從fail到pass，DDR調(diào)試到底經(jīng)歷了什么？

edadoc · 發(fā)表于 2020-7-10 17:19:28

作者 | 黃剛（一博科技高速先生團(tuán)隊(duì)隊(duì)員）

做DDR的調(diào)試無(wú)非以下三種結(jié)果：調(diào)試fail、調(diào)試pass和調(diào)試很久才pass。你可能永遠(yuǎn)也想象不到PCB工程師花幾天設(shè)計(jì)出來(lái)的DDR模塊在加工出來(lái)后調(diào)試就多久才pass，一天？一周？一個(gè)月？甚至……

高速先生近幾年來(lái)在DDR設(shè)計(jì)仿真取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，這要得益于AI（人工智能）的熱潮，作為該領(lǐng)域的核心產(chǎn)品，AI算力卡成為近年來(lái)各大通訊公司和芯片公司爭(zhēng)相研發(fā)的產(chǎn)品。而其中DDR模塊則是AI算力卡里最核心的模塊，支撐著算力卡大容量、快速的運(yùn)算能力。

高速先生在和各大公司合作的情況下，也有機(jī)會(huì)接觸到了形形色色的AI算力卡，它里面的DDR模塊雖然實(shí)現(xiàn)的功能類似，但是具體的結(jié)構(gòu)卻有著很多的變化。例如容量的不一樣導(dǎo)致顆粒數(shù)量的不同；板子的大小不一樣導(dǎo)致采用的拓?fù)洳煌�；PCB層數(shù)的不一樣導(dǎo)致DDR模塊的布局和密度也不相同；有的由于功耗電流大小不一樣導(dǎo)致DDR走線參考層也不相同，有的需要參考電源層，有的需要相鄰層走線；當(dāng)然還有的就是需要跑到的目標(biāo)速率不同，我們?cè)谠O(shè)計(jì)上的設(shè)計(jì)裕量也會(huì)有所差異等等。因此對(duì)于我們高速先生來(lái)說(shuō)，每一塊算力卡的DDR設(shè)計(jì)都是不同的，當(dāng)然設(shè)計(jì)加工出來(lái)之后，我們和客戶配合著去調(diào)試的難度也是不一樣的。這一塊高速先生在近幾年的研討會(huì)上也和大家分享過(guò)一些經(jīng)典的案例，讓大家對(duì)DDR的設(shè)計(jì)和調(diào)試難度都有了新的認(rèn)識(shí)，AI產(chǎn)品的一些特點(diǎn)關(guān)于它的設(shè)計(jì)使得比以往任何產(chǎn)品的DDR難度都要大一點(diǎn)，當(dāng)然我們也就會(huì)有很多測(cè)試和仿真的案例了。這里關(guān)于DDR調(diào)試的案例，我們?cè)俳o大家分享一個(gè)從fail到pass的經(jīng)歷哈。

在一個(gè)安靜祥和的午后，高速先生剛剛還略帶點(diǎn)午睡的困意開始下午的工作，就突然收到了客戶一份很“提神”的郵件，讓大家立馬精神了起來(lái)。

原來(lái)是客戶在我們公司設(shè)計(jì)加工的一款主力的AI算力卡出現(xiàn)了調(diào)試fail的問(wèn)題，客戶本身是一家很有研發(fā)能力而且很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓�，它們�?duì)硬件原理和調(diào)試都是具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，然而這款產(chǎn)品的DDR模塊他們調(diào)試了幾周都依然沒(méi)辦法成功。由于是我司PCB工程師設(shè)計(jì)的板子，因此高速先生肯定是臨危受命，去負(fù)責(zé)介入到他們的調(diào)試中去。

高速先生打開PCB文件，看到了FPGA和C1這個(gè)DDR通道的連接，這個(gè)通道是由9個(gè)DDR顆粒組成，也就是我們所說(shuō)的1拖9的DDR拓?fù)�。由于板子的密度很大，因此只能采取正反貼的形式進(jìn)行布局布線，如下圖所示。

由于FPGA芯片是有關(guān)于DDR的設(shè)計(jì)指導(dǎo)文檔，我司的PCB工程師和客戶在投板前也反復(fù)確認(rèn)了該DDR模塊的設(shè)計(jì)是完全按照文檔上面每一條細(xì)致的指導(dǎo)去布線的。例如下圖的L0，L1，L2等每段長(zhǎng)度文檔上都是有要求。

客戶就是因?yàn)橛X(jué)得都按照了上面的設(shè)計(jì)指導(dǎo)進(jìn)行布局布線，認(rèn)為設(shè)計(jì)其實(shí)是達(dá)到了要求，因此才堅(jiān)持著花費(fèi)了近一個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行調(diào)試，希望能從調(diào)試中去解決問(wèn)題。高速先生介入后，發(fā)現(xiàn)客戶的調(diào)試其實(shí)已經(jīng)做了很多內(nèi)容，包括驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻的變化，ODT電阻的變化，電源電壓的微調(diào)，VTT電阻的改變，飛線等等，但是仍然無(wú)法達(dá)到額定的2400Mbps的速率。由于這個(gè)項(xiàng)目當(dāng)時(shí)是沒(méi)有進(jìn)行過(guò)我們高速先生仿真的，因此我們首先建議做一個(gè)debug形式的仿真，也就是在基于調(diào)試結(jié)果的仿真，看看仿真的測(cè)試的擬合度到底高不高，從中找出問(wèn)題。

