GDDR5（Graphics Double Data Rate,圖形雙倍數(shù)據(jù)速率存儲接口，第5版）動態(tài)隨機存取圖形卡存儲技術(shù)已應(yīng)用于主流移動和游戲用戶的高性能GPU（圖形處理器）。最新的GDDR5 技術(shù)可提供5Gb/s或更高的數(shù)據(jù)速率。高數(shù)據(jù)速率條件下，數(shù)據(jù)抖動測量是了解抖動對數(shù)據(jù)有效窗口影響的重要手段。測量并了解抖動分量可以讓設(shè)計人員盡可能減少整個系統(tǒng)設(shè)計的抖動，以確保有效且精確的數(shù)據(jù)傳輸。需要分離讀和寫操作從而分別進(jìn)行數(shù)據(jù)有效窗口分析。GDDR5的設(shè)計包括自由運行的數(shù)據(jù)時鐘（WCK）、很小的數(shù)據(jù)單位間隔以及的非常小的讀/寫數(shù)據(jù)與WCK之間可分辨時間偏移，因此識別讀/寫數(shù)據(jù)以進(jìn)行數(shù)據(jù)抖動測量十分困難且耗時。高帶寬示波器或混合信號示波器是兩類常用的數(shù)據(jù)抖動測量設(shè)備。本文將介紹僅使用高帶寬示波器4個通道的新型GDDR5數(shù)據(jù)抖動測量技術(shù)。
抖動對GDDR5數(shù)據(jù)的影響
GDDR5 SGRAM傳輸數(shù)據(jù)使用自由運行差分前向時鐘（WCK/WCK#），并在前向WCK的兩個邊沿上分別寄存并驅(qū)動輸入和輸出數(shù)據(jù)，以用于讀和寫訓(xùn)練。讀/寫訓(xùn)練支持?jǐn)?shù)據(jù)定時和幅度電平裕量優(yōu)化。盡管JEDEC標(biāo)準(zhǔn)沒有相關(guān)規(guī)定，普遍觀點認(rèn)為表征抖動特性是在如此高的數(shù)據(jù)速率傳輸條件下的重要測量任務(wù)。導(dǎo)致GDDR5系統(tǒng)產(chǎn)生抖動的原因，例如碼間干擾(ISI)、串?dāng)_、占空比失真（DCD）等，這些都會限制圖形卡以及存儲器控制器與DRAM接口的性能。
抖動是指信號跳變邊沿與理想時間的偏差。隨著數(shù)據(jù)速率的提升，定時裕量日趨嚴(yán)格，甚至每一皮秒的裕量都變得更為重要。高速據(jù)速率時代，微小的抖動都可能導(dǎo)致讀寫數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)有效窗口關(guān)閉，最終增加比特誤碼率和數(shù)據(jù)采樣誤差。
在高數(shù)據(jù)速率（例如5Gb/s或以上）條件下，數(shù)據(jù)有效窗口非常小。系統(tǒng)中的噪聲或相鄰電信號的串?dāng)_甚至電磁干擾都極易造成信號失真和信號完整性問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采樣誤差。實時眼圖可以提供眼圖高度和眼圖寬度測量以檢查信號完整性并預(yù)估數(shù)據(jù)有效窗口。但是，僅使用實時眼圖測量數(shù)據(jù)眼圖無法獲得完整的有效數(shù)據(jù)窗口分析和比特故障率預(yù)測。圖 1是一個具有一百萬單位間隔（測得的單位間隔）的寫數(shù)據(jù)眼圖。一百萬單位間隔的初始測量得到200ps的數(shù)據(jù)輸入有效窗口。確定性抖動（DJ）線和隨機抖動（RJ）線顯示了長時間累積的抖動效應(yīng)和實際數(shù)據(jù)輸入有效窗口，即一萬億單位間隔（1e-12比特誤碼率或BER）后的tDIVW。確定性抖動通常有界、可預(yù)測并且與數(shù)據(jù)碼流相關(guān)聯(lián)，例如碼間干擾和占空比失真。隨機抖動通常為高斯抖動且無界。同其它高斯分布一樣，該分布的峰峰值將隨著數(shù)量的增加而增大。因此，總體抖動是隨機抖動乘以BER倍數(shù)因子再加上確定性抖動與。注意，圖示是寫數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)輸入有效窗口。您可以發(fā)現(xiàn)，抖動BER測量計算非常重要，是總抖動統(tǒng)計測量的重要組成部分，可以幫助您了解設(shè)計的數(shù)據(jù)有效窗口結(jié)果并預(yù)測設(shè)計中的錯誤率。另外，了解抖動分量和抖動源可支持設(shè)計人員降低設(shè)計抖動，確保更精確的數(shù)據(jù)傳輸。
圖1:顯示確定性抖動和隨機抖動對數(shù)據(jù)有效窗口影響的GDDR5寫數(shù)據(jù)眼圖
使用標(biāo)準(zhǔn)4通道高帶寬示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)抖動測量
