JP4314759B2 - Bus system - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報処理装置においてマルチプロセッサやメモリ等の素子間(例えばCMOS等により構成されたデジタル回路間又はその機能ブロック間)での信号伝送のための技術に関し、特に、複数の素子が同一の伝送線に接続されデータ転送を行うバス伝送の高速化技術に関するものである。特に、複数のメモリモジュールとメモリコントローラを接続するバスとこれを用いるシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
多数のノードが接続され高速にデータを転送するためのバス方式として特開平7−141079の非接触バス配線があった。これの基本方式を図2に示す。これは2ノード間のデータ転送を長さLのクロストーク生成部すなわち方向性結合器を用いて行っていた。すなわち、バスマスタ10−1とスレーブ10−2〜10−3間の転送を2線間すなわち終端された配線1−1と終端された配線1−2〜1−3間のクロストークを用いて転送する技術である。これはバスマスタ10−1とスレーブ10−2〜10−3間の1対多間の転送に適していおり、すなわちメモリとメモリコントローラ間のデータ転送に適していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術の特開平7−141079では方向結合器が占める配線長Lがバススレーブ10−2、10−3の間隔を決めていた。図2では2つのバススレーブであるDRAM10−1と10−2が占める配線長は最低でも2Lとなり、DRAM10−1、10−2間の間隔はLとなる。
【0004】
システムの高密度化すなわちDRAM間を縮めるには方向性結合器の配線長Lを短くするのが簡単であるが、これは伝送の効率すなわち結合度を下げる原因となるので、ある一定の間隔以下にすることができなかった。
【0005】
本発明の第1の課題は、DRAM間の間隔を狭くすることであり、メモリシステムの高密度実装を行うことである。
【0006】
第2の課題として、DQ信号のラッチにDQS信号を用いるメモリモジュールシステム、例えばDDR−SDRAM(Double Data Rate Synchronous DRAM)において、ライトデータのレイテンシが長いという課題があった。
【0007】
DDR−SDRAMで採用されているSSTL(Stub Series Terminated Logic)インタフェースはHiz状態が終端電圧のVttと同じであり、レシーバの基準電圧Vrefも終端電圧Vttとほぼ同じである。ここで、Hiz状態とは、インタフェースのドライバがデータを出力していないときの状態、すなわち高インピーダンス状態を言う。このため、HizからL状態あるいはHizからH状態への遷移が認識できない。このため、データ転送に先立ちストローブ信号をHiZ状態からL状態へ一度遷移させその後データ転送を行っていた。この部分は特にプリアンブルとよばれこのプリアンブルの存在がライトアクセス時間を長くしていた。
【0008】
また、SSTLドライバを用いて方向性結合器を用いたバスの場合、すなわち図2の様なメインライン及び副結合配線を終端させた場合は、プリアンブル部の振幅がデータ転送の振幅と比べて半分である。すなわち、ドライブ振幅がHiZ状態からL状態、或いはHiZ状態からH状態への遷移は、L状態からH状態へ、またその逆の遷移に比べて信号振幅が半分程度である。このため、ライトデータもリードデータもレシーバに入力される振幅はプリアンブル部ではデータ部の半分でありレシーバの感度が足りなく信号振幅を確保する必要があった。
【0009】
このため、SSTLドライバを用いた場合ではいったんHizからL状態にストローブ信号を遷移させ信号振幅を確保する必要があり、結果としてメモリライトでアクセス時間が延びていた。
【0010】
【課題を解決するための手段】
