǔn)確性，提升DDR的讀性能。

圖8 Read DQ skew training

用固件的訓(xùn)練方法獲取讀數(shù)據(jù)眼圖（Read data eye）的優(yōu)化值

讀數(shù)據(jù)眼圖訓(xùn)練通過延遲讀DQS的方法，把讀DQS放在DQ窗口的中間。目前最大的問題是固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)讀數(shù)據(jù)眼圖的讀序列定義的比較簡單，比如對(duì)于DDR4，定義的序列是01010101的固定序列。因?yàn)楦咚傩盘?hào)的符號(hào)間干擾以及信號(hào)反射，在不同的讀序列的情況下DQ窗口是有差異的，所以采用簡單固定的序列并不能很好地覆蓋實(shí)際的使用場景，導(dǎo)致訓(xùn)練結(jié)果在實(shí)際工作時(shí)并不是一個(gè)優(yōu)化值。

芯耀輝采用固件的訓(xùn)練方法，可以設(shè)置不同的范式（pattern），如PRBS范式、特殊設(shè)計(jì)的掃頻范式等。顯然此類范式能更好地反映數(shù)據(jù)通道的特性，因?yàn)樗烁哳l、中頻、低頻信息，以及長0和長1帶來的碼間串?dāng)_等問題，可以獲得較優(yōu)的訓(xùn)練結(jié)果，從而得到一個(gè)能覆蓋實(shí)際工作場景的可靠值。

二維訓(xùn)練模式下優(yōu)化的參考電壓（Vref）電壓和地址線（CA）延遲

LPDDR3中引入了地址線訓(xùn)練，DRAM把采樣到的地址信號(hào)通過數(shù)據(jù)通路反饋給DDR PHY，DDR PHY可以通過這個(gè)反饋去調(diào)節(jié)地址線的延遲。在LPDDR4中，還加入了地址線參考電壓的訓(xùn)練，所以不僅需要調(diào)節(jié)地址線的延遲，還需要找到一個(gè)最優(yōu)的參考電壓值。傳統(tǒng)使用硬件訓(xùn)練的方式在面對(duì)這種兩個(gè)維度的訓(xùn)練時(shí)就會(huì)顯得捉襟見肘，同時(shí)硬件算法也沒法做得太復(fù)雜。

芯耀輝采用固件的二維訓(xùn)練模式，可以繪制出完整的以地址線延遲為橫坐標(biāo)和以參考電壓為縱坐標(biāo)的二維圖像，從而得到較優(yōu)的參考電壓和對(duì)應(yīng)的地址線延遲。

二維訓(xùn)練模式下優(yōu)化的DQ參考電壓和DQ延遲

DDR4的固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)中引入了DQ參考電壓，可是對(duì)于如何訓(xùn)練并沒有給出說明和支持，所以大多數(shù)DDR PHY并不支持DDR4的DQ參考電壓訓(xùn)練，只能配置一個(gè)固定參考電壓值。

LPDDR4的固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)增加了寫DQS-DQ訓(xùn)練（調(diào)整寫DQ相對(duì)于寫DQS的相位）和DQ參考電壓訓(xùn)練協(xié)議上的支持。

芯耀輝采用固件的方式，不僅支持了DDR4的DQ參考電壓訓(xùn)練，同時(shí)對(duì)于LPDDR4的寫DQS-DQ和DQ參考電壓訓(xùn)練，也采用了固件的二維訓(xùn)練模式，繪制出完整的以DQ延遲為橫坐標(biāo)和以DQ參考電壓為縱坐標(biāo)的二維圖像，在整個(gè)二維圖像中找到較優(yōu)的DQ參考電壓和對(duì)應(yīng)的DQ延遲。

總結(jié)

隨著工藝節(jié)點(diǎn)的提升和DDR顆粒技術(shù)的演進(jìn)，DDR的工作頻率越來越高，DDR顆粒的訓(xùn)練要求也越來越高。同時(shí)對(duì)于DDR PHY來說，內(nèi)部的模擬電路（FFE，DFE等）隨著頻率的提升也需要做各種高精度的訓(xùn)練。芯耀輝采用軟硬結(jié)合的智能訓(xùn)練方法不僅可以支持DDR顆粒的各種必要的復(fù)雜訓(xùn)練，也同時(shí)可以支持DDR PHY內(nèi)部模擬電路的各種訓(xùn)練。通過不斷優(yōu)化訓(xùn)練算法，持續(xù)挑戰(zhàn)每一代DDR產(chǎn)品的速率極限。

百尺竿頭，更進(jìn)一步，芯耀輝人必將以提供高性能的接口類IP，高品質(zhì)的設(shè)計(jì)服務(wù)為己任，奮發(fā)圖強(qiáng)，攜手廣大芯片設(shè)計(jì)公司推出更優(yōu)秀的產(chǎn)品，助力中國芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。