演进的测试方法可以确保与 DDR4 标准的一致性

概述

随着用户对速度更快、功耗更低和体积更小的存储器的需求与日俱增，双倍数据速率（DDR）存储器技术在过去五年里得到了巨大的发展。DDR4 的含义是具有双倍数据速率的第四代 SDRAM 存储器。与 DDR3 相比，DDR4 的数据传输带宽大幅增加，而且在速度、密度和功率等方面都超越以往。这些技术进步推动企业级应用、微型服务器应用和平板电脑应用的性能和能效进一步提高，让设计人员可以设计芯片更小、功耗更低、散热更少的器件。

DDR4 vs DDR3

• 数据速率：DDR4 为 3.2 GT/s，优于 DDR3 的 2.1 GT/s
• 功率效率：DDR4 工作电压为 1.2 V，低于 DDR3 的 1.5 V，更节能
• 存储密度：DDR4 支持高达 16 Gb，是 DDR3（8 Gb）的两倍

DDR4 存储器的体系结构整合了 DDR3（双向 DQS）和类似 GDDR5 的数据总线（CRC和数据误码检测功能）两方面的关键特性。但 DDR4 信号也有一些特性与上一代 DDR解决方案截然不同。这些关键差异促使新的测试方法问世。

问题

信号完整性对于存储器系统的可靠运行至关重要。测试信号完整性，首先应从物理层开始，数据在这一层通过时钟上升沿和下降沿进行传输。但是在测试 DDR4 存储器的物理层时遇到了一些新的挑战。

按照电子器件工程联合会（JEDEC）标准的要求，在实施电子、时序和眼图测试时都需要执行输入和输出测量，其中包含大量测试操作以确保存储器系统正常运行，不会发生错误。DDR4 的速度提升还要求通过分离读写周期来测量 AC 时序参数。

存储器速度的提高，也导致随机抖动爆增。DDR4 是第一款速度超快而必须将抖动控制在规定范围内的 DRAM。过多的抖动会减少数据有效窗口，所以必须明确定义 DDR4 的数据有效窗口。

DDR4 器件开发人员所关注的另一个问题是互操作性。其最终目标是保证存储器系统的通用功能，同时提高效率和生产力。唯有清晰地了解 DDR4 规范的测试要求（例如，存储器时序、眼图测量和抖动）和测试过程（例如，正确的探测和仿真协议），您才能恢复裕量，缩短芯片/系统的设计周期、降低成本并加快产品上市速度。最终目标是保证存储器系统具备通用功能，且达到更高能效和生产效率。

测试要求

前几代 DDR 存储器的时序规范基于多种风险假设，其中最大的假设是，只要数据设置和保持时间符合规范，就可以实现完美的数据捕获。DDR2 和 DDR3 的数据速率较慢且裕量较大，其规范假设随机抖动可忽略不计且比特误码率（BER）为零。当然，它实际上并不为零。对于时钟抖动，测量 10,000 个周期的时钟周期，其误码率将为 1e-4，因而可以认为它足够接近零。DDR2 和DDR3 较低的数据传输速度使得这些假设可以成立，因为在系统发现不合格结果之前存在足够的裕量。

DDR4 的数据速率更快，这会降低裕量，随机抖动可能会快速关闭数据眼图，这意味着误码率会增加。如果不加以控制，有可能会产生严重的系统可靠性问题、延长设计时间、减缓产品上市时间并增加设计周期的成本。然而，DDR4 测试要求可以正面地解决这些问题，保障可靠性并降低成本。

将捕获的波形数据显示为实时眼图（RTE），可以深入了解串行数据信号中的抖动。眼图基本上是数字化比特的叠加，显示比特何时有效（高或低）。它提供了描述系统物理层特征质量的合成图像，并使峰峰值边缘抖动和噪声得以具体显示。实时眼图测试执行眼高和眼宽测量，检查信号完整性并预估数据有效窗口。然而，仅测量数据眼图并不能完全了解数据有效窗口或预估比特误码率。目前，DDR4 规范的信号完整性测量的是最差情况下的时间裕度（tDIVW）和电压（vDIVW）。眼图模板测试是最重要的物理层测量之一，可用于测试总体信号完整性。从总体抖动可以推导出与眼图模板相关的最小时间和最小电压的裕量。如果定义的 BER 很大（或者如果存在少量数据），就可以直接执行测量。如果测试的 BER 很小，那么测量数万亿个单位间隔（UI）就会花费太多时间。眼图模板测试可确保数据眼图不会超过可能发生抖动（和误码）的模板边界。除此之外，它可以通过 tDIVW 测量结果（图 1）报告最小裕量（模板四个角的四个时序点）。

DDR4 规范考虑了抖动和 BER 的关键作用。计算抖动 BER 测量结果很重要，它可以统计测量总体抖动（确定性抖动+随机抖动），了解设计的数据有效窗口结果和可能出现错误的概率。除了规范测试，采用正确的测试过程和方法也是至关重要的。例如，示波器探头的正确放置会影响一致性测试结果以及设计裕量的准确表征和测试。对于 JEDEC 规范，最佳探测点位于 DRAM封装的球上（不在传输线或通道上，也不在存储器控制器上）。仿真是测试过程中的另一个重要却经常被忽略的步骤。随着总线速度的提高以及获得尽量多裕量的需求，仿真过程可以很大程度地帮助减少设计周期和成本。例如，仿真有助于确保系统能够容忍内插器的负载效应。这一步骤评测所测量的带宽/频率响应，确保内插器不会断开总线。最后，是德科技与 JEDEC 组织密切合作，以确保其测试和测量解决方案与 JEDEC 标准的测试和测量规范保持高度一致。

眼图测试

• 可以测量数据眼高和眼宽
• 用户还可以根据器件规范定义自己的眼图模板
• 如果眼图不符合模板，那么一致性应用软件可以报告不合格状态

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