כיצד הפך פרוייקט פיתוח בקר זיכרון לאתגר מקצועי בתחום הבדיקות
16 אפריל, 2012
פיתוח בקר זיכרון המשולב ב-GPU הפך לפרוייקט בדיקות מתוחכם. הוא נועד להתגבר על זרמי משטח מהירים שנוצרו בערוץ מידע מהיר של 1.33GB/s. בסופו של דבר קיבל האתגר הטכנולוגי מענה באמצעות מערכת המידול Momentum של Agilent
פיתוח בקר זיכרון המשולב ב-GPU הפך לפרוייקט בדיקות מתוחכם. הוא נועד להתגבר על זרמי משטח מהירים שנוצרו בערוץ מידע מהיר של 1.33GB/s. בסופו של דבר קיבל האתגר הטכנולוגי מענה באמצעות מערכת המידול Momentum של Agilent
מאת: H. Fahmy, Agilent Technologies
חייהם של מהנדסי התכנון אינם קלים: הם נאלצים להסתפק במשאבים מצומצמים כדי לפתח התקנים קטנים ומהירים יותר, בלוחות זמנים תובעניים ולספק מוצרים בעלי מורכבות חסרת-תקשים הדורשת שימוש במתודות פיתוח ובדיקה חדשות.
כדי להמחיש את הדילמה, נבחן כאן פרויקט פיתוח מערכת שעליו שקדתי לאחרונה. המערכת כללה בקר זיכרון המשולב ב-GPU וכן South-bridge. הבעיה המרכזית שעמה התמודדנו היתה הופעת "נקודות חמות" במישור ההארקה של ה-PCB. הן נוצרו עקב ריכוז של זרמים שהתפתחו מתעבורת אותות מידע מהירים שהגיעו מערוץ זיכרון שפעל בקצב של 1.33GB/s. התוצאה היתה קריסת "דיאגרמת העין".
פרוייקט במבחן הבדיקות
כדי לסבך את העניינים עוד יותר, ניסינו להריץ את מערכת זיכרון ה-DDR3 עם שני SODIMMs/channel, באכלוס מלא ובקצב של 1.33GB/s, כדי להפחית עלויות לכל אורכו של ערוץ הזיכרון, החל במספר השכבות בחבילת הבקר וה-PCBs וכלה ב-BOM (רשימת החומרים). אולם לאור הלו"ז הצפוף היה ברור שמדובר במשימה עתירת סיכונים.
ממרום ניסיוני (17 שנים בתכנון מערכות זיכרון) ברור לי ש"עיגול פינות" כדי לעמוד במחזורי פיתוח לחוצים גורמת לעתים לוויתור על מידול התופעות הקריטיות בערוץ. אחת מהן היא Return-Path-Discontinuity, הגורמת לקריסת העין ולפגיעה בביצועי הזיכרון.
כדי לעמוד בעלות היעד של המוצר, מתכנן הפריסה של מארז בקר הזיכרון בצוות שלי שאף להפחית את מספר השכבות ואת ה-Ground Plated-through-holes המשמשים לאיחוי ו"מחוררים" את ה-Power Planes כמו גבינה שווייצרית.
הנושא הזה מחזיר אותי אל הנקודות החמות שהזכרתי לעיל. נקודות חמות אלה נגרמות בגין היעדר ground-PTH מאחה, כאשר אותות הנתונים (Data) עוברים מהבליטות שעל פיסת הסיליקון אל כדוריות המארז, תוך שינוי ה-Reference Plane. התוצאה היא ערב-דיבור (x-talk) נרחב, שהיה מאלץ אותנו לעצור את המערכת בקצבים של 1.067GB/s או אפילו 0.8GB/s ולזנוח את היעד של 1.33GB/s. היה ברור שהאופציה לא מקובלת.
Momentum של Agilent
הפתרון טמון בבחירת שיטה מתאימה למידול המארז וה-PCB RPD. בחרנו בשיטת Frequency-domain Formulation עבור שיטת המומנטים (Method Of Moments), בשילוב הדמייה אלקטרו-מגנטית (EM) חישובית בגל מלא. שיטת MOM מתאפיינת בדיוק מרבי מרמת ה-DC ועד לתדרים של מאות גה"צ, בכפוף ל-meshing.
כדי לוודא שהגישה נכונה, ערכתי קורלציה של התוצאות שהושגו באמצעות סימולטור שיטת המומנטים של Agilent, הנקרא Momentum וקיים בתוכנת Advanced Design System, ותוך שימוש במדידות של לוח מעגלים מודפסים אופייני, שבוצעו באמצעות נתח רשת וקטורי (VNA).
הקורלצייה עם תוצאת מדידת ה-S‑parameters שהתקבלה איששה במידה רבה את ההשערה, כי המידול של המארזים והמעגלים המודפסים בערוץ הזיכרון היה מדויק. היא גם סיפקה לי הערכת סיכונים מהימנה של מערכת הזיכרון המאתגרת שלי, אשר תאמה במידה רבה למדידות "העולם האמיתי", גם כאשר המערכת הופעלה במעבדה.
