שיטה חדשה למדידת ההפרעות בהעברת נתונים בקצב של 5Gbps
30 דצמבר, 2012
אוסילוסקופים ארבע-ערוציים רחבי-פס המתאפיינים ברצפת רעש נמוכה וברצפת מדידת ריצוד נמוכה, דוגמת Agilent Infiniium Q series, מאפשרים להפריד בהצלחה בין נתוני הקריאה ונתוני הכתיבה בתכנון מערכות העברת נתונים מהירות, המבוססות על GDDR5
בקצבים של 5Gb/s, המערכת רגישה מאוד לערב-דיבור והפרעות אלקטרומגנטיות
מאת: Ai Lee Kuan, Agilent Technologies
טכנולוגיית כרטיסי המסך המבוססת על זיכרון גישה אקראי דינמי GDDR5, נמצאת בשימוש במעבדים גרפיים (GPU) חזקים ומספקת קצבי העברת נתונים של יותר מ-5Gb/s. בקצבים גבוהים אלה, מדידות ריצוד הנתונים (Jitter) במהלך התכנון, חשובות מאוד להבנת השפעות הריצוד על הנתונים (data valid window).
כדי לעשות זאת יש לנתח את נתוני הקריאה והכתיבה בנפרד, אולם בקצבים כה מהירים מדובר במשימה מורכבת מאוד. המאמר מתאר טכניקה חדשה למדידת ריצוד נתונים עבור GDDR5, העושה שימוש בארבעה ערוצים בלבד של אוסילוסקופ רחב-פס.
השפעת הריצוד על נתוני GDDR5
זיכרון ה-GDDR5 SGRAM מעביר נתונים באמצעות forwarded clock דיפרנציאלי (WCK/WCK#), כאשר הן נתוני הקלט והן נתוני הפלט נרשמים ומקודמים בהתאמה בשני קצותיו של ה-forwarded WCK לצורך הכוונת קריאה וכתיבה. הכוונה זו מאפשרת מיטוב שולי רמת האמפליטודה ותזמון הנתונים. למרות שאיפיון הריצוד לא מוגדר במיפרט JEDEC, מדובר במשימת מדידה חשובה בקצבי נתונים גבוהים כאלה. מקורות ריצוד הנובעים ממערכת ה-GDDR5, כגון הפרעת inter-symbol, ISI, ערב-דיבור (cross talk) וכן עיוות duty cycle, DCD – מגבילים את ביצועי הכרטיסים הגרפיים והתקשורתבין בקר הזיכרון לבין ה-DRAM.
ריצוד מוגדר כסטייה של מעבר האות מן הזמן האידיאלי שלו. בקצבים מהירים כמו אלה של GDDR5, ישחשיבות של כל פיקו-שנייה המורווח בשוליים. אפילו ריצוד זעיר יכול לסגור את ,חלון הנתונים התקפים" של נתוני הקריאה והכתיבה, ולהגדיל את שיעור שגיאות הסיביות ושגיאות דגימת הנתונים.
בקצב של 5Gb/s ומעלה, חלון הנתונים התקפים קטן במיוחד. רעשים שמקורם באותות סמוכים או הפרעות אלקטרומגנטיות יכולים בקלות לעוות את האות. אומנם דיאגרמת-עין בזמן אמת מספקת הערכה של חלון הנתונים התקפים, אולם היא לא מעניקה תובנה מלאה של הבעיה ואינה מאפשרת לגבש תחזית לשיעור הכשלים. באיור 1 מוצגת דיאגרמת עין של כתיבת נתונים הכוללת מיליון מרווחי יחידות, עם מדידת UI.
מדידה ראשונית זו תוביל לחלון ערך של פלט נתונים העומד על 200ps. קווי הריצוד הדטרמיניסטי (DJ) והריצוד האקראי (RJ) מציגים את השפעת הריצוד למשך פרק זמן ארוך ואת חלון הנתונים התקפים בפועל (tDIVW) לאחר טריליון UI (שיעור שגיאות סיביות של 1e-12 או BER). בדרך-כלל הריצוד הדטרמיניסטי הוא תחום וחזוי, וניתן לבצע קורלציה שלו לרצף הנתונים; כגון הפרעת inter-symbol ועיוות duty cycle.
מנגד, ריצוד אקראי הוא גאוסייני (Gauss) ואינו תחום. כלומר ככל שהאוכלוסייה צפופה יותר, גדל גם ערך ה-peak to peak של ההתפלגות. לפיכך, הריצוד הכולל הינו DJ פלוס מכפיל BER של RJ. שימו לב שחלון נתוני הפלט התקפים מבוצע על נתוני הכתיבה. ניתן לראות כמה חשוב לבצע חישובי מדידות BER של הריצוד על-מנת לגבש מדידה סטטיסטית של הריצוד הכולל ולהבין ולהבין נכוחה מהו קצב השגיאות הצפוי בתכנון. הבנת רכיבי הריצוד ומקורותיו יכולה לסייע לשפר את דיוק העברת הנתונים.
מדידת ריצוד נתונים באמצעות אוסילוסקופ ארבע-ערוצי
אחת מהמשימות הקשות של מתכנני מערכות GDDR5 היא הפרדת נתוני הקריאה והכתיבה לצורךמדידת הריצוד. נתוני הקריאה והכתיבה חולקים נתיב נתונים משותף. עם זאת, הם חשובים לתכנון כגורמים נפרדים. מתכננים רבים היו משתמשים באוסילוסקופ אותות מעורבים לצורך הפעלת פרוטוקול הפקודות והשגת נתוני הקריאה והכתיבה התואמים. אלא ששימוש באוסילוסקופ אותות מעורבים לצורך הפרדת נתוני קריאה וכתיבה מצריך נגישות אותות לשעון, CS#, RAS#, CAS# ו-WE#, בנוסף ל-WCK ו-DQ. מדובר בשיטה מייגעת הכרוכה בבעיות קשות בטעינת הבחון.
