Memory及其controller芯片整体测试方案（下篇）
{ 第三部分 }
DDR总线的设计、调试和验证
在计算机架构中，DDR作为程序运算的动态存储器，面对如高性能计算、图形计算、移动计算、工业应用等领域的要求，发展出DDR4，以及用于图形计算的GDDR5, HBM2，面向移动计算的低功耗LPDDR4等标准。
处理器的运算速度越来越快，DDR的性能也要求越来越高，明显的趋势是DDR总线工作频率持续提升， DDR4 达到3.2GT/s, 用于智能手机等低功耗场合的LPDDR4速率甚至超越了DDR4，最高达到4.2GT/s，JEDEC在年中的论坛中提出未来的DDR5工作速率将达到6.4GT/s，由于速率的提升，DDR5中将可能考虑在接收端采用多阶DFE均衡器，而在强调性能的图形计算领域，规划中的GDDR6的工作速率可能会达到16GT/s。另一方面由于能耗比的要求，DDR标准在演进中工作电压持续走低，如LPDDR4X的工作电压降低至0.6V。
DDR总线采用源同步的技术，多比特并行通信的机制，总线中会存在同步开关噪声和串扰等问题；由于信号速率持续提升单个比特位宽收窄，导致时序裕度变的很紧张，抖动问题也越发明显；而工作电压的降低，噪声和电源完整性的问题也变得非常显著。DDR4总线既有并行总线存在的问题，也要面临如同高速SERDES设计中存在的挑战，可以说是在数字系统中最为复杂的一环，如果不能保证DDR总线的可靠运行，有可能会导致整个硬件系统的崩溃。
针对这些问题，是德科技提供了从DDR4总线的设计仿真和分析，到系统上电后DDR4信号完整性验证、时序验证、眼图轮廓测试、电源完整性验证，以及总线时序一致性分析，故障定位，性能统计等等完整的解决方案。（如下图所示）
JEDEC协会定义的DDR4信号特性主要包括以下主要内容↘↘↘
Electrical
-
VIH/VIL,VOH/VOL
-
Overshoot/undershoot
-
Crossingpoint
Timing
-
Pre/Postamble timing
-
DQS/DQ/CLKDelta time
Eyediagram
-
RxInput Mask
其中电气特性和时序特性基本与之前DDR3等要求比较类似，眼图这一项是随着信号速率的提升，新增加的一个要求。可能有读者会问，以前DDR3或之前的测试，示波器软件也有眼图测试，到了DDR4对于眼图测试要求有什么区别吗？（篇幅所限，以上问题本文不再做进一步的详细解释，有兴趣的同学可以 点击下载>>>【DDR4眼图测试】全文了解。）
是德科技ADS仿真软件的DDR4总线仿真器，提供了统计眼图分析的功能，能够在短时间内统计计算在极低误码率(1e-16)下的DQ眼图，根据规范判断模板是否违规。另外基于总线的仿真，也很易于仿真基于串扰因素下的眼图质量。
基于示波器的DDR4信号实测，可以利用大家熟悉的InfiniiScan区域触发功能，很容易分离出“写”信号，再通过Gating功能对Burst写信号做时钟恢复和眼图重建，再进行Eye Contour测量，并验证1e-16误码率下的眼图模板是否违规。如果是使用一致性测试软件，就不用手动操作，软件会自动跟踪和分离波形并实现眼图测试（如下图所示）
DDR4做测试时，由于BGA信号难以探测，是德科技提供了N2114A/N2115A等DDR4 Interposer，将BGA下方的信号引到Interposer外围，方便探头焊接。
最后，对于物理层无论是仿真还是一致性测试软件得到的数据，都可以通过数据分析工具N8844A导入到云端，通过可视化工具，生成统计分析表格，对比性分析高低温、高低电压等极端情况下不同的测试结果，比较不同被测件异同。为开发测试部门提供灵活和有效的大数据分析平台。
以上，我们介绍了DDR4总线物理层仿真测试和协议层的测试方案，借助仿真软件、示波器和逻辑分析仪对DDR4总线分析调试的主要方法。
再通过逻辑分析仪的内存软件解析DDR总线的操作和分析性能，可以分析出由于系统中集中的读操作，以及LPDDR4的速率切换导致了电源电压的波动，以及特定命令操作导致的电压跌落现象。（详细技术细节，请点击下载>>>【DDR4眼图测试】进一步了解。）
{ 第四部分 }
NAND memory 颗粒
和 controller 之间的高速接口调试
NANDmemory 颗粒和其controller 之间的高速接口主要分以下几种↘↘↘
M-PHY(UFS)
SD UHS-II
eMMC
ONFi（Open NAND FLASH Interface）
以UFS为例，让我们分别来看这类高速接口的
1、物理层一致性测试
发射端
接收端
接口及互连S参数和阻抗
2、协议层分析和测试
UFS2.1总线的分析验证方法
随着智能手机的爆炸式增长，移动存储技术也发生着巨大的变化，从早期手机内置存储器并且开放MicroSD存储卡接口，到现在多数手机只有内部固定存储器。