第1の課題を解決するための手段として、メモリコントローラ10−1(MC)の信号伝送用のドライバを、これに接続される配線(メインライン)1−1のもつ特性インピーダンスZoと同じインピーダンスを持たせ、このドライバでの再反射を無くす。また、メインラインの遠端を開放端とし、この部分で信号を全反射させる。2本の配線(例えば並行配線)で構成された方向性結合器はその名の通り、信号の伝達の方向に関し信号弁別の特性を持つ。すなわち、メインラインを伝搬する信号に対して、方向性結合器のもう一方の配線(副結合配線)に誘起されるのは、MC10−1から見てメインライン上を離れる方向に進む進行波に対しては近端側に、近づく方向に戻ってくる反射波に対しては遠端側にそれぞれ信号が誘起される。
【0011】
方向性結合器は、メインラインを伝搬する信号の進行波と反射波によるクロストークを別々に副結合線路の両端から取り出すことができる。このため1つの結合器に対し2つのメモリモジュールを接続できることになる。このためメモリを方向性結合器の線路長内に2つのメモリを接続できるので実装密度を倍に上げることができる。
【0012】
また、メインラインを折り返し方向性結合器を別々の層で構成することで、方向性結合器を重ねることが出きるので更にメモリ間隔を半分にできる。この為、メモリモジュールの間隔を従来例に比べて大幅に狭くできるので実装面積が小さくて済むと言う効果がある。
【0013】
第2の課題を解決するための手段として、メモリコントローラはデータ転送のための信号を2値とし、かつそのインピーダンスはメモリコントローラ側は配線の特性インピーダンスと同じインピーダンスとする。すなわち、データを転送していない場合のHiZ状態もH状態も同じ電位とし配線の特性インピーダンスと同じインピーダンスでドライブしておく。すなわち、入力インピーダンスが特性インピーダンスに等しくなる。データがL状態のときも特性インピーダンスと同じインピーダンスでL信号をドライブする。このようにすることで反射波を吸収することができる。
【0014】
信号をHiz状態からL状態にドライブ場合もH状態からL状態にドライブした場合も同じ振幅となり、このため結合器を通過した信号はこの2つの転送で同じ振幅となる。これによりどの信号の遷移でも同じ信号振幅となるのでプリアンブルの必要はなくなる。プリアンブルが不必要となるためメモリアクセス時間が短くなりバス使用効率が上がりシステム性能が向上する。
【0015】
【発明の実施の形態】
第1の実施例を図1を用いて説明する。
10−1はメモリコントローラ制御機構を有するLSIチップ(以下MC: Memory Controllor)であり、10−2〜10−5はメモリチップ(以下、DRAM)である。
【0016】
MC10−1はDRAM10−2〜10−5に対しデータの読み書き(リード・ライト)の動作を行う。この読み書きのためのデータ転送用配線が1−1〜1−3であり、この中で特にMC10−1に接続される配線1−1をメインライン (main line)と呼ぶことにする。また、配線1−2は3つの部分から成り、メインライン1−1と平行に配線することで方向性結合器を構成する長さLの副結合線(Sub Coupling Line)部と、その副結合線部の両端から物理的に(ほぼ)垂直に引き出された2つのスタブ配線(stub)部である。図1ではそれぞれ配線1−2、1−3の中で長さLの副結合線部とメインライン1−1が方向性結合器C1、C2を形成している。このため、方向性結合器C1、C2には引出しスタブ配線は含まない。
【0017】
MC10−1とDRAM10−2〜10−5間のデータ信号伝搬は反転した記号”C”字で表されたC1、C2の方向性結合器で行われる。この方向性結合器は特開平7−141079記載のものと等価である。すなわち、これは、2ノード間のデータ転送を2平行配線間(方向性結合器)の結合であるクロストークを用いて行っていた。すなわち、MC(バスマスタ)10−1とメモリチップ(バススレーブ)10−2〜10−5間の転送を2線間すなわちメインライン1−1と配線1−2、1−3間のクロストークを用いて転送する。
【0018】
