メモリ トレンド DDR4 と LPDDR4 の速度域が重なる V DDR4 1.8V 1.2V LPDDR4 1.1V DDR4 と LPDDR4 の速度域が重なる DDR2 DDR3 DDR4 LPDDR1/2/3/

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1 キーサイトウェブセミナー 2016 誰もが陥る DDR メモリトラブル回避法 キーサイト テクノロジー合同会社アプリケーションエンジニアリング部門小室行央

2 メモリ トレンド DDR4 と LPDDR4 の速度域が重なる V DDR4 1.8V 1.2V LPDDR4 1.1V DDR4 と LPDDR4 の速度域が重なる DDR2 DDR3 DDR4 LPDDR1/2/3/4/5 GDDR2/3/4/5 Page 2

3 DDR4/LPDDR4 の仕様 JEDEC 仕様 DDR4 (JESD79-4) LPDDR4 (JESD209-4) Freq range (MHz) Bus width 4, 8,16 2, 4 channel (x16/32) Transfer rate (MT/s) Operating voltage (V) Package BGA POP, BGA Application Computing, Server Mobile Page 3

4 本日の内容 1. なぜDDRはトラブルが多いか? 2. 電源周りのトラブル解析事例 3. クロストーク トラブル解析事例 4. トータル デバッグ事例 5. まとめ Page 4

5 アイ マージンの縮小 データレート高速化 低電圧化 様々なトポロジー DDR DDR DDR DDR DDR2 667 DDR3 800 Page 5

6 USB Display DDR はトラブルが起こりやすい DDR3 コントローラ DDR3 電源 PCIe 様々な機器 電源への負荷が大きい シングエンド パラレル 等長配線クロストーク多層 電源ノイズ受けやすい 高速化 低電圧化 マージンの現象 ジッタ Page 6

7 DDR バス アーキテクチャ シングルエンド & パラレル Page 7

8 電源のノイズの影響を受けやすい 差動 DQS 電源の影響受けず 電源 シングルエンド DQ 電源の影響受ける Hi-Z 状態 Page 8

9 マルチドロップ コントローラ DRAM DRAM DRAM 反射 終端 コントローラ DRAM DRAM ODT DRAM ODT 終端 反射 Page 9

10 クロストーク Page 10

11 クロストーク シミュレーション Page 11

12 等長配線 物理長ではなく 電気長マッチングが必要 物理長マッチング 電気長マッチング 130 mm ミアンダ 72 ps 130 mm ミアンダ Δ11mm 130 mm スイッチバック 119 mm スイッチバック Controller DRAM Page 12

13 本日の内容 1. なぜDDRはトラブルが多いか? 2. 電源周りのトラブル解析事例 3. クロストーク トラブル解析事例 4. トータル デバッグ事例 5. まとめ Page 13

14 Infiniiscan トリガ機能 直感的な万能トリガ Page 14

15 ジッタ解析で原因究明 EZJIT ジッタ解析機能 クロック生波形ヒストグラム = ジッタ分布トレンド = ジッタ変動スペクトラム = ジッタ周波数成分 他信号との相関を見る ピーク周波数を見る Page 15

16 事例 : 定常的な電源の揺れ CLK 電源波形ジッタ変動ジッタ周波数 Δ=1μs 1/Δ=1MHz 電源のゆれと同期して ジッタが変動している ジッタ周波数は 1MHz 1MHz のスイッチング電源の揺れが原因 1MHz 電源回路のコンデンサの容量を変更電源の揺れが小さくなる Page 16

17 事例 : 突発的な電源の揺れ クロックのジッタ挙動 電源波形 電源によるトラブルは非常に多い Page 17

18 電源ノイズ アナライザ S シリーズ オシロ +N7020A Power Rail プローブ Page 18

19 従来見えなかった電源の挙動がくっきり 従来のプローブ Power Rail プローブ Page 19

20 圧倒的なノイズ差 FFT 比較で一目瞭然 従来のプローブの FFT Power Rail プローブの FFT Page 20

21 DDR バーストに連動 バースト時に電圧降下 DDR バースト 電源 Page 21

22 N6705B 電源アナライザ DDR トラブル解析で頻繁に使われる 4 出力の投入シーケンス スコープビュー 4 チャンネルの出力タイミングの調整や各出力のスルーレートを調整可能 任意波形発生 オシロスコープのように電圧 / 電流変動を波形で捕捉 最大 50kHz のサンプリング速度と 4096 ポイントメモリ データロギング サイン パルス エクスポーネンシャルなど 7 つの波形を用意 任意波形も作成可能 ( 最大 512 ポイント ) 長時間の消費電流モニタなどに最適 64MB メモリ内蔵 外部 USB メモリを使用すれば測定時間も拡張可能 Page 22

23 事例 : 電流スパイク トラブル 電源アナライザなら電流もくっきり オシロで電流を観測すると 電源アナライザを使用したところ 問題発生直前に大きな電流が流れていることが分かった 電流プローブの影響によりノイズに埋もれている 常に Write 時にエラーが発生し スパイクが観測されることが分かった Page 23