GDDR5系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的最大挑戰(zhàn)是分離讀和寫數(shù)據(jù)以進(jìn)行抖動測量。讀和寫數(shù)據(jù)使用相同的數(shù)據(jù)路徑，但它們對設(shè)計有各自不同的重要意義。許多設(shè)計人員使用混合信號示波器觸發(fā)命令協(xié)議，以獲得相應(yīng)的讀和寫數(shù)據(jù)。使用混合信號示波器分離讀和寫數(shù)據(jù)需要訪問WCK和DQ以及時鐘、CS#、RAS#、CAS#和WE#等信號的能力。此方法十分繁瑣，因為信號接入會受到電路板狹小空間的限制，并且部分情況下連接多個信號可能導(dǎo)致嚴(yán)重的探頭負(fù)載問題。
高帶寬示波器可用于抖動測量。數(shù)據(jù)分離技術(shù)只需將CAS#、WE#、WCK和DQ連至示波器標(biāo)配的4個模擬通道，以識別讀和寫命令。當(dāng)CAS#切換至低電平，表明現(xiàn)在是某個列地操作址命令。在此條件下，命令的范圍將縮小，可能是取消選定、MRS、讀、寫、刷新或自刷新入口。如果WE#與CAS#同時設(shè)為低，則可能的命令僅包括取消選定、MRS和寫數(shù)據(jù)。通過測量可確定寫延遲并且可以使用寫延遲從取消選定與MRS中分離寫周期和。器件在取消選定命令狀態(tài)時，數(shù)據(jù)必須保持在ODT狀態(tài)。對于MRS命令，在MRS命令執(zhí)行后延遲10ns會輸出廠商ID 。因此，CAS#和WE#設(shè)為低時，在寫延遲后的數(shù)據(jù)信號是寫數(shù)據(jù)。在WE#高而CAS#低跳變時，表明是取消選定、讀、刷新和自刷新入口命令。取消選定、刷新和自刷新入口命令要求數(shù)據(jù)輸出管腳為ODT狀態(tài)。如圖2所示，通過確認(rèn)傳輸數(shù)據(jù)是否帶有讀延遲可以從這些命令中區(qū)分出讀命令。
圖2:使用 InfiniiScan+ 區(qū)域鑒定觸發(fā)工具分離讀命令
在區(qū)分并分離寫和讀數(shù)據(jù)的情況下，就可以進(jìn)行抖動測量。數(shù)據(jù)輸入有效窗口（tDIVW）是有效寫數(shù)據(jù)相對各自WCK時鐘邊沿的疊加形成的窗口。測量每個數(shù)據(jù)邊沿相對于WCK時鐘邊沿的時間間隔誤差（TIE）。可以測量兩個TIE變化趨勢：WCK之前的數(shù)據(jù)跳變和WCK之后的數(shù)據(jù)跳變，然后計算tDIVW（如圖 3所示）。一旦獲得數(shù)據(jù)TIE變化趨勢，即可進(jìn)行抖動分解以判定確定性抖動和隨機抖動。WCK前后數(shù)據(jù)的總抖動可計算得出，并確定在要求誤碼率條件下的tDIVW。注意，左眼圖交叉點和右眼圖交叉點的確定性抖動值不同。但是，所有隨機抖動的值均相等。
圖3:寫數(shù)據(jù)WCK時鐘邊沿前/后的時間間隔誤差趨勢測量
tDIVW左側(cè)根據(jù)TIE中點加1/2 Djdd + QBER*Rj(rms) 確定，右側(cè)根據(jù)TIE中點 減1/2 Djdd + QBER*Rj(rms) 確定。然后計算兩次測量之間的窗口可得出tDIVW。
分析GDDR5器件發(fā)送到控制器的讀數(shù)據(jù)同樣重要。讀數(shù)據(jù)可以采用相同的方式，以便存儲控制器設(shè)計人員了解抖動對GDDR5 SGRAM發(fā)送至存儲控制器的數(shù)據(jù)的影響并制定設(shè)計預(yù)期，以開發(fā)強大的存儲控制器。
使用4通道高帶寬和高采樣率的示波器進(jìn)行測量十分重要，因為這樣可以保證測量的是GDDR5系統(tǒng)真實的邊沿。而且，高性能示波器具有低本底噪聲和抖動，可以最大限度降低示波器噪聲對測量的影響。工程師可以信賴測量結(jié)果，獲得真實的信號信息并最終確定設(shè)計的真實數(shù)據(jù)有效窗口，而不受測量設(shè)置或測量工具的影響。這樣，設(shè)計人員能夠真實測量并調(diào)試設(shè)計，獲得最佳的性能和裕量，同時縮短設(shè)計周期，節(jié)約大量成本和時間。
隨著GDDR5技術(shù)達(dá)到5Gb/s或更高的數(shù)據(jù)速率，信號幅度和數(shù)據(jù)有效窗口變得極小，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采樣誤差增加。精確的隨機抖動和確定性抖動分解測量以計算數(shù)據(jù)輸入有效窗口的統(tǒng)計測量，可以幫助量化數(shù)據(jù)采樣誤差，以進(jìn)行裕量分析。相比混合信號示波器，具有出色本底噪聲和抖動性能的高帶寬示波器，例如Agilent Infiniium Q系列高性能示波器，僅使用其4個通道即可輕松創(chuàng)建信號連接要求最簡的設(shè)置，并且支持分離讀和寫數(shù)據(jù)，以進(jìn)行高可信度的抖動測量,最終確保工程師確信已獲得真實的信號邊沿并且能夠獲得最大的GDDR5 系統(tǒng)設(shè)計裕量。
