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在人工智能（AI）、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）和數(shù)據(jù)挖掘的狂潮中，我們對(duì)數(shù)據(jù)處理的渴求呈現(xiàn)出前所未有的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。面對(duì)這種前景，內(nèi)存帶寬成了數(shù)字時(shí)代的關(guān)鍵“動(dòng)脈”。其中，以雙倍數(shù)據(jù)傳輸速率和更高的帶寬而聞名的 DDR（Double Data Rate）技術(shù)作為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）的重要演進(jìn)，極大地推動(dòng)了計(jì)算機(jī)性能的提升。從 2000 年第一代 DDR 技術(shù)誕生，到 2020 年 DDR5，每一代 DDR 技術(shù)在帶寬、性能和功耗等各個(gè)方面都實(shí)現(xiàn)了顯著的進(jìn)步。
如今，無(wú)論是 PC、筆電還是人工智能，各行業(yè)正在加速向 DDR5 新紀(jì)元邁進(jìn)。今年，生成式 AI 市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，用于大型模型應(yīng)用的 AI 服務(wù)器大力推動(dòng)了對(duì) DDR5 的需求。隨著內(nèi)存市場(chǎng)需求的回暖，內(nèi)存芯片供應(yīng)商們已著手在今年第 4 季度全面拉高 DDR5 產(chǎn)能，逐步取代現(xiàn)今的 DDR4。
DDR5 的新時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，然而，一些挑戰(zhàn)也阻礙了產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。
DDR5 時(shí)代：超高速性能背后的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
2020 年 7 月，DDR5 內(nèi)存技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，標(biāo)志著內(nèi)存技術(shù)開(kāi)啟了新的篇章。DDR5 以更高的帶寬和性能吸引了廣泛的關(guān)注。與之前的 DDR4 相比，DDR5 的最大優(yōu)勢(shì)在于它顯著降低了功耗，同時(shí)將帶寬提升了一倍。具體來(lái)看，DDR5 當(dāng)前發(fā)布協(xié)議的最高速率已達(dá) 6.4Gbps，其時(shí)鐘頻率也從 1.6GHz 增加到了 3.2GHz。
當(dāng)我們深入探究 DDR5 的更多細(xì)節(jié)時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)這一新技術(shù)帶來(lái)了一些額外的技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，DDR5 的電源電壓相較于 DDR4 的 1.2V 降低了 0.1V，達(dá)到了 1.1V，雖然較低的電源電壓降低了功耗并延長(zhǎng)了電池壽命，但同時(shí)也帶來(lái)了一些技術(shù)挑戰(zhàn)，比如更容易受到噪聲的干擾，這使得信號(hào)完整性變得更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樾盘?hào)開(kāi)關(guān)時(shí)電壓之間的噪聲余量更少，并可能會(huì)因此影響到設(shè)計(jì)。
DDR5 的另一個(gè)重大變化是，與 DDR4 的電源管理芯片（PMIC）集成在主板上的方式不同，DDR5 將電源管理 IC（PMIC）從主板上轉(zhuǎn)移到了雙列直插式內(nèi)存模塊（DIMM）上。這使得電源管理、電壓調(diào)節(jié)和上電順序在物理上更接近模塊上的存儲(chǔ)器件，這也有助于確保電源完整性（PI），并增強(qiáng)對(duì) PMIC 運(yùn)行方式的控制。
此外，在數(shù)據(jù)位總數(shù)保持不變的情況下，DIMM 的通道數(shù)從 1 個(gè)通道增加到 2 個(gè)通道也是一個(gè)重要的進(jìn)步，通過(guò)將數(shù)據(jù)分成兩個(gè)較窄的通道傳輸，可以更有效地生成和分配時(shí)鐘信號(hào)，從而來(lái)改善信號(hào)完整性。
顯然，DDR5 標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)也考慮到了信號(hào)完整性問(wèn)題，將 PMIC 轉(zhuǎn)移到模塊中也會(huì)發(fā)揮相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。然而，設(shè)計(jì)人員仍然需要考慮兼顧電源影響的信號(hào)完整性的整體效應(yīng)。如上文所述，DDR5 具有高達(dá) 6.4Gbps 的數(shù)據(jù)速率和 3.2GHz 系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，電源噪聲在這種高速操作中可能會(huì)引發(fā)更明顯的問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性造成影響。如果分別進(jìn)行電源完整性和信號(hào)完整性分析，就可能會(huì)遺漏電源噪聲引起的問(wèn)題。
