DDR4相比DDR3的变更点

DDR4相比DDR3的相关变更点

相比DDR3，DDR4存在诸多变更点，其中与硬件设计直接相关的变更点主要有：
 增加Vpp电源；
 VREFDQ删除；
 CMD、ADD、CTRL命令的端接变更为POD模式；
 增加ACT_n控制指令
为增强数据读写可靠性增加的变更点主要有：
 DBI；
 Error Detection；

1 电源变化

DDR3与DDR4的96 Ball封装pin定义对比如图1所示，DDR3中存在VDD、VDDQ、VREFDQ、VREFCA四种电源，其中VDD=VDDQ=1.5V，VREFDQ=VREFCA=0.75V。DDR4中电源网路变为VDD、VDDQ、Vpp、VREFCA，其中VDD=VDDQ=1.2V，Vpp=2.5V，VREFCA=0.6V，增加了Vpp电源，删除了VREFDQ电源，电源对比结果如表1所示。

图 1 DDR3和DDR4 96 Ball pin定义对比
表 1 DDR3 & DDR4电源网络对比

DDR3电源网络	电源电压		DDR4电源网络	电源电压
电源名称	电压/V		电源名称	电压/V
VDD	1.5		VDD	1.2
VDDQ	1.5		VDDQ	1.2
VREFDQ	0.75		VPP	2.5
VREFCA	0.75		VREFCA	0.6

DDR4相比DDR3，核电压由1.5V降低为1.2V，相对应的，CMD、ADD、CTRL信号的参考电压VREFCA也下降到0.6V，这样可以降低DDR4的功耗。比较大的区别在于，DDR4中取消了VREFDQ，增加了Vpp。
Vpp并非用于替代VREFDQ，Vpp是为DDR4内部的word line供电，从而保证DDR4的内核可以使用1.2V供电。也就是说，DDR4内核电压的下降一部分原因是由于引入了Vpp。Vpp的电流Ipp为窄脉冲电流，幅值在20mA~60mA之间。

图 2 Ipp电流分布
DDR4中的VREFDQ并非直接被删除，而是被集成在DDR4内部。这样就可以在DDR4内部动态调整VREFDQ的范围，使得DQ信号具有更强的鲁棒性。Micron的DDR4内部可以实现VREFDQ以0.65%VDDQ为分辨率的两种动态调整范围，Range1—Between 60% and 92.4% of VDDQ，Range2—Between 40% and 77.5% of VDDQ，两种动态调整范围分别应用于模组应用和单片应用场景。基于VREFDQ动态范围的需求，DDR4内部引入了VREFDQ校准机制。VREFDQ动态调整的目的是为了找到DQ信号的中间参考电平VCENT_DQ(pin mid)，如图3所示。

图 3 VREFDQ对VCENT_DQ(pin mid)的影响

2 端接方式变化

DDR3中对于CMD、ADD、CTRL信号使用的是戴维南端接，端接电压为VTT=VDD/2，这将导致CMD、ADD、CTRL信号无论是低电平还是高电平，线路中均存在电流，故导致较大的功耗；DDR4中对于CMD、ADD、CTRL信号使用POD端接，也就是并联端接形式，这样在CMD、ADD、CTRL信号为高电平时线路中就不会存在电流，可以降低功耗。DDR3和DDR4端接方式的对比如图4所示。

图 4 DDR3和DDR4端接方式对比

3 ACT_n信号

为了避免由于容量增加、特性增加等因素给DDR4带来过多的管脚增加，DDR4中引入了ACT_n信号对部分ADD管脚进行功能复用。
如图1所示，DDR4中RAS_n与A16，CAS_n与A15，WE_n与A14管脚均存在复用关系，具体功能由ACT_n的电平决定，逻辑如表2所示。
表 2 ACT_n电平与三个管脚的复用关系

	ACT_n逻辑状态	ACT_n逻辑状态
PIN NO.	High	Low
L2	A14	WE_n
M8	A15	CAS_n
L8	A16	RAS_n

PIN NO. ACT_n逻辑状态

4 DBI功能

如2节所述，DDR4的CMD、ADD、CTRL信号的端接使用POD模式，而POD端接在信号为高电平时无功耗需求，故为降低DDR4功耗，应尽量减少CMD、ADD、CTRL信号中0电平出现的概率，使用的技术即为DBI（Data Bus Inversion）。
DBI功能带来的特性有：
 每个DBI_n信号对应1byte，也就是说，1个DBI_n管脚对应X8 DDR4；UDBI_n、LDBI_n对应X16 DDR4；
 DBI_n管脚与DM管脚复用，DM功能与DBI写功能不能同时使用；
 可以支持X8和X16两种DDR4，不支持X4 DDR4；
 Read/Write可以分别使用DBI，通过MR5管脚进行控制；
DQ信号每8bit存在4bit以上的0时，DBI会自动对DQ信号进行反向，如图5所示。DBI示例如图6所示。

图 5 DBI的工作条件

图 6 DBI示例

5 Error Detection功能

随着DDR4数据速率的提升，误码率也随之提升，故DDR4中增加Error Detection技术对DQ和CMD、ADD信号。
对于DQ信号使用内置的CRC校验，如图7所示；对于CMD、ADD、CTRL使用内置的奇偶校验，如图8所示。

图 7 DQ信号CRC校验原理

图 8 CMD、ADD、CTRL奇偶校验原理

参考：
 Micron——TN-40-40: DDR4 Point-to-Point Design Guide Introduction；