DDR Interface Summary (DDR介面)

之前做過DDR IO和PHY的設計，本篇整理了DDR介面的一些電性規格，這裡只說明DDR和LPDDR的規格，至於GDDR不在討論範圍裡。DDR指標準的DRAM，就是我們在個人電腦(PC)上看到；LPDDR常出現需要低功耗的裝置上，如手機(mobile phone)、平板(tablet)、筆記型電腦(Notebook)上面；而GDDR則是GPU專用的DRAM。

首先來看DDR介面上的IO電壓，隨著DRAM的世代演進，IO電壓越來越低，如DDR2的IO電壓為1.8V，DDR4只有1.2V；而LPDDR4X的IO電壓更只有0.6V。所以當我們在設計DDR IO時，要選擇適合的device。例如設計DDR2/3 combo IO時，就需要選擇1.8V的IO device來設計，如果用core device 就需要串疊(stacked)會增加很多設計複雜度和可靠度問題。例如設計LPDDR4/4X combo IO可能用core device就能設計完成，但要注意core device的ESD問題。

接著來看速度，隨著DRAM的世代演進，資料傳輸速度也是越來越快，LPDDR4 DRAM的速度已經高達4266Mbps。還好IO電壓也越來越低，隨著半導體製程的進步，可利用低壓高速的device來設計DDR IO。

OCD (off-chip driver)是指輸出級的強度，傳統的GPIO的輸出級強度是用電流來表示，但DDR IO是用輸出阻抗來表示(註2)。ODT (On-die termination)是晶片上終端電阻的規格。而RZQ是外接電阻的規格。在DDR裡，會用一個外接精密電阻來校正IO的OCD和ODT值，使其不隨著製程飄移(process variation)而產生較大的差異。

下表列出不同的DDR規格所需要的OCD、ODT、RZQ值。基本上，RZQ都是240歐姆，而OCD和ODT的值，都是RZQ可並聯出來的。例如DDR3 34-ohm OCD，就可用並聯7個240 ohm的output driver來實現。至於DDR2只規定了ODT的值(50/75/150)，所以OCD只要符合SSTL18 13.4mA的輸出電流。

下表列出不同的DDR規格所規範的termination voltage(VTT)。LPDDR2沒有ODT，所以也就沒有定義VTT。DDR2和DDR3的VTT是在中間，也就是在一半的IO voltage，這也是我們一般熟知的termination方法。而DDR4和LPDDR3的VTT則是接到IO電壓(VDDQ)，這樣在傳送"1"時，不會消耗電流。到了LPDDR4，VTT則改GND(接地)，這樣變成在傳送"0"時，不會消耗電流。而VTT改成接地的好處是GND的noise較小，因為GND是整個系統中最穩定的電壓。

接著來說明DM(Data mask)這個pin，它在電路設計上跟data pin(DQ)是一樣的，一般是8個DQ會搭配1個DM，它是在把data寫入DRAM時，去框出data pin(DQ)裡的data是不是有效的，如果DQ是DM所框住的範圍，將會視為無效的。RDQS和TDQS之前介紹過了，可以參考這篇的介紹。DNV(Data not valid)剛好跟DM的相反，它是在讀取DRAM資料時，DQ被框住的範圍是無效的data。目前只有LPDDR2有DNV這個功能。DBI (Data bus inversion)就是指同週期的資料(DQ)是用反相傳送的。LPDDR4把DM和DBI合叫成DMI，它其實就是DM+DBI的意思。以DDR4來說，它支援DM、DBI、TDQS，但它是共用同一根pin，所以DM、DBI、TDQS只能開啟一種功能。

最後把前幾張圖表合成一個表，這樣就能一目瞭然。

這篇文章在2019就開始寫了，但一直沒做圖表，這幾天花點時間把它完成。不過現在2021年，目前一些規格文件已經更新了。JEDEC DDR4最新版是JESD79-4C，DDR5 (JESD79-5)和LPDDR5 (JESD209-5A)的規格也正式公布了，有機會再把它們補上。

 

Reference:

1. DDR2 JESD79-2F, Nov. 2009
2. DDR3 JESD79-3F, Jul. 2012
3. DDR4 JESD79-4B, Jun. 2017
4. LPDDR2, JESD209-2F, June 2013. 
5. LPDDR3 JESD209-3C, Aug. 2015
6. LPDDR4 JESD209-4C, Nov. 2019
7. LPDDR4X JESD209-4-1, Mar. 2017

註1: 最新的DDR5，其IO電壓為1.1V；而LPDDR5/5X，IO電壓更只有1.05V和0.5V。

相關文章：

1. DDR SDRAM的TDQS/RDQS功能