因此，要想充分發(fā)揮 DDR5 的性能，必須在系統(tǒng)的所有關(guān)鍵點(diǎn)包括芯片、封裝和 PCB 進(jìn)行兼顧電源影響的信號(hào)完整性分析。但是，進(jìn)行這種層面的分析是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，它對(duì)底層計(jì)算平臺(tái)如用于仿真分析的硬件、軟件工具都有很高的要求，也會(huì)使得總體的設(shè)計(jì)時(shí)間變得更長(zhǎng)，增加了設(shè)計(jì)的難度和復(fù)雜性。
充分釋放 DDR5 的潛力，Cadence 的妙計(jì)
早在 2005 年，“兼顧電源影響”這一概念首次亮相，它是一種能夠同時(shí)分析信號(hào)與電源噪聲的先進(jìn)信號(hào)完整性仿真方法（圖 1）。兼顧電源影響的信號(hào)完整性解決方案必須考慮反射、串?dāng)_、時(shí)序和其他效應(yīng)，并配備相應(yīng)的仿真和規(guī)則檢查技術(shù)。值得注意的是，要想有效地實(shí)施兼顧電源影響的信號(hào)完整性仿真，需要在規(guī)則檢查和布線(xiàn)后的分析階段進(jìn)行，因?yàn)槠矫婧托盘?hào)的相互作用/耦合發(fā)生在布線(xiàn)完成之后。
因此，一個(gè)完整的兼顧電源影響的解決方案往往需要提供：
l 一套針對(duì)信號(hào)衰減和電源對(duì)信號(hào)的影響的快速檢查方案
l 能夠模擬大型電路的時(shí)域仿真器（多個(gè)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)和電源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果）
l 電源網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的建模
l 高級(jí)輸入/輸出（I/O）緩沖器建模
圖 1：兼顧電源影響的信號(hào)完整性仿真結(jié)果
盡管市場(chǎng)上的許多工具都支持基本的兼顧電源影響的 I/O 建模標(biāo)準(zhǔn)，不過(guò)，隨著內(nèi)存接口技術(shù)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)信號(hào)完整性工具的要求也日益嚴(yán)格，能實(shí)現(xiàn)在芯片、封裝和 PCB 上的耦合信號(hào)、電源和接地信號(hào)的準(zhǔn)確提取的工具卻是鳳毛麟角。
在這方面，作為電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）仿真領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，Cadence 推出的 Sigrity X 技術(shù)則是針對(duì) DDR4 和 DDR5 提供了真正的兼顧電源影響的信號(hào)完整性分析。
Sigrity X 技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了芯片、封裝和 PCB 上的耦合信號(hào)、電源和接地信號(hào)的精確提取，還能同時(shí)針對(duì)反射、損耗、串?dāng)_和同步開(kāi)關(guān)輸出（SSO）效應(yīng)進(jìn)行高效仿真。采用 Sigrity 技術(shù)的設(shè)計(jì)人員能迅速將晶體管級(jí)模型轉(zhuǎn)換為考慮電源影響的行為級(jí) IBIS 模型，從而在幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)就能提供精準(zhǔn)、高效且全面考慮電源影響的仿真，大大縮短了原本需要數(shù)天的設(shè)計(jì)周期。（圖 2）
圖 2：用于 PCB 和 IC 封裝的 Cadence 信號(hào)完整性和電源完整性工具
Sigrity X 技術(shù)簡(jiǎn)化了工作流程，提供設(shè)計(jì)同步快速仿真和用于最終驗(yàn)證的簽核級(jí)準(zhǔn)確度。信號(hào)、功率和熱問(wèn)題可以在每個(gè)設(shè)計(jì)階段予以解決，從而降低了設(shè)計(jì)和分析團(tuán)隊(duì)間的迭代次數(shù)。設(shè)計(jì)人員可以在設(shè)計(jì)畫(huà)布內(nèi)運(yùn)行簽核級(jí)引擎來(lái)進(jìn)行高精度的仿真，從而提供高質(zhì)量的設(shè)計(jì)，供分析團(tuán)隊(duì)進(jìn)行驗(yàn)證。之后，分析團(tuán)隊(duì)利用 Sigrity 大規(guī)模并行仿真引擎進(jìn)行全系統(tǒng)仿真，確保整個(gè)“芯片-封裝-PCB-外殼”符合設(shè)計(jì)規(guī)范，并為簽核做好準(zhǔn)備。