DRAM10−2〜10−5のI/O回路には終端抵抗が内蔵されている。すなわち、DRAM10−2〜10−5のI/O回路は、これに接続されている配線1−2〜1−3の特性インピーダンスと同じ入力インピーダンスを有している。このため、このI/O回路部での反射はない。このように構成することで方向性結合器C1、C2で生成された信号はスタブ配線へ伝搬するが、このDRAM10−2〜10−5の入力端で再反射することはない。この終端はDRAM10−2内のMOSトランジスタで構成しても良いし、外付けの抵抗器により構成されていても良い。
【0019】
メインライン1−1はMC10−1から見て遠端をメインライン1−1の持つ特性インピーダンスに比べて非常に大きいインピーダンスで終端されている。図1の場合では開放(OPEN-END)されている。このメインライン1−1部分での反射係数はほぼ1であり電圧は全反射する。
【0020】
また、MC10−1の持つI/O回路のドライバはこのメインライン1−1の特性インピーダンスと同じインピーダンスを有しこの部分での再反射はない。この図1ではDRAMは10−2〜10−5の4つであるがそれ以上でもそれ以下でも本発明の効果に差はない。
【0021】
次に、図3、図4を用いて、図1のMC10−1とDRAM10−2〜10−5間の信号伝搬の動作を説明する。
図3、図4中で図1と同じ記号は上で説明した図1と同じであり繰り返しの説明は省略する。
【0022】
メインライン1−1では、結合器C1、C2を構成する部分(主結合線: main coupling line)とそれらを結ぶ配線とに機能的に区別できる。主結合線とは方向性結合器C1、C2に於いて配線1−2、1−3内の副結合線に対向して平行に配線されているメインライン1−1内の部分のことである。MC10−1からメインライン1−1の遠端までの信号伝搬遅延時間をT1で表すことにする。また、結合線路C1、C2の主結合線路部の伝搬遅延時間をT2で表すことにする。ここで、メインライン1−1上で方向性結合器を構成しない部分の配線もあるが、簡単のため伝搬遅延時間が無視できるくらい短いとする。すなわち、T1=2*T2として説明する。
【0023】
メインライン1−1の両端を端子(A)、(B)とする。(A)はMC10−1側で、(B)はメインライン1−1の遠方の開放端部である。同様に配線1−2の両端を(C)、(D)と、配線1−3の両端を(E)、(F)とする。この各点(A)〜(F)の電圧波形を模式的に示したのが図4、図5、図6である。
【0024】
図4はMC10−1からデータ信号が送出(ライト)された信号状態を示し、図5ではDRAM10−2からMC10−1へメモリリード信号が送信された信号状態を、図6はDRAM10−2からMC10−1へメモリリード信号が送信された信号状態を示している。横軸方向は時間を示し、縦の点線はT2間隔で引かれている。縦軸方向は信号電圧を示している。
【0025】
図4において、波形(A)はMC10−1のドライバの出力波形で、L状態からH状態へ遷移している。MC10−1のドライバはメインライン1−1と同じ出力インピーダンスをもつ。このようなドライバを特にSource Impedance Matching Driverと呼んでいる。L状態からH状態へ移行したドライブの波形はドライバのインピーダンスとメインライン1−1のインピーダンスの分圧となるので半分のドライブ電圧で出力される。ドライブ信号はメインライン1−1上を図面右手方向に時間T1伝搬した後、遠方端の(B)端に到達する。このときの電圧は(B)端が開放端であることから全反射を起こし進行波と反射波の重ね合わせで(A)端の上記「半分のドライブ電圧」の2倍の電圧となる。
【0026】
ドライブされてから時間T1後、メインライン1−1上を反射波が左手方向に伝搬し、再び(A)端に到達する。この時の時刻はドライブしてから時間2*T1後である。このときの電圧は進行波と反射波の重ね合わせの電圧であるのでMC10−1のドライブ電圧と等しくなる。また、このドライバはSource Impedance Matchingであるのでこの点での再反射はなく信号は再反射を繰り返すことはなくH状態に安定する。
【0027】
