加固改進(jìn)增強(qiáng)了內(nèi)存模塊設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員歷來為需要在惡劣的高沖擊和振動(dòng)條件下運(yùn)行的應(yīng)用提供有限的內(nèi)存產(chǎn)品。這是因?yàn)閮?nèi)存技術(shù)及其相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)雙列直插內(nèi)存模塊 （DIMM） 和小外形 DIMM （SODIMM） 外形尺寸的進(jìn)步在很大程度上受到 PC、電信和服務(wù)器市場(chǎng)需求的推動(dòng)。為這些市場(chǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的內(nèi)存模塊通常不符合關(guān)鍵的嵌入式應(yīng)用規(guī)范，這些規(guī)范必須允許空間受限的布局，同時(shí)還提供高可靠性和性能，并在惡劣或惡劣的環(huán)境中長期運(yùn)行。在嵌入式市場(chǎng)中，內(nèi)存產(chǎn)品必須支持較長的產(chǎn)品生命周期并且具有成本效益。

一些內(nèi)存模塊供應(yīng)商專注于嵌入式市場(chǎng)的需求，并繼續(xù)開發(fā)內(nèi)存技術(shù)進(jìn)步。內(nèi)存供應(yīng)商通過各種標(biāo)準(zhǔn)組聯(lián)合起來，在商用內(nèi)存模塊中取得這些進(jìn)步，使嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠使用各種容量的堅(jiān)固設(shè)備。這種標(biāo)準(zhǔn)化還帶來了來自多個(gè)供應(yīng)商的一致可用性的額外好處，這有助于 OEM 加快產(chǎn)品上市時(shí)間，同時(shí)降低整體系統(tǒng)成本和項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

在堅(jiān)固的內(nèi)存技術(shù)方面取得長足進(jìn)步

內(nèi)存技術(shù)創(chuàng)新為嵌入式系統(tǒng) OEM 提供了多種堅(jiān)固耐用的選項(xiàng)，包括小尺寸模塊設(shè)計(jì)、糾錯(cuò)碼 （ECC）、散熱、擴(kuò)展溫度操作以及添加熱傳感器來監(jiān)控模塊溫度。

嵌入式系統(tǒng) OEM 將雙倍數(shù)據(jù)速率類型三 （DDR3） SODIMM 內(nèi)存模塊視為堅(jiān)固嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的支柱。增加 DDR3 SODIMM 的耐用性的是新的低功耗、低功耗 DDR3L 內(nèi)存模塊，它解決了一個(gè)關(guān)鍵的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。JEDEC 規(guī)定，運(yùn)行內(nèi)存超過 +85 °C 的系統(tǒng)必須將 DDR3 自刷新率提高一倍。DDR3L 內(nèi)存模塊通過選擇最低總電流、采用熱釋放覆銅方法 PCB 設(shè)計(jì)、減少芯片數(shù)量和利用 1.35 V DDR3 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 （DRAM） 來解決雙刷新率要求。與當(dāng)前的 DDR3 設(shè)計(jì)相比，DDR3L 內(nèi)存每個(gè)模塊最多可節(jié)省 +10 °C，并消除了雙刷新率要求?；诠?yīng)商的測(cè)試表明，根據(jù)所使用的組件，

表 1： Virtium 內(nèi)部測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，根據(jù)所采用的組件，OEM 可以使用 8 GB ECC 內(nèi)存模塊實(shí)現(xiàn)高達(dá) 50% 的功耗降低。

Blade VLP 是高度為 18.75 mm 的 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) VLP 的低剖面 （17.78 mm） 替代品。將 DDR3 VLP 內(nèi)存模塊的高度降低到 17.78 毫米，解決了許多電信和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中存在的空間受限限制，在這些應(yīng)用中很難容納行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DIMM 或 Mini DIMM 插槽所需的內(nèi)存加上一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 VLP。這種方法使設(shè)計(jì)人員能夠降低使用多個(gè)內(nèi)存模塊的系統(tǒng)以及必須在 +85 °C 以上運(yùn)行的系統(tǒng)的總功耗，這是各種基于 AdvancedTCA 的電信和以太網(wǎng)刀片交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的典型設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

