메모리 시스템 Ch9_'DRAM 시스템 시그널링 및 타이밍-1'

모든 전자 시스템에서, 전송되는 신호는 정확성을 보장하기위해 미리 정의된 신호와 타이밍 프로토콜에 따라 커맨드와 데이터를 전송해야한다. 이번 장에서는 시그널링과 타이밍에 대한 기본적인 이해, 현대 DRAM 메모리 시스템의 토폴로지, 전송신호 그리고 프로토콜에 대한 기본적인 이해를 제공한다.

 

9.1 시그널링 시스템

 큰 메모리 시스템을 이루기 위해서 여러개의 DRAM 디바이스가 모여있다면, 해당 디바이스로 정보를 보내기위해서 더 복잡한 시그널링(Signaling)시스템이 필요하게된다.

 아래 그림9.1 은 다른 DDR SDRAM 디바이스에서 두번의 연속적인 칼럼 리드 커맨드(Column read command)의 타이밍 다이어그램을 보여준다. 그러나 현실에서의신호들은 이상과 다르며, ringing, attenuation, non-monotonic 신호들과 같은 신호 무결성 문제는 신호 타이밍 조건들인 셋업, 홀드 타임에 부정적인 영향을 끼친다. 

 그림 9.2는 주파수 의존적인 신호가 감쇠가 있는 실제 전송 선로를 지날때의 문제를 보여준다. 여러 주파수 컴포넌트들로 이루어진 입력 신호가 감쇠가 있는 전송 선로를 통과하면 출력 신호는 입력 파형과 매우 다른 모습을 보이게 된다.

 요약하자면 시그널링 시스템의 제약사항이 DRAM 디바이스와 메모리 컨트롤러 같은 떨어져있는 반도체 디바이스들 사이의 시그널링 속도와 심벌 전송을 제한한다. 따라서 시그널링 시스템의 구조 및 고유의 가정이 주어진 메모리 시스템의 엑세스 프로토콜에 대역폭, 지연속도, 효율 특성등에 직접적인 영향을 끼칠 수 있다. 따라서 시그널, 타이밍에 대한 메모리 시스템 구조 및 설계의 장단점에 대한 이해를 필요로 한다.

 

 그림 9.3은 송신단에서 하나의 수신단으로(단방향)전달되는 기초적인 시그널링 시스템을 보여준다. 최근의 DRAM 시스템들에서 신호들은 전송 선로상에 연결된 여러 DRAM 디바이스들로 전달된다. 즉 SDRAM-like DRAM 시스템에서 다수의 DRAM 디바이스는 종종 주어진 어드레스와 커맨드 버스에 연결되고, 다수의 DRAM 디바이스들은 DRAM 메모리 컨트롤러에서 DRAM 디바이스들로 데이터를 전달하기 위해 동일한 정송 선로에 같은 데이터 버스로 연결된다.

 

9.2 PCB상에서의 전송 선로

 현대 DRAM 시스템은 주로 PCB(Printed Circuit Board)들 위에 여러 디바이스들이 장착된다. 한 지점에서 다른 지점으로 신호로 전달하기 위한 연결들은 주로 배선 연결이나 바이어스를 통해 이루어진다. 이러한 방식의 속도와 안정성에 대한 제한은 시스템 보드에 사용되는 배선의 품질과 특성에 따라 달라진다. 

 

해당 절에서는 신호 배선의 전기적 특성이 이상적인 전송 선로가 논의된다. Attenuation, relection, skin effect, crosstalk, ISI(Inter-symbol interference, SSO(Simultaneous switching output)와 같은 시그널링의 비 이상성에 논의하지만 내가 넘모 어려워서 몇가지만 적도록 한다.

 

9.2.5 도체의 표면효과

  Skin depth 효과는 신호 감쇠의 중요한 요소이다. 도체의 흥미로운 특징은 고주파에서 전류는 도체의 단명에 걸쳐 균일하게 흐르지 않는다. 대신에 높은 주파수에서 신호가 빠르게 전환되면 전류 흐름은 도체 단면의 특정 깊이로 제한된다. 그림 9.9가 주파수별 전류의 침투 깊이를 설명하는데 이것이 skin depth이다.

9.2.7 전자 방해와 크로스톡

  전기 시그널링 시스템에 있어서, 전송 선로를 통해 전달되는 전압 신호의 이동은 전압 신호의 이동방향이나 그 반대 방향의 전자 이동과 관련이 있다. 전하량 보존에 의해 전류가 한 쪽으로 흐를때 그 반대 방향으로 흐르는 전류가 존재해야 함을 의미한다. 그림 9.11은 전송 선로에 흐르는 전류는 다시 발신 장치로의 전류 귀환 경로에 흐르는 전류와 균형을 이루어야 한다. 실제로 주어진 신호와 전류 복귀 경로가 이루는 루프의 크기와 흐르는 전류의 크기는 EMI(Electromagnetic Interference)의 크기를 결정한다. 

  이번 절에서 인접 배선의 신호 전달에 의해 발생하는 전기 노이즈를 통틀어 crosstalk이라고한다. 이는 인접한 배선들과 주어진 배선들 사이의 용량 결합 혹은 유도 결합에 의해 발생할 수 있다. 

  고속 시그널링 시스템에서 이를 방지하기 위해서는 신호 배선들은 종종 전류 귀환 경로들고과 가깝게 배선하고, 동적 신호 배선들과 떨어지게 쉴딩한다.이를 통해 전류루프를 최소화하고 EMI를 감소시키고, 용량 결합을 감소시킨다.