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キーサイトウェブセミナー 2016 2016年5月31日誰もが陥る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

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メモリ・トレンド

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DDR4とLPDDR4の速度域が重なる

100

200

400

800

1600

3200

6400

12800

DDR2 DDR3 DDR4

LPDDR1/2/3/4/5 GDDR2/3/4/5

DDR4 と LPDDR4の

速度域が重なる

DDR4

LPDDR4

1.8V

1.5V

1.1V 1.2V

キーサイト Webセミナー2016

2016年5月31日

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DDR4/LPDDR4の仕様

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JEDEC仕様

DDR4 (JESD79-4) LPDDR4 (JESD209-4)

Freq range (MHz) 800 - 1600 667 – 2133

Bus width 4, 8,16 2, 4 channel (x16/32)

Transfer rate (MT/s) 1600 - 3200 1333 - 4266

Operating voltage (V) 1.2 1.1

Package BGA POP, BGA

Application Computing, Server Mobile


2016年5月31日

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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

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2016年5月31日

DDR2 667

DDR3 800

DDR3 1066

DDR3 1333

DDR3 1667

DDR3 1800

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


2016年5月31日

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DDRはトラブルが起こりやすい

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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

DDR3

DDR3

コントローラ

電源

USB

D

ispl

ay

PCIe


2016年5月31日

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DDRバス・アーキテクチャ

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シングルエンド＆パラレル


2016年5月31日

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電源のノイズの影響を受けやすい

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差動DQS

電源の影響受けず

シングルエンドDQ

電源の影響受ける

電源

Hi-Z状態キーサイト Webセミナー2016

2016年5月31日

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マルチドロップ

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終端

コントローラ

DRAM DRAM DRAM

反射

反射

終端

コントローラ

DRAM DRAM

DRAM

ODT ODT


2016年5月31日

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クロストーク

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2016年5月31日

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クロストーク・シミュレーション

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2016年5月31日

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等長配線

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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

130 mm ミアンダ

130 mm スイッチバック

72 ps

電気長マッチング

130 mm ミアンダ

119 mm スイッチバック

Δ11mm

Controller DRAM


2016年5月31日

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本日の内容





5. まとめ

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2016年5月31日

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Infiniiscanトリガ機能

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直感的な万能トリガ


2016年5月31日

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ジッタ解析で原因究明

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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


2016年5月31日

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事例：定常的な電源の揺れ

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ジッタ変動

ジッタ周波数

電源波形

CLK

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

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

Δ=1μs 1/Δ=1MHz

1MHz


2016年5月31日

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事例：突発的な電源の揺れ

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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


2016年5月31日

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電源ノイズ・アナライザ

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Sシリーズ・オシロ＋N7020A Power Railプローブ


2016年5月31日

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従来見えなかった電源の挙動がくっきり

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従来のプローブ

Power Railプローブ


2016年5月31日

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圧倒的なノイズ差

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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


2016年5月31日

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DDRバーストに連動

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バースト時に電圧降下

電源

DDRバースト


2016年5月31日

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N6705B電源アナライザ

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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

任意波形発生

スコープビュー

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）

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。

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。

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。


2016年5月31日

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事例：電流スパイク・トラブル

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電源アナライザなら電流もくっきり

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。

オシロで電流を観測すると。。。


2016年5月31日

トラブル発生の瞬間を捉えることに成功

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

事例：電流スパイク・トラブル

電流スパイク後に WRITE停止


2016年5月31日

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本日の内容





5. まとめ

25 キーサイト Webセミナー2016

2016年5月31日

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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。

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クロストーク・トラブル事例


2016年5月31日

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：ADR7（Victim）：ADR9（Aggressor1）：ADR8 ：ADR2（Aggressor2）

コントローラ

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

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クロストーク・トラブル事例


2016年5月31日

Victim

Victim

Aggressor

Aggressor

ネットアナ測定環境


2016年5月31日

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Aggressor1

ｷｰｻｲﾄ･ﾜｰﾙﾄﾞ2015

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隣りのADD9

コントローラ

ＤＲＡＭ：ADR7（Victim）：ADR9（Aggressor1）

Far-End Crosstalk

Near-End Crosstalk

クロストークを実測で確認

1Vに対し、250mV漏れてる

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Aggressor2

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途中で上下のADD2

コントローラ

Far-End Crosstalk

Near-End Crosstalk

ADD9に比べてクロストーク小

1Vに対し、漏れは50mV

ＤＲＡＭ：ADR7（Victim）：ADR2（Aggressor2）

Automotiveシンポジウム 2016 2016年1月22日

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どこが問題？

ｷｰｻｲﾄ･ﾜｰﾙﾄﾞ2015

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クロストークの発生場所を確認

コントローラ

ＤＲＡＭ：ADR7（被害者）：ADR9（容疑者１）

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

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


2016年5月31日

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本日の内容





5. まとめ


2016年5月31日

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

トータル・デバッグ事例


2016年5月31日

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

DRAM-コントローラ間ロジック

測定環境コントローラ

DRAM

DRAM

Probing

Point

BGAプローブ

ディスプレイ

これら全てのデータを１つの画面で観測


2016年5月31日

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コントローラ内部の異常データ

DQのREAD波形異常

正常 READ波形

正常 READ波形

異常 READ波形

異常 READ波形

WRITE波形 WRITE波形 WRITE波形

問題現象を捉える


2016年5月31日

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。

ロジアナで異常READを確認


2016年5月31日

異常READデータ (0000, 0008,…) 正常WRITEデータ (8000, 0008,…)

直前のWRITEを確認

1.75ms


2016年5月31日

Write 波形

Read 波形

直前のWRITEを確認


2016年5月31日

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

WRITEの振幅が減衰していた


2016年5月31日

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。

DQ

DQS

状況が分かれば、オシロ単独でトリガ

インピーダンスコントロール


2016年5月31日

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本日の内容





5. まとめ


2016年5月31日

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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。

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Controller DRAM


2016年5月31日

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DDRトラブル対策ソリューション

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オシロスコープ

Power Railプローブ EZJITジッタ解析電源アナライザ

ADS/Momentum

ネット―ワーク・アナライザロジック・アナライザ

電源トラブル

ロジックトラブル

クロストークトラブルキーサイト Webセミナー2016

2016年5月31日

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