次に、配線1−2、1−3の各点について見ていく。メインライン1−1を流れる進行波によって結合器C1には後方(Backward)へ信号が生成される。ここで、後方とは進行波の方向とは逆向きの方向で図3では端子(C)側である。これはすなわち後方クロストークである。この端子(C)の方向に生成された信号は図3のDRAM10−2内で吸収され反射はしない。これはDRAM10−2内では配線1−2の特性インピーダンスZoと同じインピーダンスで終端されているためである。
【0028】
結合器が金属プレーンで囲まれた配線であるstrip lineで構成される場合、端子(D)側の前方(Forward)には2線間のインダクタンスによる誘導電圧と静電容量による誘起電圧とが相殺して信号は生成されない。いわゆる前方クロストークは生じない。すなわち、図4の方向性結合器C1で端子(C)側にはメインライン1−1の進行波による後方クロストークが生成されるが、端子(D)には前方クロストークは生成されない。結合器C1により生成される後方クロストークは結合器C1の往復の時間(=2*T2)の長さを持つ。
【0029】
このパルス幅の理由は以下の通りである。
後方クロストークは進行波の波頭で生成され進行波が結合器に入力されてから出力するまで副結合線路に誘起される。進行波が主結合器の入力から出口まで伝搬するのが時間T2、また、主結合線の出口付近で生成された信号が副結合器を伝搬するのにT2掛かるので合計2T2信号が誘起されるためである。
【0030】
ドライブ時刻からT2後、メインライン1−1を進む進行波は結合器C2に到達し、その後結合器C2でも結合器C1と同様な動きをする。結果としてDRAM10−3の端子(E)に波形(C)と同様な信号を誘起する。もちろんここでの反射はない。端子(D)と同様に結合器C2を伝搬する進行波は端子(F)には何の電圧も誘起しない。
【0031】
時刻T1以降、メインライン1−1の開放端(B)で反射波が生じると逆のプロセスが生じる。(B)が開放端であるため反射波全反射となり、反射波の電圧振幅は進行波と同じでかつ、進行方向が反対になる。反射波がメインライン1−1をMC10−1方向へ戻るとき、まず結合器C2で後方クロストークを誘起する。これはメインライン1−1の反射波に対して後方である端子(F)側に信号を誘起する。このため配線抵抗が無くメインライン1−1上を進む波形に歪みがないとすると、端子(F)に(C)と同じ波形をメインライン1−1の反射波は誘起させる。このタイミングはMC10−1が信号を送信開始した時刻から測って反射波が生じる時刻T1後となる。また、波形(F)のパルス幅は2倍のT2である。当然、この反射波は結合器C2に於いて前方側の端子(E)側には何も誘起しない。
【0032】
時間T1+T2後、メインライン1−1の反射波が結合器C1へ入射すると同様に端子(D)側に後方クロストークを誘起する。このパルス幅も2倍のT2である。
【0033】
以上のように、MC10−1からのメインライン1−1上を進行する信号は進行波と端(B)での反射波により結合器C1、C2内でそれぞれ後方クロストークを生成するが、結合器C1、C2は進行波・反射波の向きに対し信号生成が選択的であり、それぞれが重ならず互いがノイズとならいない。そのため、DRAM10−2〜10−5の各端子(C)〜(F)では、結合器C1、C2の往復の伝搬遅延時間である2倍のT2の幅を持つパルスを生成し、これは特開平7−141079と同じであり同等の信号波形品質を有していることを表す。その信号生成の時間順は波形(C)→(E)→(F)→(D)であった。これは、時間的に最もMC10−1から近いのはDRAM10−2(C)であり、最も遠いのは2つ目のDRAM10−3(D)ということになる。MC10−1から各DRAM10−2〜10−5への信号伝搬遅延時間はそれぞれ、下記(数1)〜(数4)で示される。
MC10−1からDRAM10−2(C)への信号伝搬遅延時間=0…(数1)
MC10−1からDRAM10−3(D)への信号伝搬遅延時間=T1+T2…(数2)
MC10−1からDRAM10−4(E)への信号伝搬遅延時間=T2…(数3)