電信和網(wǎng)絡(luò)刀片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員通常面臨系統(tǒng)高度的嚴(yán)格限制。此外，這些系統(tǒng)需要在內(nèi)存模塊頂部留出空間，以使氣流能夠進(jìn)行有效的熱管理。采用降低高度的 DDR3L VLP 內(nèi)存模塊有助于改善氣流并提供薄型，使 OEM 能夠提供更高可靠性的產(chǎn)品，從而降低總擁有成本。特定的 DDR3L VLP 模塊還提供單次刷新率，這對(duì)于最大限度地提高高溫系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。

多種方法有助于加固

為了幫助 OEM 滿足對(duì)振動(dòng)、溫度或其他惡劣環(huán)境條件的極端要求，內(nèi)存供應(yīng)商提供了制造進(jìn)步，例如側(cè)面固定夾以加固 DDR3 SODIMM 模塊。這些普遍適用的夾子可以很容易地在各種應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。在最近的過去，設(shè)計(jì)人員通常僅限于使用較弱的商業(yè)級(jí)固定夾來固定內(nèi)存模塊。在某些情況下，這些保持器可能會(huì)突然打開并導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)故障。其他涉及安裝孔的替代方案需要對(duì)主板進(jìn)行重大修改，經(jīng)常導(dǎo)致基于 COTS 的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)無法充分解決該問題。

此外，OEM 可以利用底部填充選項(xiàng)，為標(biāo)準(zhǔn) FR-4 PCB 上填充的組件提供更高的抗沖擊性。保形涂層是另一種符合 MIL-I-46058C 標(biāo)準(zhǔn)的選擇，可提供增強(qiáng)的保護(hù)，防止環(huán)境退化。

除了機(jī)械改進(jìn)之外，OEM 還可以進(jìn)行許多電氣升級(jí)，包括擴(kuò)展溫度篩選和老化以及添加熱傳感器來監(jiān)控模塊溫度。設(shè)計(jì)人員通?？梢詮膬?nèi)存模塊的三個(gè)溫度選項(xiàng)中進(jìn)行選擇：

工業(yè)溫度： -40 °C 至 +95 °C

擴(kuò)展溫度： -25 °C 至 +95 °C

標(biāo)準(zhǔn)溫度： 0 °C 至 +95 °C

測(cè)試對(duì)于確保模塊符合溫度規(guī)范至關(guān)重要。因此，重要的是定義一組標(biāo)準(zhǔn)的溫度測(cè)試參數(shù)，并且內(nèi)存供應(yīng)商與 OEM 合作，根據(jù)特定設(shè)備和測(cè)試時(shí)間需求調(diào)整測(cè)試方法。嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)操作，因此在建立測(cè)試定義并完成驗(yàn)證后，建議根據(jù)定義的計(jì)劃對(duì)內(nèi)存模塊進(jìn)行 100% 測(cè)試。

確保擴(kuò)展溫度操作的最佳測(cè)試方法是通過使用客戶主板或在具有相同芯片組和設(shè)置的經(jīng)批準(zhǔn)的主板上進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)試來完成的。這些測(cè)試也可以使用專門開發(fā)的烤箱進(jìn)行，該烤箱與大多數(shù)嵌入式主板外形尺寸相匹配，從而能夠在整個(gè)系統(tǒng)性能下進(jìn)行溫度測(cè)試。

系統(tǒng)測(cè)試對(duì)于捕獲使用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)無法發(fā)現(xiàn)的 ECC 錯(cuò)誤等缺陷至關(guān)重要。需要注意的是，根據(jù)應(yīng)用或系統(tǒng)規(guī)格，系統(tǒng)級(jí)測(cè)試也可能是必要的+85 °C 環(huán)境溫度。

對(duì)內(nèi)存模塊中 DRAM 故障模式的分析已確定，具有次優(yōu)可靠性的 DRAM 組件在使用的前三個(gè)月往往會(huì)發(fā)生故障。隨著較新的 DRAM 向更小的工藝幾何尺寸發(fā)展，包含弱位（單個(gè)單元中的微觀缺陷）的芯片可能存在更大的風(fēng)險(xiǎn)。這不足以直接導(dǎo)致 DRAM 故障，但可能會(huì)在初始現(xiàn)場(chǎng)操作開始后的幾周內(nèi)出現(xiàn)單位錯(cuò)誤。