ניתן לבצע מדידות ריצוד באמצעות אוסילוסקופ רחב-פס. טכניקת הפרדת הנתונים כרוכה בחיבור של CAS#, WE#, WCK ו-DQ לארבעת הערוצים האנלוגיים של האוסילוסקופ, לצורך זיהוי פקודות הקריאה והכתיבה. כאשר CAS# עובר למצב נמוך, ניתן לזהות כל פקודה של כתובת עמודה (column address). אפשרויות הפקודה כאן מוגבלות ל-deselect, MRS, Read, Write, Refresh ו-self refresh. כאשר WE# נמוך בו-זמנית עם MRS; הפקודות הזמינות היחידות הן #CAS ו-write.
זיהוי נתוני הקריאה והכתיבה
ניתן לקבוע את זמן ההשהיה של הכתיבה ולהשתמש בו לצורך הפרדה של מחזורי הכתיבה מ-deselct ו-MRS. כאשר ההתקן נמצא במצב של deselect, יש לשמר את הנתונים במצב ODT. במקרה של MRS, פלטי הנתונים עבור Vendor ID נמצאים בהשהייה של 10 ננו-שניות לעומת פקודת ה-MRS; וכך, הנתונים המועברים במהלך השהיית הכתיבה מ-CAS# ו-WE# נותרים נמוכים מכדי להיות נתוני כתיבה.
כאשר WE# גבוה במקביל למעבר CAS# נמוך, מתבצע זיהוי של ערכי deselect, read, refresh ו-self refresh. ערכי Deselect, refresh ו-self refresh מחייבים את הימצאות הנתונים במצב ODT עבור פקודות אלה. ניתן להפריד את Read מפקודות אלה על-ידי זיהוי הנתונים המועברים בזמן ההשהייה של הקריאה, כמתואר באיור 2.
כעת, כשניתן לזהות את נתוני הכתיבה והקריאה ולהפרידם, ניתן גם למדוד את הריצוד. חלון נתוני הפלט התקפים, tDIVW, הוא חלון נתוני הכתיבה התקפים ביחס לקצה שעון WCK התואם. שגיאת מרווח הזמן TIE נמדדת עבור כל קצה נתונים ביחס לקצה השעון WCK. ניתן למדוד שתי מגמות TIE; האחת עבור מעברי נתונים לפני WCK והאחרת – עבור מעברי נתונים לאחר WCK, לצורך חישוב tDIVW, כמתואר באיור 3.
לאחר זיהוי מגמת TIE של הנתונים, ניתן גם לקבוע את ה-jitter decomposition (פירוק הריצוד) עבור הריצוד הדטרמיניסטי והריצוד האקראי. ניתן לחשב את הריצוד הכולל של הנתונים בכל אחד מצדי ה-WCK וכן לקבוע את ה-tDIVW לשיעור רצוי של שגיאות סיביות, BER. שימו לב שערך הריצוד הדטרמיניסטי שונה בין העין השמאלית לבין העין הימנית בדיאגרמה. עם זאת, ערכי הריצוד האקראי זהים עבור שתיהן.
במסגרת הבדיקה ניתן לקבוע את צדו השמאלי של ה-tDIVW, על סמך נקודת האמצע של TIE פלוס לפי 1/2Djdd+QBER*Rj. צדו הימני של ה-tDIVW ניתן לחישוב על סמך נקודת האמצע של TIE מינוס 1/2Djdd+QBER*Rj. בהמשך, ניתן גם לחשב את tDIVW כחלון הנתונים שבין שתי המדידות.
באותה מידה, חשוב להבין את נתוני הקריאה המוצגים בפני הבקר על-ידי התקן ה-GDDR5. המדידות ניתנות לביצוע באופן זהה עבור נתוני הקריאה, על מנת שמתכנניהם של בקרי הזיכרון יוכלו להבין את השפעת הריצוד על הנתונים שנשלחים דרך ה-GDDR5 SGRAM לבקר הזיכרון ולגבש ציפיות שיאפשרו לפתח בקר זיכרון עמיד. חשוב לבצע מדידות אלה באמצעות אוסילוסקופ ארבע-ערוצים רחב-פס ובעל קצב דגימה גבוה כדי לוודא מדידה של הקצה האמיתי. חשוב גם שהאוסילוסקופים יהיה בעל רצפת ריצוד ורצפת רעש נמוכות כדי לצמצם את תוספות הרעש למדידה.
סיכום
ככל שטכנולוגיית ה-GDDR5 מגיעה לקצבי נתונים של 5Gb/s ומעלה, האמפליטודה של האותות וחלון הנתונים התקפים הם קטנים ביותר, וחלה עלייה בשיעור שגיאות הדגימה. מדידות מדויקות של פירוק הריצוד האקראי והריצוד הדטרמיניסטי מאפשרות לחשב את חלון נתוני הפלט התקפים ולכמת את שגיאות הדגימה של הנתונים.
אוסילוסקופים ארבע-ערוציים רחבי-פס המתאפיינים ברצפת רעש נמוכה וברצפת מדידת ריצוד נמוכה (דוגמת Agilent Infiniium Q series) מבטיחים התקנה פשוטה ודרישות פחותות בהשוואה לאוסילוסקופ אותות מעורבים. הם מאפשרים להפריד בהצלחה בין נתוני הקריאה ונתוני הכתיבה ולהבטיח שוליים מרביים עבור תכנון מערכת ה-GDDR5.
פורסם בקטגוריות: חדשות , צב"ד , ציוד בדיקה
כתבות נוספות העשויות לעניין אותך