MC10−1からDRAM10−5(F)への信号伝搬遅延時間=T1…(数4)
したがって、それぞれの場合、信号は(数1)〜(数4)で示される遅延時間後に到達する。
【0034】
図1、図3のように方向性結合器C1、C2の両端にそれぞれ2つの終端されたDRAM10−2〜10−3、10−4〜10−5を接続することにより、MC10−1からDRAM10−2〜10−5へ信号伝送を行うことが出来ることが分かる。
【0035】
次に、図5、図6を用いて、メモリのリード方向であるDRAM10−2〜10−5からMC10−1への信号伝送について考える。図5はDRAM10−2からMC10−1への転送にかかる各点の波形、図6はDRAM10−3からMC10−1への転送の波形である。DRAM10−4、10−5からMC10−1への転送の波形は図5、図6と同じ機構なので略する。
【0036】
図5において、まずDRAM10−2(C)からL状態からH状態へパルスが出力される。その時間T2後、端子(D)に信号が到達する。DRAM10−3(D)の入力インピーダンスは配線の特性インピーダンスと同じため反射はない。結合器C1はメインライン1−1に後方クロストークを誘起する。このパルス時間は図4と同じ結合器の往復の伝搬遅延時間(=2*T2)である。メインライン1−1の前方にはクロストークは生成されない。そのため端(B)には信号が誘起されることはない。このため、DRAM10−2からパルス信号をドライブすればメインライン1−1の端(B)が開放であっても、MC10−1にクロストークが生成される。これは従来技術の特開平7−141079と同じパルス幅をもつ。
【0037】
図6のDRAM10−3(D)からMC10−1(A)への転送は図5とは逆向きの生成プロセスである。DRAM10−3(D)からのパルスは時間T2後に端子(C)に到達する。結合器C1では後方クロストークが誘起されこれはメインライン1−1上を端(B)方向に伝搬する。(D)からドライブされた時刻から時間T2後に、結合器C1により生成された後方クロストークが端(B)に到達する。ここで全反射しメインライン1−1を逆行する。そして、ドライブしてから時間T2+T1後にMC10−1に到達する。図6においてもMC10−1(A)に到達パルスの幅は図4と同じ2倍のT2である。
【0038】
リード動作の各DRAM10−2〜10−5からMC10−1への信号伝搬遅延時間は図4と同じである。すなわち、下記の(数5)〜(数8)で示される。
DRAM10−2(C)からMC10−1へ信号伝搬遅延時間=0…(数5)
DRAM10−3(D)からMC10−1へ信号伝搬遅延時間=T2+T1…(数6)
DRAM10−4(E)からMC10−1へ信号伝搬遅延時間=T2…(数7)
DRAM10−5(F)からMC10−1へ信号伝搬遅延時間=T1…(数8)
それぞれの場合、信号は上記の数式で示される遅延時間後に到達する。この(数5)〜(数8)は(数1)〜(数4)と同じであり、ライト動作もリード動作ともこれらMC10−1とDRAM10−2〜10−5間の伝搬遅延時間が同じである事が分かる。このことは従来技術を用いた場合と同じであり、メモリシステムでタイミング設計を行う上で重要な特性である。すなわち、従来と同じタイミング設計手法をそのまま踏襲することが出来ることを意味する。これは開発工数の削減につながる。
【0039】
このようにして、4つのDRAM10−2〜10−5をバス接続し、双方向に信号伝送を行わせるのに2つの結合器だけでバスを構成できることが分かる。これはDRAMの実装面積を従来技術の図2に対して半分にでき、高密度実装が可能となった。すなわち、これまでの技術である特開平7−141079においては、図2のようにDRAM10−2〜10−5の間隔(ピッチ)は方向性結合器が連続して配置しているためこの結合器の長さ以下には出来ないという課題があったが、図1あるいは図3のようにメインラインを開放端とし、MC10−1のドライバをSource Impedance Matchingにし、かつ、終端されたDRAM10−2〜10−5を用いることで同じメインラインに対し同じ配線長で倍のDRAMを接続できシステムとして高密度実装が可能となる。
