패키지와 커넥터로 보는 Return Path

 아래 그림은 10년 전쯤에 컴퓨터 메인 메모리로 주로 사용되던 DDR1 SDRAM 패키지이다.

 66핀 중에서 VDD핀 3개, GND핀 3개, VDDQ핀 5개 VSSQ핀 5개가 사용되었다. VDD/VSS핀과 비교해서 VDDQ/VSSQ핀이 5/3배 더 많다. 이것으로 우리는 core보다 I/O 에서 더 큰 다이나믹 전류를 소모한다는 것을 알 수 있다. 아마도 5/3정도 더 소모한다고 생각해도 될 것이다. 눈여결 볼 것은 DQ 신호들 주변에 VDDQ/VSSQ가 중점적으로 배치되고 ADD/CMD 신호에는 VDDQ/VSSQ가 없다는 점이다. 이것으로 우리는 DQ신호는 VDDQ/VSSQ를 return path로 사용하는 것이 VDD/VSS를 return path로 사용하는 것보다 좋다는 것을 알 수 있다. 그렇게 한다면 ADD/CMD 신호는 VDD/VSS를 return path로 삼는 것이 좋을 것이다.  또 하나 알 수 있는 것은 DQ신호가 ADD/CMD 신호에 비해서 훨씬 고속이거나 다이나믹 전류를 많이 소모한다는 것을 알 수 있다(VDDQ/VSSQ가 VDD/VDDQ보다 더 많으니까).

 아래 그림은 요즘 컴퓨터 메인 메모리로 주로 사용되는 DDR3 SDRAM 패키지이다.

 96볼 중에서 VDD 9개, GND 12개, VDDQ 9개, VSSQ 9개가 사용되었다. 핀 수량으로 비교해 보면 VDD/GND와 VDDQ/VSSQ의 비율이 비슷하다. 즉 core와 IO의 전류 소모가 비슷하다는 것을 의미한다. 위의 DDR1과 비교하면 DDR3에서는 core 전류가 상대적으로 I/O 전류보다 더 많이 증가했다는 뜻이다. 이것은 아마도 셀 수가 예전에 비해서 대폭 증가하면서 core 전류가 증가했기 때문일 것이다.

 요즘 사용되는 DDR3가 예전에 사용되었던 DDR1보다 전류 소모량이 줄어든 점을 감안한다면 power/ground 핀 수가 줄어들어야 할 것인데, 왜 오히려 증가했을까? 그것은 신호의 고속화(rising/fall time 감소)로 인해 증가하는 ground bounce를 때문이다. 핀 수를 늘리면 return path의 inductance를 줄이는 효로 ground bounce를 줄일 수 있다. 줄어든 ground bounce는 낮아진 사용전압 조건에서 줄어든 마진을 다시 높여준다.

 DDR3에서 눈여겨 볼 부분 중에 하나는 power/gournd 핀들이 가장자리로 몰려있는 점이다. 일반적으로 DDR1에서 VDDQ/VSSQ처럼 신호선 사이에 핀들이 적당히 골고루 배치되는 것이 SI관점에서 유리할텐데 왜 바깥으로 몰아서 배치했을까? 아마도 그것은 DDR3가 대부분 모듈형태로 제작이 되며 모듈로 제작될 때 양면 배치로 인하여 디커플링 커패시터의 위치가 패키지의 바로 옆자리로 오기 때문에 양 옆 가장자리로 배치를 한 것으로 보인다(디커플링 커패시터 효과 극대화). 위 패키지만 본다면 DDR3에서는 DQ는 VDDQ/VSSQ를 return path로 하고 ADD/CMD는 VDD/VSS를 return path로 하는 것이 바람직해 보인다. 그런데 실제 모듈로 구현될 때는 VDD와 VDDQ가 보드레벨에서 merge되고 VSS와 VSSQ가 merge되기 때문에 앞에 말한 것처럼 return reference를 삼지 않고 DQ는 VSS(Q)를 return path로, ADD/CMD는 VDD(Q)를 return path로 삼는다. 아래 그림은 실제 DDR3 모듈의 한 예이다.

 
 6층으로 구성이 된다. 위에부터 1층으로 시작해서 제일 아래가 6층이다. DQ 신호는 위나 아래가 VSS(Q) plane으로 구성되어 return path를 형성시켜 준다. ADD/CMD의 경우 위나 아래가 VDD(Q) plane으로 구성되어 return path를 형성시켜준다. 
 모듈의 하단 커넥터 부위를 보자. return pin(VDD(Q) 혹은 VSS(Q)) 1개당 2개의 신호 핀이 할당 되었다. 이 비율은 패키지에서의 할당 비율과 비슷하다. 만약 return pin당 신호 수량을 늘린다면, return 핀으로 흐르는 return 전류는 좀 더 큰 inductance를 경험하게 될 것이고 노이즈는 좀 더 커질 것이다. DDR 모듈의 경우 규격화되어 있으므로 규격에 맞추어 디자인하면 되지만, custom 보드를 디자인할 경우엔 보드와 보드의 연결에서 connector 핀 할당에 신중을 해야 한다.

 모듈에서의 reference 규칙은 메인보드에서도 그대로 적용이 된다. 그래야 board-to-board간의 신호 전송이 문제없이 이루어질 수 있기 때문이다.