24 事例 : 電流スパイク トラブル トラブル発生の瞬間を捉えることに成功 電流スパイク後に WRITE 停止 有るパターンが発生した際に 電流スパイクが観測される Page 24

25 本日の内容 1. なぜDDRはトラブルが多いか? 2. 電源周りのトラブル解析事例 3. クロストーク トラブル解析事例 4. トータル デバッグ事例 5. まとめ Page 25

26 クロストーク トラブル事例 コマンド信号 クロック信号 他のアドレス信号 Victim : アドレス信号 他のアドレスが一斉に遷移する際 300mV も揺れている 基板でクロストークの可能性大 Page 26

27 クロストーク トラブル事例 アドレス A7 が Victim アドレス A9 とアドレス A2 が VictimA7 に与えている影響を測定する コントローラ :ADR7(Victim) :ADR9(Aggressor1) :ADR8 :ADR2(Aggressor2) Page 25

28 ネットアナ測定環境 Aggressor Victim Victim Aggressor Page 28

29 Aggressor1 隣りの ADD9 コントローラ クロストークを実測で確認 1V に対し 250mV 漏れてる :ADR7(Victim) :ADR9(Aggressor1) DRAM Near-End Crosstalk キーサイト ワールト 2015 Far-End Crosstalk Page 29

30 Aggressor2 途中で上下の ADD2 コントローラ ADD9 に比べてクロストーク小 1V に対し 漏れは 50mV :ADR7(Victim) :ADR2(Aggressor2) DRAM Near-End Crosstalk Far-End Crosstalk Automotive シンポジウム 年 1 月 22 日 Page 30

31 どこが問題? クロストークの発生場所を確認 コントローラ :ADR7( 被害者 ) :ADR9( 容疑者 1) DRAM ネットアナの原点で Near-End Crosstalk が立ち上がってる コントローラを出た瞬間に乗り移っている 原点 キーサイト ワールト 2015 Page 31

32 Momentum で電磁界解析 IC 直下の GND が弱い場合 GND を強化した場合 GND が弱いので各層に共振 ( 電流が漏れてた ) ネットアナ実測のおかげで どこを細かく見れば良いか分かった Page 32

33 本日の内容 1. なぜDDRはトラブルが多いか? 2. 電源周りのトラブル解析事例 3. クロストーク トラブル解析事例 4. トータル デバッグ事例 5. まとめ Page 33

34 トータル デバッグ事例 テレビ画面にドットやラインが突発的に現れる アイパターンは十分開いていて ジッタも少ない Read Eye Write Eye Page 34

35 測定環境 コントローラ Probing Point ディスプレイ BGA プローブ DRAM DRAM DRAM- コントローラ間ロジック コントローラ - ディスプレイ間ロジック (RGB) DRAM- コントローラ間アナログ波形 これら全てのデータを 1 つの画面で観測 Page 35

36 問題現象を捉える DQ の READ 波形異常 コントローラ内部の異常データ 正常 READ 波形 WRITE 波形 異常 READ 波形 WRITE 波形 異常 READ 波形 WRITE 波形 正常 READ 波形 Page 36

37 ロジアナで異常 READ を確認 確かにデータがおかしい 正常なら 8000, 0008, 8000, 0008 となるはずが 0000, 0008, 0000, 0008 となっている Page 37

38 直前の WRITE を確認 正常 WRITE データ (8000, 0008, ) 異常 READ データ (0000, 0008, ) 1.75ms Page 38

39 直前の WRITE を確認 Write 波形 Read 波形 Page 39

40 WRITE の振幅が減衰していた 1.15V DDR2 の VIH(AC)=1.15V を超えていないため DRAM が 1 と判断せず 0 と判定 Page 40

41 状況が分かれば オシロ単独でトリガ DQ インピーダンスコントロール DQS コントローラ内部のインピーダンス コントロール信号が乱れ その直後に DQ, DQS の電圧が減少していた Page 41

42 本日の内容 1. なぜDDRはトラブルが多いか? 2. 電源周りのトラブル解析事例 3. クロストーク トラブル解析事例 4. トータル デバッグ事例 5. まとめ Page 42

43 まとめ DDR はトラブルが最も多いアプリケーションの一つである シングルエンド パラレル マルチドロップ 双方向のため反射 クロストーク 電源ノイズ ジッタなどの問題が多発する オシロスコープ単独で解決が難しい場合は ネットワーク アナライザ 電源アナライザ ロジック アナライザなどの他の測定器との組み合わせが有効 シミュレーションとの協調も キーサイトはこれら各種測定器とシミュレータを持つ唯一のベンダーなので お客様を強力にサポート可能です Controller DRAM Page 43

44 DDR トラブル対策ソリューション 電源トラブル Power Rail プローブ EZJIT ジッタ解析電源アナライザ ADS/Momentum ロジックトラブル ロジック アナライザ オシロスコープ ネット ワーク アナライザ クロストークトラブル Page 44