【0040】
次に、この信号伝送をシミュレーションにより確認した。これを図7〜図12に示す。
図7は方向性結合器の断面形状である。結合器の形状はシステムの要求により、様々に考えられるが、一般的なプリント基板の材料であるFR−4を用いてPCやPCサーバに用いられている配線幅(W=154μm)配線ピッチ(S=216。7μm)の技術である。これを電磁界解析したところ配線間の電気特性は以下のようになった。
【0041】
2線路間のキャパシタンス行列
CMATRIX (F/um) =
1。446e-16 -6。644e-17
-6。644e-17 1。446e-16 …(数9)
2線路間のインダクタンス行列
LMATRIX (H/um) =
4。487e-13 2。062e-13
2。062e-13 4。487e-13 …(数10)
特性インピーダンス行列
Real part =
6。272e+01 2。882e+01
2。882e+01 6。272e+01 …(数11)
Imaginary part =
-3。336e-01 -1。694e-02
-1。694e-02 -3。336e-01 (数12)このため、2線路の実効インピーダンスZeffは55Ωであった。こおで、eは10を底とするべき乗を表す。
【0042】
【0043】
また、後方クロストーク係数は
Real part =
1。000e+00 2。433e-01
2。433e-01 1。000e+00 …(数13)
Imaginary part =
0。000e+00 1。441e-03
1。441e-03 0。000e+00 …(数14)であった。すなわち、1Vの信号が入射したとき0。2433Vの後方クロストークが誘起されることが分かる。
【0044】
この結合器を用いて図8に示す等価回路で図3のMC10−1からDRAM10−2〜10−5へのライトデータ波形をシミュレーションした。用いたシミュレータは回路解析用のSPICE(Simulation Program for Integrated Circuit Emphasis)である。MC10−1のドライバの等価回路としてパルス電圧源と抵抗rsとした。メインライン1−1の等価回路として、公知の伝送線路モデルT1、T3、T5、及び方向性結合器として公知の損失結合線路モデルY2、Y4を接続し、伝送線路T5の一方の端子S6を高抵抗rkで終端した。rkは100kΩと高抵抗であるためほぼ開放端と見なすことができる。図3の端子(A)、(B)は、図8ではS1、S6に対応する。
【0045】
DRAM10−2〜10−5は終端抵抗rk1、rk2、rj1、rj2と入力静電容量のck1、ck2、cj1、cj2の並列接続で表した。図3の端子(C)、(D)は図8のK1、K4に対応し、図3の端子(E)、(F)は図8のJ1、J4に対応する。終端電位はVttで表す。これらの定数を以下に示す。
VPULSE :振幅=1。8V 立上り時間=0。1ns …(数15)
rs = 55Ω …(数16)
t1、 t3、 t5、 t6、 t8、 t9、 t10 : 特性インピーダンスz0=55Ω td= 1。0ns …(数17)
Y2、Y4 : 配線長=40mm …(数18)
rk =100KΩ …(数19)
rk1、 rk2、 rj1、 rj4 = 55Ω …(数20)
Vtt = 0。9V …(数21)
ck1、ck2、 ck3 、ck4 = 0。1pF …(数22)
このシミュレーション波形が図9である。これはVTT=0。9Vの例である。図4と同じくDRAM10−2〜10−5に対応した端子K1、K4、J1、J4で綺麗な矩形パルスが生成されており、大きな乱れがないことがわかる。また、ドライブパルスの振幅0。9Vに対しクロストークの振幅も108mV〜220mVあり、K1、J1、J4、K4の振幅が順々に小さくなっているのはメインライン1−1の配線抵抗による。しかし、約100mVの信号はC−MOSを用いた半導体でも充分識別できる電圧レベルである。時間順もK1、J1、J4、K4の順で現れており、図4と同じであることがわかる。