המודל חשף בעיית DC
מידול חבילת שמונה השכבות שבוצע באמצעות Momentum סייע לצוות שלי לבטוח במודל ה-S-parameter, בטווח שבין DC לבין 20GHz. ה-DC התברר כנקודה קריטית בערוץ זיכרון ה-DDR3, כיוון שהשתמשנו בטכנולוגיית SSTL15 עבור האפיק שנע סביב 0.75V.
בעת שאותות הנתונים מתרחקים מבליטות פיסת הסיליקון שעל ארבע השכבות העליונות, הם מנותבים כ-Symmetric Striplines. האותות משנים את מישור הייחוס של ההארקה בעת שהם מתרחקים משכבות אלה דרך אזור הליבה של 800µm ומגיעים אל כדוריות המארז, ב-15 GND-PTH כל נתיב.
מתכנן הפריסה בצוות רצה לקצץ במספר ה-GND-PTH שבכל ערוץ, אולם המשימה לא הייתה קלה. תחילה היה עלינו למצוא מענה למספר שאלות: מהו המספר הנמוך ביותר של GND-PTH שניתן להשתמש כדי להבטיח סיכון נמוך בקצב של 1.33GB/s. מהו המרחק הנדרש בין ה-GND-PTH לבין מעברי האותות.
האם השינויים ישפיעו על אותות ה-1.33GB/s או שמא מדובר ב"תכנון-יתר" של מערכת הזיכרון ותו לא? ואם נסתפק בשלושה GND‑PTH לנתיב ולא ב-15, כיצד נפחית את העלות? ה-RPD הבהיר לנו שההשפעה הרבה ביותר נודעה על ה-x‑talk בקצה הקרוב (NEXT), עם דלתא של 10dB עבור שלושה GND‑PTH. זאת לעומת דלתא של 30dB עבור אפס GND‑PTH ובהשוואה ל-15‑GND‑PTH, כמתואר בגרף למטה.
צפיפות זרם המשטח במישורי ההארקה התגלתה כדומה לנקודות החמות, עם זרם מוחזר מוגבל שהושג באמצעות איחוי נאות (ממול). RPD חזק מאפשר פיזור מרחבי רחב של זרם המשטח.
מדידות S-parameter
בהמשך נדרשנו להתמודד עם שתי שאלות נוספות: האם עלייה של 10dB ב-NEXT מבטיחה פעולה נטולת סיכונים בקצב של 1.33GB/s, והאם הפיזור המרחבי הרחב של הזרמים החוזרים במישורי ההארקה גורם לכשל בתאימות ה-EMI לנהלי ה-FCC?
על-מנת להשיב לשאלות אלה, נדרשנו למדל את ערוץ הזיכרון כולו, פיסה אחר פיסה, לרבות ה-PCB של לוח האם (MB), מחברי ה-SODIMM וה-R/C‑FSODIMMs. גם במקרה זה השתמשנו ב-Momentum עבור ה-PCB של לוח האם וה-R/C‑F SODIMMs. לאחר מכן יצרנו מודל של מחבר ה-SODIMM באמצעות שיטה משולבת של הדמיית FEM ומדידות VNA. הליך זה סיפק לנו מודל מדידות S-parameter סיבתי ופסיבי כאחד עבור המחבר.
לאחר מכן הפקנו דיאגרמת עין עבור 15 נקודות GND‑PTH באמצעות מידול IBIS של ה-I/O buffers. הדיאגרמה שהתקבלה הציגה בבירור פעולה נמוכת סיכונים בקצב של 1.33GB/s, כולל מרווח התקנה של 100ps+ במקרה הגרוע. המחסור ב-GND-PTH גרם לכשל כאשר המעגל עבד בקצב של 1.33GB/s.
האם המארז הוא אנטנה?
לבסוף, מהנדס האימות בצוות נדרש לקבוע אם יש להפעיל את ה-Spread Spectrum במקביל להפחתת העלויות של מארז שמונה השכבות שלנו, המושגת באמצעות 3‑GND‑PTH. גם במקרה זה ה-Momentum בא לעזרתנו. השתמשנו בו במצב µwave לצורך חישוב פרמטרי שבח האנטנה, ממש כאילו המארז מתפקד שלא בכוונה כמעין אנטנה.
מצאנו ששבח האנטנה עבור 3 נקודות GND‑PTH היה גרוע ב-8dB מאשר ב-15 נקודות GND‑PTH. במקביל המלצנו על הפעלת Spread Spectrum של 0.5%.
בסופו של יום מערכת הזיכרון זכתה להצלחה – במידה רבה בזכות היישום הנכון של טכניקות כגון "שיטת המומנטים", שימוש בכלי-תכנון מתאימים עבור הדמיית EM ומדידות VNA וההחלטות המושכלות שקיבלנו לאורך תהליך התכנון. הפרויקט לא היה קל, אבל אין ספק כי זמינותם של כלים מתאימים וצוות מנוסה עשו את כל ההבדל – והרי לכם לקח חשוב לכל מהנדס לחוץ ומותש.
פורסם בקטגוריות: Test & Measurments , חדשות , צב"ד , ציוד בדיקה
כתבות נוספות העשויות לעניין אותך