使用老化期間測(cè)試 （TDBI） 有助于消除任何潛在的早期故障并提高內(nèi)存產(chǎn)品的整體可靠性。盡管大多數(shù) DRAM 芯片都在芯片級(jí)進(jìn)行靜態(tài)老化，但 TDBI 提供了更全面的測(cè)試方法，在模塊級(jí)實(shí)現(xiàn) 24 小時(shí)老化測(cè)試，同時(shí)在模塊在壓力下執(zhí)行時(shí)動(dòng)態(tài)運(yùn)行和檢查測(cè)試模式條件。多家內(nèi)存制造商進(jìn)行的研究表明，使用 TDBI 腔室可以將早期故障減少多達(dá) 90%。

新標(biāo)準(zhǔn)和外形尺寸

多個(gè)行業(yè)組織，例如 JEDEC 和小尺寸特別興趣小組 （SFF-SIG） 積極參與了當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化工作。標(biāo)準(zhǔn)化帶來了來自多個(gè)供應(yīng)商的一致可用性的額外好處，這有助于 OEM 加快上市時(shí)間，同時(shí)降低整體系統(tǒng)成本和項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

ECC 已成為嵌入式系統(tǒng)的中流砥柱。然而，JEDEC 成員在開發(fā) SODIMM 外形規(guī)格的 DDR2 規(guī)范時(shí)最初并沒有意識(shí)到需要適應(yīng) ECC，因?yàn)楫?dāng)時(shí)大多數(shù)筆記本電腦芯片組不支持 ECC?？吹角度胧较到y(tǒng)中可以在更快的 DDR2 內(nèi)存模塊上實(shí)現(xiàn) ECC 的需求，Virtium 贊助了 JEDEC 中的 ECC SODIMM 規(guī)范，該規(guī)范現(xiàn)已擴(kuò)展到 DDR3 和 DDR4 模塊。

SFF-SIG 的 XR-DIMM 規(guī)范是為滿足嵌入式系統(tǒng)在過度沖擊和振動(dòng)條件下可靠運(yùn)行而定義的存儲(chǔ)設(shè)備的另一個(gè)示例。這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者需要一個(gè)小尺寸、極其堅(jiān)固的 DDR3 模塊。該標(biāo)準(zhǔn)使設(shè)計(jì)人員擺脫了以前商業(yè)級(jí)產(chǎn)品的限制，這些產(chǎn)品需要焊接、綁帶、膠水或系緊來固定模塊。

Virtium、Swissbit 和 LiPPERT 嵌入式計(jì)算機(jī)之間通過 SFF-SIG 合作產(chǎn)生了一個(gè)具有與 DDR3 標(biāo)準(zhǔn) DIMM 非常相似的引腳定義的模塊。針腳定義利用高性能 240 針 SMT 連接器系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用帶有螺釘附件的支座將 XR-DIMM 內(nèi)存模塊牢固地固定在主板上。此外，該引腳定義包括一個(gè) SATA 接口，以支持開發(fā)包含 DDR3 和 NAND 閃存的雙功能模塊，用于從單個(gè)插槽實(shí)現(xiàn)組合內(nèi)存和固態(tài)驅(qū)動(dòng)器存儲(chǔ)。SATA 和 DDR3 組合模塊的未來標(biāo)準(zhǔn)正在規(guī)劃中。

滿足苛刻的內(nèi)存要求

盡管對(duì)加固型嵌入式設(shè)備的需求不斷增加，但內(nèi)存模塊供應(yīng)商繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)進(jìn)步和相關(guān)的制造改進(jìn)，以滿足 OEM 的需求。DDR3 SODIMM、DDR3L 和小尺寸 DDR3L 都是有助于滿足嚴(yán)苛內(nèi)存要求的新技術(shù)示例。這些進(jìn)步解決了許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，包括低功耗、增強(qiáng)的散熱和擴(kuò)展的溫度容差，同時(shí)提供當(dāng)今復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)所需的性能。

XR-DIMM 和 ECC SODIMM 的標(biāo)準(zhǔn)也促進(jìn)了耐用型內(nèi)存產(chǎn)品的現(xiàn)成供應(yīng)。此外，設(shè)計(jì)人員可以使用底部填充側(cè)固定夾和保形涂層制造選項(xiàng)以及先進(jìn)的測(cè)試方法，以幫助確保穩(wěn)健的設(shè)計(jì)。

在堅(jiān)固的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中保持最高可靠性和可用性的挑戰(zhàn)將繼續(xù)存在，但內(nèi)存模塊的進(jìn)步將與這些要求保持同步，幫助 OEM 保持持續(xù)的競(jìng)爭(zhēng)力和未來的創(chuàng)新。

審核編輯：郭婷