這些優(yōu)勢(shì)使得 Sigrity X 成為 DDR5 內(nèi)存和 112G 接口的最佳解決方案。其黃金標(biāo)準(zhǔn)的互連建模，結(jié)合了串行器/解串器（SerDes）分析和支持 IBIS 算法建模接口（AMI）的時(shí)域仿真（電路和通道仿真），賦予 Cadence 獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)，從而能提取和接口合規(guī)性簽核提供完整的解決方案。
進(jìn)一步的，Sigrity XtractIM 和 Clarity 3D Solver 技術(shù)可以配合使用，這讓工程師們能夠針對(duì)各種類(lèi)型的封裝創(chuàng)建出包含耦合信號(hào)、電源和接地互連模型的完整封裝模型，有效彌補(bǔ)了封裝設(shè)計(jì)和封裝表征之間的差距。
此外，Sigrity SystemSI 技術(shù)支持快速連接兼顧電源影響的 IBIS 模型和兼顧電源影響的互連模型，設(shè)計(jì)人員通過(guò)這一技術(shù)，可以迅速確定出最壞的情況，與 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，確保 DDR4/DDR5 接口（包括比特誤碼率要求）符合所有相關(guān)規(guī)范。
圖 3 是 Cadence 兼顧電源影響的檢查和仿真流程，這與傳統(tǒng)的約束驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)流程（圖 4）形成了鮮明對(duì)比。傳統(tǒng)的約束驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)流程主要包含四個(gè)部分：預(yù)布局布線(xiàn)、約束形成、規(guī)則檢查和布線(xiàn)后驗(yàn)證。
圖 3：Cadence 兼顧電源影響的約束驅(qū)動(dòng)的流程
VS
圖 4：傳統(tǒng)的約束驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)流程示例
當(dāng)前的眾多現(xiàn)行仿真技術(shù)中，信號(hào)分析和電源分布網(wǎng)絡(luò)（PDN）之間常常存在脫節(jié)，也會(huì)存在一些其他缺點(diǎn)。通常情況下，根據(jù) SPICE 模型的復(fù)雜性不同，有時(shí)會(huì)使用時(shí)域仿真來(lái)生成準(zhǔn)確的電阻/電感/電容（RLC）模型，而有時(shí)則會(huì)假設(shè)一個(gè)理想的接地平面。由此得出的時(shí)域模型是基于仿真提取的簡(jiǎn)單頻率響應(yīng)，雖然較為便捷，但是在準(zhǔn)確性方面略有不足，而對(duì)于更高的頻率，工程師會(huì)使用通過(guò)混合求解器創(chuàng)建的 S 參數(shù)。
其實(shí)還有一種高效的方法是利用有限差分時(shí)域（FDTD）方法與混合求解器相結(jié)合，從而將覆蓋范圍擴(kuò)大到信號(hào)、電源和接地線(xiàn)。
這一方法的成功實(shí)踐案例是 Cadence 的 Sigrity SPEED2000 引擎工具，它集成和整合了若干個(gè)求解器的輸出，以此解決電路布線(xiàn)以及傳輸線(xiàn)和電磁場(chǎng)問(wèn)題，能更好地展示數(shù)據(jù)和電源/接地平面之間在不同時(shí)間的相互作用。并使用 FDTD 方法來(lái)分析 IC 封裝和 PCB 的布局。為電路設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)。
當(dāng)進(jìn)入到最終的簽核階段，工程師通常傾向于使用 3D 全波建模方法以獲得更高的準(zhǔn)確度。但這會(huì)消耗更多的計(jì)算資源并且增加仿真的時(shí)間。為了緩解這個(gè)問(wèn)題，可以采用分割和并行化技術(shù)。在這方面，通過(guò)使用 Clarity 3D Solver 進(jìn)行基于有限元分析（FEM）分析，然后再結(jié)合 Sigrity XtractIM 技術(shù)，最終，各個(gè)分析結(jié)果被重新組合，形成一個(gè)基于頻率響應(yīng)的 S 參數(shù)模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)或設(shè)計(jì)的深入和精確分析。
總結(jié)
科技的每一次飛躍，在帶來(lái)技術(shù)提升的同時(shí)，也不可避免地為設(shè)計(jì)者埋下了新的挑戰(zhàn)。在邁向 DDR5 內(nèi)存的新時(shí)代和新挑戰(zhàn)的路上，有了 Cadence Sigrity X 這把銳利的“利刃”于手，工程師們可以坦然應(yīng)對(duì)信號(hào)完整性的各種復(fù)雜問(wèn)題，確保產(chǎn)品不僅與規(guī)格相符，更在性能上大放異彩，為未來(lái)創(chuàng)新之路再添一磚。
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