【0046】
次に、図10、図11を用いてDRAM10−2からMC10−1への信号伝送(read)波形を示す。図10は図8と同じで等価回路である。図1のDRAM10−2に対応したK0点にread波形としての電圧源が接続されている。DRAM10−2のドライバのインピーダンスはrk1で表されこのシミュレーションでは10Ωと配線インピーダンスZo(=55Ω)より小さくしている。これはパルスの信号振幅を大きくするのが目的である。
【0047】
また、メインラインのMC10−1に対応する点S1には配線の特性インピーダンスZoと同じ抵抗値を持つ抵抗rs(=55Ω)が接続されている。この他の回路定数は図8の場合と同じである。これの回路解析により求めた波形を図11に示す。MC10−1のS1点には368mVのパルスが到達しており、他点にはノイズとなるような波形の乱れは殆どない。この波形は図5とおおよそ等しい。
【0048】
次に、DRAM10−3からMC10−1への信号波形を図12に示す。等価回路は図10の場合と比べてパルス電圧源がrk2に接続され、rk1は図8のように特性インピーダンスで終端電源VTTに接続されている。rk2は図10のrk1と同じく10Ωと低インピーダンスとなっている。これの波形を図12に示す。
【0049】
図12において、点線で表されたK4からのドライブパルスが図10の結合器Y2を通過することによりメインライン上にクロストークが生成され、このパルスはメインライン上を進行し端子S6で反射する。この反射は全反射なので振幅が倍となっている。これがS1に到達し結果として振幅302mVのパルスとなっている。また、到達時間は図11より遅く図9のS1からK4までの遅延時間と同じである。この波形でJ4に80mV程度のノイズが乗っているが問題とならない。なぜならばこの転送はDRAM10−3からMC10−1へのリード転送であり、DRAM10−5がこの信号を利用することはないためである。
【0050】
同様にDRAM10−4、10−5から。リード波形もメカニズムは同じである。このため、MC10−1へリードデータを転送することができる。また、この時の伝搬遅延時間も図9と同じであることがわかる。
【0051】
次に、図13、図14を用いて図1のMC10−1とDRAM10−2〜10−5のI/O回路を説明する。
【0052】
図13は、MC10−1のI/O回路である。51はMC10−1のドライバであり、52はレシーバであり、入出力端子(I/O PAD)と共に同電位に接続されている。ドライバ51はSource Impedance Matchingしておりデータを送信しない時も送信する時もこれに接続される配線の特性インピーダンスに等しいインピーダンスを有する。ドライバ51の最終段のトランジスタをM1、M2と表す。トランジスタM1とM2はトーテンポール接続されておりM1は出力端子(I/O PAD)と電源VDDQに接続されているP−MOSトランジスタである。M2は出力端子とグランド(VSS)に接続されたN−MOSトランジスタである。この2つのトランジスタM1、M2はトランジスタのゲート幅を変えることでインピーダンスを可変に出来るので、この図13では表していないインピーダンス調整回路でトランジスタのゲート幅を調整することでメインライン1−1の特性インピーダンスにマッチさせることができる。
【0053】
MC10−1は出力するデータに応じてM1及びM2を制御する。出力データをDATAとし、出力イネーブル信号をOEすると、図1のMC10−1が有すべきドライバの特性は図13中の表のようになる。すなわち、DATA=L(logical low)でOE=Lの時のみM2がオンしL信号を送出する。その他の状態ではM1トランジスタがオンに成っている。このため、データを送信する場合も受信する場合もドライバのインピーダンスはメインラインの特性インピーダンスにマッチしていることになる。ドライバ51に接続されるのは開放端のメインラインであり、このように構成することでL信号をドライブしない限り電流の消費がない。
【0054】