由于我們對(duì)xilinx的FPGA仿真模型和DDR顆粒的仿真模型都比較有信心，之前也做過(guò)很多仿真測(cè)試的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)仿真和測(cè)試波形的擬合度是比較高的，再加上高速先生看到這個(gè)拓?fù)溥€是非常的復(fù)雜，因此有信心在客戶調(diào)試的配置參數(shù)下得出一個(gè)“差”的仿真結(jié)果！你沒(méi)聽錯(cuò)，我們這種debug的仿真就是希望得到一個(gè)差的仿真結(jié)果，這樣才能和實(shí)際上調(diào)試fail的情況吻合上。

果然，高速先生希望的事情發(fā)生了，我們對(duì)地址控制信號(hào)進(jìn)行仿真的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了距離FPGA最近的DDR顆粒的信號(hào)質(zhì)量是不滿足要求的，為什么要看距離主芯片最近的顆粒，這個(gè)高速先生已經(jīng)說(shuō)過(guò)很多次了哈，這里就不再重復(fù)了。

同樣，根據(jù)客戶調(diào)試的情況，我們?cè)诜抡嬷羞x擇不同的驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻和VTT電阻的阻值，的確也和調(diào)試的情況類似，都不能得到一個(gè)很好的信號(hào)質(zhì)量。到這里，我們開了一個(gè)好頭，至少能在仿真中得到了和測(cè)試結(jié)果相對(duì)應(yīng)的結(jié)論。

但是高速先生在仿真中還能做些什么呢？我們雖然通過(guò)仿真找到了差的波形，但是這對(duì)于調(diào)試卻起不了太多指導(dǎo)的作用。因此我們繼續(xù)去通過(guò)仿真模型來(lái)看看，到底會(huì)不會(huì)還有什么驅(qū)動(dòng)的配置我們可以嘗試過(guò)。我們打開FPGA的ibs模型，看到可選擇的以下驅(qū)動(dòng)配置中，其實(shí)我們和客戶只用到了左邊的這種配置，上面有40到60歐姆內(nèi)阻的選擇，我們仿真和客戶調(diào)試都試過(guò)了，沒(méi)有明顯的改善。

但是我們驚訝的發(fā)現(xiàn)，原來(lái)模型上還有綠色的兩列基本和之前紅色列的配置幾乎一樣的驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻可以選擇，但是唯一不同的是F，M和S的區(qū)別，因此高速先生再花點(diǎn)時(shí)間去掃描一下同樣是40歐姆驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻的情況下，F(xiàn)，M和S下面這三種buffer到底會(huì)不會(huì)有差異呢？

結(jié)果讓高速先生感到驚訝的同時(shí)又感到興奮，原來(lái)在FAST，MEDIUM和SLOW模式下，對(duì)于同一個(gè)驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻的波形是有著明顯的差異。我們看到MEDIUM和SLOW模式下，信號(hào)的上升沿slew會(huì)變緩，這樣反而避免了部分的反射，使得信號(hào)的ringback減小，眼高的裕量變高。

關(guān)于上升沿與信號(hào)質(zhì)量的介紹，高速先生隊(duì)長(zhǎng)還親自上場(chǎng)錄制了通俗易懂的視頻，可以關(guān)注下。

https://m.bilibili.com/video/BV1zk4y1z7Dt

根據(jù)上面的掃描結(jié)果，我們選用MEDIUM的模式進(jìn)行全通道的仿真，看看和之前fast模式的結(jié)果相比到底有沒(méi)有改善。

結(jié)果給高速先生帶來(lái)了喜悅，我們用MEDIUM模式去仿真的結(jié)果能夠得到明顯的改善，同樣的顆粒信號(hào)質(zhì)量變得可以接受了。

高速先生從FPGA模型的選擇上解決了問(wèn)題，選取上升沿slew比較緩的驅(qū)動(dòng)反而能夠獲得比較好的信號(hào)質(zhì)量。

到這里，我們就只剩下最后一個(gè)問(wèn)題了，那就是到底我們能不能讓客戶在調(diào)試的參數(shù)配置中選擇MEDIUM的模式呢？客戶把他們調(diào)試的軟件界面發(fā)過(guò)來(lái)給我們，我們從下拉菜單中看到了的確有這種模式可以選擇，然后就讓客戶從默認(rèn)的FAST模式自動(dòng)換成MEDIUM的模式，看看效果有什么改善。

在大概等待了一天之后，客戶的一封報(bào)喜的郵件讓我們大家都輕松了下來(lái)，客戶調(diào)試了一個(gè)月之后，終于通過(guò)這個(gè)手動(dòng)調(diào)試的buffer切換快速解決了問(wèn)題。