FT1500處理器中仿真驅(qū)動的DDR3封裝設計＊

黎鐵軍，孫 巖，鄒 京，張秀峰

（國防科學技術大學計算機學院，湖南 長沙 410073）

1 引言

隨著集成電路技術的發(fā)展，多核多線程持續(xù)為通用微處理器帶來更高性能，但訪存帶寬和延遲性能提高緩慢，這導致了存儲墻問題。DDR3作為典型并行總線結(jié)構(gòu)被廣泛應用于內(nèi)存總線設計中，以提高訪存帶寬和降低訪存延遲，但并行總線的電源完整性和信號完整性問題突出［1，2］，而且隨著傳輸速率的不斷提高，這些問題成為限制傳輸速率進一步提高的瓶頸。

FT1500是一款面向高性能計算的通用微處理器，該處理器采用16核64線程結(jié)構(gòu)，設計主頻1.5GHz，峰值性能120GFlops，通過四個72位DDR3存儲控制器訪問片外存儲器，DDR3設計速率1 333Mbps。本文重點研究FT1500芯片高速DDR3封裝設計，解決高頻情況下的電源完整性和信號完整性問題。

針對DDR3的封裝設計問題，本文提出了仿真驅(qū)動的封裝設計方法，在設計之初通過前仿真制定準確的設計規(guī)則和目標，在設計過程中通過仿真驅(qū)動設計優(yōu)化，在設計完成后用后仿真驗證設計。實測結(jié)果表明，F(xiàn)T1500芯片的DDR3接口可以穩(wěn)定工作在1 400Mbps，達到了設計目標。

2 仿真驅(qū)動的封裝設計

本文提出的仿真驅(qū)動的封裝設計流程如圖1所示。

仿真驅(qū)動的封裝設計流程包含三個主要步驟：

前仿真：確定I／O及關鍵電源網(wǎng)絡的目標電感與目標電阻，確定高速信號的走線寬度與線間距，驗證仿真模型的準確性。

Figure 1 Full flow of package and PCB simulation圖1 完整的封裝與PCB仿真流程

設計與仿真協(xié)調(diào)優(yōu)化：在封裝與PCB設計中并行地進行PI仿真，提前找出設計存在的問題，指導設計者進行優(yōu)化，PI與封裝設計聯(lián)合仿真包含數(shù)次迭代設計與仿真，直到達到設計目標。

后仿真：在設計投出生產(chǎn)前的一次完整的SI／PI仿真，確保設計能達到最終的目標。

3 封裝的前仿真

3.1 DDR3信號目標阻抗確認

首先通過仿真對走線阻抗進行求解。求解時要根據(jù)走線的具體情況選擇正確的傳輸線模型，對于表層走線還需要考慮表層綠油的影響。對于DDR3數(shù)據(jù)地址等單線阻抗要求為42.5Ω，由仿真求得對應內(nèi)層走線的寬度應當為30μm，而表層走線寬度應當為60μm。表層比內(nèi)層缺少一層參考平面，同等線寬下表層單線阻抗過高，為了方便阻抗控制，應當盡量避免在表層走高速信號線。

3.2 DDR3I／O仿真模型驗證

由于SPICE模型的仿真速度慢，需要將DDR I／O的SPICE網(wǎng)表轉(zhuǎn)換成IBIS Plus模型［3］。在使用IBIS Plus模型進行仿真之前需要綜合評估一下該模型的仿真精度。

首先驗證IBIS Plus模型電源建模的準確性，將DDR3I／O的SPICE模型和IBIS Plus模型加入到SPICE測試網(wǎng)表中，I／O的輸出阻抗設為40Ω，在I／O的電源上增加一個RLC子電路作為I／O電源的寄生參數(shù)，I／O的輸出接一個40Ω的電阻。為兩種模型加入相同的激勵，仿真得到兩種模型電源管腳的電壓和電流波形如圖2所示。由圖2可以看出，IBIS Plus模型的電壓電流波形與SPICE模型基本吻合，說明IBIS Plus模型電源建模比較精確。

實際I／O電源電壓可能會受SSN的影響不停波動，需要分析兩種模型在不同電源電壓下的輸出情況。同理還是編寫一個SPICE測試網(wǎng)表將兩種模型I／O加入，兩種I／O的電源都從1.0V線性變化到2.0V，為了方便對比，另加入一個正常供電的SPICE模型的I／O，三個I／O都加入相同的激勵，仿真結(jié)果如圖3所示。

Figure 2 Simulation results of IBIS plus power modeling圖2 IBIS Plus電源建模仿真結(jié)果

由圖3可以看出，在I／O正常工作電壓1.5V附近，IBIS Plus模型的輸出與SPICE模型輸出幅度相位基本一致。當電源電壓高于1.8V或者低于1.2V時，IBIS Plus模型輸出與SPICE模型的輸出誤差較大。假設DDR3工作在1.5V左右，因此本文仿真均使用IBIS Plus模型。

