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被吹捧的LPDDR5到底是个啥?DDR5 的主要功能介绍

2020年04月27日 17:22 次阅读

选择合适的存储器解决方案是满足目标系统对各种应用(从云计算和人工智能 (AI),再到汽车和移动应用)的功能和性能要求的关键。双数据速率同步动态随机存取存储器 (DDR SDRAM) 或 DRAM 已成为现实的技术,因为它使用电容器作为存储元件来实现高密度和简单架构、低延迟和高性能、几乎无限的存取耐力和低功耗等多种优势。DDR DRAM 可以根据系统要求以不同的形式使用——在双列直插式存储器模块 (DIMM) 上或作为分立 DRAM 解决方案中均可使用。DDR 分为三个主要类别,每个类别都有独特的功能,可帮助设计人员满足其目标片上系统 (SoC) 的功耗、性能和面积要求。图 1 显示了不同的 DDR 类别及其目标应用场景:

图 1:JEDEC 定义了应用广泛的三类 DRAM 标准,以满足各种应用的设计要求

1、标准 DDR 面向服务器、云计算、网络、笔记本电脑、台式机和消费类应用,支持更宽的通道宽度、更高的密度和不同的形状尺寸。DDR4 是这一类别目前最常用的标准,支持高达 3200 Mbps 的数据速率。DDR5 DRAM 的运行速度高达 6400 Mbps,预计将在 2020 年问世。

2、移动 DDR (LPDDR) 适用于对面积和功耗非常敏感的移动和汽车应用。LPDDR 提供更窄的通道宽度和几种低功耗工作状态。LPDDR4 和 LPDDR4X 支持高达 4267 Mbps 的数据速率,是该类别中的常用标准。最大数据速率为 6400 Mbps 的 LPDDR5 DRAM 预计将于 2020 年问世。

3、图形 DDR (GDDR) 面向需要极高吞吐量的数据密集型应用程序,例如图形相关应用程序、数据中心加速和 AI。GDDR 和高带宽存储器 (HBM) 是这一类型的标准。

每个标准都旨在提供高性能和容量,在运行时将功耗降至最低,并通过可靠性、可用性和可维护性 (RAS) 功能以及纠错码 (ECC) 功能来提高通道的稳定性。 本文说明了 LPDDR5 标准的主要功能。DDR5 的主要功能将在后续文章中介绍。

移动 DDR (LPDDR) 概览

LPDDR DRAM 提供了一种功耗显著降低的高性能解决方案,而降低功耗是平板电脑、智能手机和汽车等移动应用的重点要求。此类应用所需的 SoC 倾向于在每个通道上使用更少的存储设备和更短的互连,而 LPDDR DRAM 的运行速度比标准 DDR DRAM 快(例如,LPDDR4/4X DRAM 的运行速度最高为 4267 Mbps,而标准 DDR4 DRAM 的运行速度最高为 3200 Mbps),所以能够提供更高的性能。但 LPDDR DRAM 在此类设备中不使用,处于待机状态时,可以将它们置于低功耗状态,例如深度睡眠状态,或者可以使用动态频率调节 (DFS) 功能在较低频率下运行。因此,当存储通道待机时,存储控制器可以适时地使用这些低功耗功能来降低总功耗。

LPDDR5 DRAM 使用动态电压调节 (DVS) 功能节省更多功耗,此时存储器控制器可以在通道待机期间降低 DRAM 的频率和电压。与普通的标准 DDR DRAM 通道(64 位宽)相比,LPDDR DRAM 通道通常为 16 位或 32 位宽。与其他两个类别的 DRAM 世代一样,后继的每一个 LPDDR 世代(LPDDR5、LPDDR4/4X、LPDDR3、LPDDR2、LPDDR)都比其上一代产品具有更高的性能和更低的功耗。此外,任何两代 LPDDR 都不彼此兼容。

LPDDR5 主要功能

与 LPDDR4/4X DRAM 相比,LPDDR5 DRAM 支持高达 6400 Mbps 的数据速率和在更低的工作电压(VDD 的 1.05/0.9V 和 I/O 的 0.5/0.35V)下支持更大的设备尺寸(每个通道 2Gb 至 32Gb)。表 1 显示了 LPDDR5 和 LPDDR4 DRAM 之间的比较:

表格 1:LPDDR5 对比 LPDDR4/4X DRAM LPDDR5 DRAM 可通过 DVS 支持两种内核和 I/O 电压:在较高频率下运行电压分别为 1.05V 和 0.5V,在较低频率下运行电压分别为 0.9V 和 0.3V。因此,LPDDR5 DRAM 支持内核和 I/O 电压的 DVS。 LPDDR5 的其他关键功能包括用于命令/地址 (C/A) 时钟 (CK) 的新型可扩展时钟架构,以简化 SoC 时序收敛;灵活的 DRAM 存储库架构模式,可根据流量模式实现最佳性能;决策反馈均衡器 (DFE) 以增加 DRAM 上的写入数据的余量,写入 X 功能可以节省功耗,以及链接 ECC 以增强存储器通道 RAS。