这些年eMMC技术被广泛使用，最新eMMC5.1标准理论最高传输速率可以达到400MB/s，但最近移动设备中越来越多采用了JEDEC协会定义的UFS协议。
UFS2.1协议基于MIPI M-PHY G3的物理层标准，使用两个通道，与eMMC比较，简单来说是将从并行改为串行架构，收发双向全双工传输，两路传输吞吐速率可以达到11.6Gbps。除了高速率性能，另外UFS具有很好的功耗性能，在移动领域有替代eMMC的趋势。我在这里总结了一下UFS与eMMC的主要差异：
| UFS | eMMC | |
|---|---|---|
|
当前标准 |
2.1 |
5.1 |
|
物理层 |
M-PHY G3 |
N/A |
|
链路层 |
UniPro v1.6 |
N/A |
|
接口 |
串行 |
并行 |
|
通道数 |
2 |
8 (11 w/ strobe) |
|
双工 |
全双工 |
半双工 |
|
时钟架构 |
嵌入时钟 |
源同步 |
|
理想吞吐速率 |
5.8Gbps x 2 |
HS400 max 3.2Gbps |
|
编码 |
8b/10b, PWM |
N/A |
|
均衡 |
TX & RX (G4) |
N/A |
|
下一代标准 |
UFS3.0, M-PHY G4 11.6Gbps |
N/A |
|
一致性认证 |
UFSA：
MIPI/UNH-IOL：
|
No compliance program |
>>> UFS的物理层测试方案
UFS采用分层结构，底层物理层采用MIPI联盟的M-PHY标准，数据链路层为UniPro，再上层协议层采用JEDEC协会定义的UFS协议。
UFS2.1架构如下图所示↘↘↘
▲ 上图引用自Arasan网站
>>> M-PHY物理层主要有如下主要的特点
每个信号通路是单向传输，信号采用差分传输机制，信号有高速HS和低速LS两种模式，高速信号采用8b/10b编码，使用PLL类型端时钟恢复，在突发的开始需要同步信号；低速信号则使用PWM调制方式。M-PHY有两种电压摆幅大幅度LA和小幅度SA，可以工作在端接模式和非端接模式，后一种可以在低功耗要求时使用。
M-PHY一致性测试规范包括了发射端，接收端，接口及互连S参数和阻抗三部分内容。
>>> 发射端测试方案如下：
>>> 接收端测试方案如下：
接收端的测试难点有几个方面：
-
接收测试的原理是，激励压力信号到接收端，环回后测试误码率，压力信号通常包括随机抖动Rj，确定性抖动包括ISI和正弦抖动Sj扫描，激励源允许加入去加重，环回后测试设备需要通过CDR恢复时钟，进而测试误码率。是德科技M8020A误码仪集成经过校准的Rj，BUJ, PJ,SSC等抖动源，内置可调节ISI，可以直接按照规范规定的CH1/CH2的插入损耗要求生成ISI。内置CDR从环回信号恢复时钟测试误码率。
-
在做UFS接收测试时，芯片有可能内置参考时钟如19.2MHz不能外部输入，这就要求误码仪与被测芯片提供的时钟同步，对于G3的信号速率5.8Gb/s，要求内部倍频304倍，如果是G4的速率11.6Gb/s，需要倍频608倍，M8020A的0G6选件可以直接外部参考时钟输入倍频后产生G3/G4要求的速率信号激励给被测件。
-
CTS除了要求接收容忍度测试之外，也会测试2.1.6 – HS-RXLane-to-Lane Skew (TL2L-SKEW-HS-RX)，这一项是要求测试接收端的通道与通道间对skew的容忍度，这就要求激励源有2个通道，M8020A误码仪可以支持4通道16.2Gbps的发生和误码检测通道。
>>> 互连S参数和阻抗测试方案：
需要注意的是测试SDD21回波损耗的时候，被测件需要在工作状态并发出CRPAT码型的情况下做测试，TDR需要加入大量平均以减少被测信号发射波形的影响，这种测试推荐使用网络仪完成，可以调整发射功率和减少IFBW减少DUT发射信号对测量的影响，是德科技VNA E5071C带有TDR选件功能，可以从频域到时域实现完整的测试要求。
>>> UFS协议层分析和测试方案：
上图展示了是德科技U4431A UFS协议分析仪和捕获分析UFS链路协议的界面，U4431A支持M-PHY G3速率等级，采集深度16GB，可以支持双向各4个lane。
{ 第五部分 }
SSD高速接口的设计与验证
SSD是Solid State Drive也就固态盘的简写，作用如同传统硬盘，在系统掉电后，仍可以保持存储数据和程序。当然也有Intel美光等公司开发基于高速固态存储器技术3DXpoint也可以用于动态访问应用，这里由于篇幅所限，不在本文的讨论范围之内。
相较于机械硬盘，SSD访问速度大幅提升，也有噪音低、不怕碰撞等优点。从这些年的发展来看，SSD容量大幅度提升，成本也逐步降低，在消费领域或者企业市场已经有很大的普及。