Figure 3 Simulation results of IBIS plus output圖3 IBIS Plus輸出仿真結(jié)果

3.3 DDR3I／O電源目標電感確認

由圖3可知，當I／O Buffer的電源電壓大于1.8V或者小于1.2V時，I／O Buffer的輸出延時會發(fā)生較大的變化，延時的變化會對信號的時序造成嚴重的影響。為了保證I／O Buffer正常工作，必須保證I／O Buffer的電源電壓在正常范圍1.2V～1.8V內(nèi)波動，本文利用這一條件確定DDR3I／O的目標電感［4］。

圖4是目標電感的仿真拓撲：Controller為兩個通道的I／O Buffer，PCB為等效的PDN與信號網(wǎng)絡，PDN網(wǎng)絡采用一個集總電感LPDN代替，Memory為內(nèi)存顆粒的I／O模型，VRM提供1.5 V的理想直流電源。

Figure 4 Simulation topology of target inductance圖4 目標電感仿真拓撲

所有的I／O Buffer采用相同的激勵同時翻轉(zhuǎn)，改變LPDN的大小，仿真得到I／O Buffer電源的紋波如圖5所示。從圖5中可以看出，LPDN的值越大，SSN造成的電源紋波也越大。當I／O Buffer的電源在1.2V～1.8V內(nèi)波動時，對應的LPDN值即可作為DDR3I／O電源的目標電感的最大值。

Figure 5 Simulation results of target inductance圖5 目標電感仿真結(jié)果

3.4 DDR3I／O電源目標阻抗確認

DDR3I／O Buffer的工作電流在直流至很高頻率上都有分布，電流在各個頻段上也不是均勻分布的，在確定I／O電源的目標阻抗時需要根據(jù)各個頻段電流的大小計算不同頻段的目標阻抗［5］。

本文通過仿真得到的電流波形進行傅里葉變換，得到電流的頻譜圖。該頻譜圖按峰值的一致性劃分為三個頻段：0Hz～1.6GHz，1.6GHz～3GHz和3GHz～5GHz。根據(jù)目標阻抗的計算公式得出的目標阻抗如圖6所示。

4 設計與仿真協(xié)同優(yōu)化

4.1 電源直流仿真

封裝基板電源的直流仿真內(nèi)容包括：

Figure 6 Target impedance of DDR3I／O power圖6 DDR3I／O電源目標阻抗

（1）電流密度：確保電源地平面的面積和布局合理，電流密度不會太大而燒毀基板；

（2）過孔電流：確保電源地平面的過孔數(shù)量足夠，過孔電流不會太大；

（3）直流壓降：評估PDN的壓降是否滿足要求。

直流仿真與封裝設計是一個不斷迭代優(yōu)化的過程，首先封裝設計需要完成一個初步的包含電源地平面過孔的版本進行直流仿真，如果直流仿真達到要求則進行下一步的工作，反之則更改設計再次進行仿真，直到達到要求。

4.2 電源電感仿真

SSN與PDN電感成正比，為了減小電源噪聲，必須減小PDN網(wǎng)絡的寄生電感，將電源地的電感仿真與封裝設計聯(lián)合進行仿真優(yōu)化。

在封裝基板電源電感仿真中的主要仿真內(nèi)容包括：芯片引腳的自電感、芯片引腳的總電感和PDN的總電感。

（1）芯片引腳的自電感：是忽略其它芯片引腳的影響、仿真單獨一個芯片引腳的電感，自電感可以用于評估單個芯片引腳的連接是否合理；

（2）芯片引腳的總電感：包含芯片引腳的自電感及與其它芯片引腳之間的互感；

（3）PDN總電感：是所有PDN芯片引腳上總電感的集總值。

如圖7所示是一次電源電感仿真與封裝設計聯(lián)合優(yōu)化過程。設計的初始版本，芯片引腳間距過小，所有的芯片引腳只能采用走線連接起來，經(jīng)過仿真縫隙發(fā)現(xiàn)芯片引腳的自回路電感較大。根據(jù)仿真結(jié)果建議增大芯片引腳間距，將所有的地芯片引腳采用平面接連，再次仿真發(fā)現(xiàn)芯片引腳的自回路電感有了明顯的減小。

5 封裝的后仿真

5.1 電容優(yōu)化

Figure 7 Inductance simulation of package substrate圖7 封裝基板電感仿真

電容優(yōu)化的目的就是選擇合適的去耦電容，盡量減小PDN的阻抗。傳統(tǒng)的電容優(yōu)化方法一般有兩種：一種利用EDA工具自動進行電容優(yōu)化［6］，這種方法簡單易操作，但是不夠靈活，不能針對諧振點進行優(yōu)先優(yōu)化；另一種方法是在參數(shù)提取工具中為每個電容賦上模型，然后提取電源的阻抗，這種方法靈活但是操作復雜，優(yōu)化一次需要幾個小時，非常耗費時間。