以下部分将详细说明每个功能

用于简化时序收敛的新型可扩展时钟架构 C/A CK 通常以与所有先前 LPDDR 标准(LPDDR4/4X 及更早的标准)中的数据选通 (DQS) 相同的频率运行。这种时钟方案给 DRAM C/A 通道和 SoC 时序收敛都带来了巨大压力,因为 CK 是存储器通道上 C/A 通道的参考,并且 SoC 中的存储控制器通常以 CK 频率的一半,采用 DFI 1:2 比率模式在 DDR PHY 接口上运行。例如,LPDDR4/4X 的速度为 4267 Mbps,CK 和 DQS 的运行频率为 2133 MHz,而 C/A 的数据速率为 2133 Mbps,控制器时钟的运行频率为 1066 MHz。 这样的时钟方案无法以 LPDDR5 速度扩展。因此,LPDDR5 采用了新的时钟方案,其中 CK 以高于 3200 Mbps 的速度,按照数据选通频率的四分之一运行,而以低于 3200 Mbps 的速度,按照数据选通频率的一半运行。因此,即使在 6400 Mbps 的速率下,该时钟方案也要求 CK 仅以 800 MHz 的频率运行。这样可以降低 C/A 的运行速度(以 1600 Mbps 的速度运行,因为 C/A 可以在 LPDDR5 的 CK 速率的上升端和下降端(例如 DDR 类型)上都进行转换),从而大大提高了 C/A 通道的余量。同样,CK 减速使 SoC 不仅可以更有效地收敛时序,而且还可以提供更高的性能,因为控制器现在可以在 800 MHz 的 DFI 1:1 比率下工作。此外,LPDDR5 不支持传统的双向数据选通架构,而是引入了两个单向数据选通:用于写入操作的写入时钟 (WCK) 和用于读取操作的可选读取时钟 (RDQS)。系统可以选择无选通或单端选通来以较低的速度进行读取,同时节省功耗,当要想达到高速时,就需要采用差分选通 (RDQS/RDQS#)。

保证通道稳定性的单抽头 DFE

判决反馈均衡器 (DFE) 减少了对接收数据的符号间干扰 (ISI),从而提高了接收数据的余量。先前检测到的符号出现在正在检测的当前符号上,就会引发 ISI。LPDDR5 DRAM 将具有单抽头 DFE,以提高写入数据的余量,从而增强存储通道的稳定性。 Write X 降低功耗 Write X 是一种省电功能,允许系统将特定的位模式(例如全零模式)转变成连续的存储器位置,而无需切换通道上的 DQ 位。

用于防止通道噪声引起的错误的

Link ECC Link ECC 可以恢复通道中发生的单比特传输错误。该数据与 ECC 一起由控制器发送到 LPDDR5 DRAM,并且在接收到数据/ECC 后,DRAM 会生成 ECC 并检查接收到的 ECC 是否相同。在将数据写入存储器阵列之前,任何单比特错误都将得到纠正。因此,Link ECC 是适合高速的强大 RAS 功能,可防止通道噪声引起的错误。

突发长度为 16 或 32 拍的灵活存储库架构

LPDDR5 DRAM 通过支持三种模式(Bank-Group 模式(4 个 Bank,4 Bank-Group),8 Bank 和 16 Bank)而具有灵活的存储库架构,供用户根据其流量模式选择。Bank-Group 模式适用于高于 3200 Mbps 的速度,并允许 16 和 32 拍的突发长度。8 Bank 模式支持突发长度为 32 拍的所有速度,而 16 Bank 模式则支持突发长度为 16 或 32 拍的 3200 Mbps 以下的速度。

用于进一步节约功耗的 3 种 FSP

与支持 C/A 和 DQ 的 2 个频率设定点 (FSP) 的 LPDDR4/4X DRAM 不同,LPDDR5 DRAM 具有用于 C/A 和 DQ 的 3 个 FSP。这使控制器能够以最少的切换时间快速切换三个频率,以实现最佳的功耗节约效果。如前所述,DFS 与 DVS 的结合使 LPDDR5 DRAM 成为对功耗敏感的应用的理想选择。 总结 存储器是用于移动设备、IoT、汽车和云数据中心等应用中的任何电子系统的重要组件。SoC 设计人员必须选择合适的存储器技术,才能提供必要的性能、容量、功率和面积。DDR 已成为现实的存储技术,可用于多种类别,包括标准 DDR 和低功耗 DDR (LPDDR)。最新的标准 LPDDR5 和 DDR5 以更低的功耗提供更高的性能。LPDDR5 的运行速度高达 6400 Mbps,具有许多低功耗和 RAS 功能,包括新颖的时钟架构、可简化时序收敛。数据速率高达 6400 Mbps 的 DDR5 DRAM 支持更高的密度,包括双通道 DIMM 拓扑以提高通道效率和性能。 Synopsys 提供了全面的存储器接口 IP 产品组合,支持 LPDDR 和 DDR 标准,包括最新的 LPDDR5 和 DDR5。DesignWare® DDR IP全套解决方案包括 PHY、控制器和验证 IP,它们都支持最新标准的主要功能。Synopsys 的产品组合还包括硬化选项、信号完整性/电源完整性分析、验证模型、原型设计和仿真支持。

文章来源:Synopsys 解决方案部门高级技术营销经理 Vadhiraj Sankaranarayanan

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发表于 2020-04-13 10:16 33次阅读
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以太网接口怎么实现嵌入式系统的网络互连?

本文介绍了一个基于三星ARM9芯片S3C2440嵌入式系统的以太网接口电路设计方案,采用了工业级以太网控制器DM9000...
发表于 2020-04-13 08:29 139次阅读
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