现在的SSD多数采用TLC或MLC NANDFlash作为存储介质，除了NAND存储器颗粒之外，在SSD架构中，通常包括SSD控制器实现存储器的访问控制、缓冲器管理和特定的算法，也包括DDR 存储器实现数据缓冲和计算，以及与主机通信的的高速接口。对于DDR的测试方案，前面我们做了介绍，这一部分，我们主要来讨论一下高速接口的部分。
▲ 摘自Coding forSSDs – Part 2: Architecture of an SSD and Benchmarking
SSD控制器主要接口类型的包括PCIe, SAS, SATA, USB等，这里我总结了这几种接口技术的主要差别。
由于标准PCIe和SAS接口技术的高性能和扩展性，一般更多用于企业应用，而SATA和USB接口通常用于个人消费领域。
从使用的接口类型来看，PCIe协会PCISIG定义了除标准接口之外，还支持包括U.2, SATA Express以及m.2接口，并在最近也开发定义了OCulink的电缆接口。从这几种标准来看，以PCIe3.0为代表，采用了更加复杂的编码格式，以提升传输效率，另外发射接收端均衡能力也有很大提升，比如PCIe3.0在规范中定义了链路均衡训练机制，RC和EP芯片通过链路协商调整预加重和接收均衡，使得系统误码率维持在低水平。
首先我们先来了解PCIe总线的情况。2017年10月，PCISIG正式发布了PCIe4.0基础规范1.0版本，这是PCIe规范发展的一个重要里程碑，另外PCIe协会预计会在2019年正式发布PCIe5.0规范。PCIe4.0的传输速度比3.0加倍，达到16GT/s，相信在未来陆续会有支持4.0的CPU、外设产品陆续发布。当然对于NVMe协议来说，短期来说主流还是基于PCIe3.0，未来也有可能有支持4.0的产品。
下面是PCIe3.0/4.0 NVMe SSD设备的发射端和接收端测试方案框图
其中发射端展示的是NVMe设备通过矩阵开关实现2路信号的自动化实测连接图，被测件通过PCIe3.0测试夹具CBB3，将被测件的两路或更多路信号连接到Keysight U3020矩阵开关，再将公共端口差分连接到是德科技Z系列或V系列示波器，通过示波器的Aux Out输出端口经过Balun连接到测试夹具的Rx0，由软件控制产生100MHz时钟触发被测件切换码型和preset。对于NVMe设备接收端测试，M8020A具有极高集成度，内置8阶发射端去加重，内置共模差模干扰，接收均衡，CDR，并具有链路协商机制，如图所示，整个链接环境非常简化，就可以完成接受容忍度测试，并且M8020A也是PCISIG官方推荐的链路均衡测试方案。
对于U.2（SFF-8639）接口，PCISIG发布了一致性测试夹具，下图展示了U.2接口的NVMe SSD卡的发射机测试连接实物图。可以使用SigTest进行参数测量，也可以使用Z或V系列示波器内部的PCIe一致性测试软件N5393F，支持U.2 End Point测试模式，实现U.2参数的自动化一致性测试。
>>> PCIe和NVMe协议测试
U4301B协议分析仪平台，支持PCIe3.0协议解析，支持LTSSM状态机分析，解析EQ链路协商的过程；并且支持NVMe，AHCI等事物层的解码；统计PCIe总线的性能分析。这个分析平台可以支持标准PCIe x 1到 x 16插槽，也支持焊接方式，以及M.2和U.2接口卡的探测。
另外，是德科技的U4305B PCIe训练器可以模拟PCIe3.0的主设备或从设备，训练对端被测件，可以进行LTSSM测试，完成PCIe3.0官方的协议一致性测试。另外，针对NVMe，U4305B可以模拟NVMe主设备，产生NVMe会话，发送NVMe命令，与被测件通信，完成NVMe的一致性测试。是德科技也提供PCIe备板设备N5316A，将U4305B和被测件NVMeSSD插卡都插在备板上实现相关的测试。
>>> SAS TX/RX 测试方案
M8020A可以配置两通道码型发生功能，在Tx测试时可以使用双通道合路产生OOB信号， Rx测试内置ISI可以模拟规范要求的外部ISI损耗要求，并且利用第二通道产生SAS要求的串扰信号。
>>> SATA TX/RX测试方案
下图简化的Tx测试可以强制DUT发送指定的测试码型，也可以利用M8020A误码仪作为BIST信号发生器，训练DUT进入环回并发射指定测试码型，完成自动化的测试。
>>> USB3.1/3.2测试方案
这里展示了越来越普及的Type C接口方式，USB3.1Tx/Rx测试方案，其中N7015A是Type C接口测试夹具，N7018A夹具支持PD和AltMode，并且支持USB3.1 SCD和LBPM的LFPS信号的生成和握手，完成Tx的参数测试。对于Rx测试，M8020A内置ISI功能，可以模拟USB协会规范定义的传输参考通道的插损模型，实现精简连接环境下的Rx接收容忍度测量，并且M8020A也支持CTS中要求的LFPSRx容忍度测量。