本文提出了一種全新的電容優(yōu)化方法：首先提取PDN網(wǎng)絡的S參數(shù)，提取時在芯片引腳和電容管腳上都加上端口，電容開路；然后將提取的PDN的S參數(shù)賦給封裝與PCB，再將電容連接到相應的電容端口上，為電容選擇合適的模型；最后從芯片端提取PDN的阻抗。

這種方法優(yōu)化一次僅需要幾秒鐘時間，而且相當靈活，最終優(yōu)化的結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，優(yōu)化之后DDR I／O的PDN阻抗諧振點有了明顯的降低，并且到了目標阻抗之下。

Figure 8 Capacitance optimization results圖8 電容優(yōu)化結(jié)果

Figure 9 Simulation topology of DDR3圖9 DDR3仿真拓撲

5.2 時序仿真

DDR3信號的仿真拓撲如圖9所示。

仿真時采用一個DDR3通道帶一根雙Rank內(nèi)存條的結(jié)構(gòu)，仿真速率為1 600Mbps，最終的仿真眼圖結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看出，DDR3的信號質(zhì)量較好，經(jīng)過計算各方面時序滿足要求。

Figure 10 Eyediagram of DDR3signal simulation圖10 DDR3信號仿真眼圖

6 實驗驗證

FT1500封裝設計采用的塑封材料為GX－13，封裝厚度為1.35mm，使用10層基板，4－2－4的疊層結(jié)構(gòu)。該芯片內(nèi)核頻率1.8GHz，DDR3數(shù)據(jù)傳輸率1 400Mbps，運行Stream測試程序，能夠穩(wěn)定運行24小時。

Figure 11 FT1500package implementation圖11 FT1500封裝實現(xiàn)

我們采用Tektronix公司的DSA72004示波器對FT1500芯片DDR3的數(shù)據(jù)信號以及命令控制信號進行幅值信號完整性的測試。該示波器四個通道高達20GHz的模擬帶寬，示波器內(nèi)采樣信號的上升時間達到9ps，能夠滿足DDR3信號采樣頻率要求。

圖12和圖13分別給出了FT1500芯片1 400Mbps DDR3信號的寫信號眼圖和讀信號測試眼圖：寫測試點選取PCB中CPU的底層信號線過孔處；讀測試點選取內(nèi)存條的SDRAM端信號線過孔處。測試信號選擇同組內(nèi)的DQS信號和DQ信號，其中DQS采用差分探頭，DQ采用單端探頭。從測試眼圖可以看出，DQS信號和DQ信號的時序關系滿足DDR3規(guī)范［7］的要求。

Figure 12 Eyediagram of DDR3write operation test圖12 DDR3寫操作測試眼圖

Figure 13 Eye－diagram of DDR3read operation test圖13 DDR3讀操作測試眼圖

7 結(jié)束語

本文面向核高基重大專項高性能微處理器FT1500的DDR3封裝設計，提出了仿真驅(qū)動的封裝設計方法，通過仿真方法建立設計規(guī)范、指導設計優(yōu)化、驗證設計結(jié)果，完成了四通道72bits DDR3接口的封裝設計。對FT1500芯片的實測表明，DDR3接口可以穩(wěn)定工作在1 400Mbps，信號的電源性和信號完整性滿足DDR3規(guī)范要求。

［1］ Eric B.Signal and power integrity—simplified［M］.2nd Edition.NJ：Prentice Hall，2009.

［2］ Burns D，Westerhoff T，Boyd J.Counting the piconseconds：Integrating timing，signal and power integrity analysis［C］∥Proc of DesignCon’08，2008：1.

［3］ Choi M J，Pandit V.SI／PI co－analysis and linearity indicator［C］∥Proc of IBIS Summit Meeting，2010：1.

［4］ Memory made easy DDR2／3analysis［Z］.Pennsylvania： Ansoft Corporation，2010.

［5］ Swaminuthan M，Engin A E.Power integrity modeling and design for semiconductors and systems［M］.Li Yu－shan，Zhang Mu－shui，translation.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2009.（in Chinese）

［6］ Herrick C.Acurate and efficient SSN modeling［Z］.Pennsylvania：Ansoft Corporation，2008.

［7］ JEDEC Standards.DDR3SDRAM specification：USA，JESD79－3E［P］.2010－07－01.

附中文參考文獻：

［5］ Swaminuthan M，Engin A E.芯片及系統(tǒng)的電源完整性建模與設計［M］.李玉山，張木水，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009.