次にレシーバ52であるが、方向性結合器により生成された信号を弁別するためにヒステリシス特性を有している。すなわち、方向性結合器に入射される信号がL(logical low)からH(logical high)へ遷移する場合ここで正極性のパルスが生成され、信号がHからLへ遷移する場合は負極性のパルスが生成される。このため、この2つの極性の異なる信号を弁別するための1つの手法がヒステリシス特性である。
【0055】
図1のバスに図13のMC10−1のドライバを接続する場合、MC10−1が読み込むリードデータはH状態の電位に対して正極・負極のパルスが生成される。なぜならば、方向性結合器は2線路間で直流(DC)の結合がないためドライブ電圧のDC値とは無関係で、主結合配線の電位に対して交流(AC)パルスが生成される。そして、リード時は当然ドライバからデータは出力されず、メインラインの電位はH状態のVDDQに等しいためである。
【0056】
そのため、レシーバ52では、I/O PADからの信号はドライバ51のH電位に対して、すなわちVDDQに対して比較される。このため、レシーバ52は信号を受ける回路はVDDQより高いVDDにより動作しており、例えばVDDQ=1。8Vの場合、VDD=2。5VとすればC−MOSでも問題なくレシーバ52を構成できる。
【0057】
このように図1のMC10−1は図13のようなI/O回路を有することで信号を安定に送信し、かつ受信することが出来る。
【0058】
次に、DRAM10−2〜10−5のI/O回路の例を図14に示す。
DRAM10−2〜10−5のI/O回路は図13のMC10−1のI/O回路と殆ど同じでその差はドライバ51’にある。トランジスタM2が配線のインピーダンスより低い値を持つ。その他は図13の構成に同じである。
【0059】
これは次の理由による。DRAM側の配線はデータを入力する場合両端を終端されている。また、データを出力する場合も他方のDRAMは整合終端条件となっている。すなわち、遠端からの反射波は戻ってこない。これはMC10−1に接続されるメインラインの端が開放端である条件とは異なり、ドライバ51’を終端しておく必要がない。すなわち、ドライバ51’はSource Impedance Matchingの必要はない。このため、結合器により生成される信号をより大きくするにはドライブパルスをより大きくすればよい。このためM2のインピーダンスを下げることでより大きな振幅を確保できる。もちろんドライバ51’の出力インピーダンスを配線の特性インピーダンスに整合しても良い。この場合ドライブパルスの信号振幅は小さくなるがMC10−1のレシーバがデータを識別できるのなら、問題とならない。この場合のI/O回路の構成は図13に等しい。
【0060】
データを受信する場合のドライバは、そのインピーダンスがメインラインの特性インピーダンスにマッチするようにH状態を出力する。そのため、同じ配線に接続された2つのDRAM10−2、10−3のドライバ51’は互いにH出力することになるが、これらの電位はVDDQと等しいのでこの状態での消費電流は流れない。すなわち、Hドライブ或いはデータがHiZの状態の時は消費電流が流れない。このように構成することでL信号をドライブしない限り電流の消費がなく図13のメインラインと同じ省電力の効果がある。
【0061】
図13、図14の様に受信時のメインラインの電位がVDDQになっていても方向性結合器により生成される信号振幅に変化はない。このため、MC10−1ではH状態、L状態、HiZ状態であっても、2値信号を出力インピーダンスが配線のインピーダンスに整合した状態で出力するのでメインラインが開放端であってもドライバ部での反射はなく歪みの少ないドライブパルスを出力できる。また、DRAM10−2〜10−5のドライバ51’をL状態のみ低インピーダンスにすることで信号振幅を確保できかつ波形が歪むこともない。この為、高速に安定してデータの送受信ができることになる。
【0062】
次に、図15を用いて、プリント基板に実装した場合の配線様式について述べる。2−2〜2−7はDRAM10−2〜10−7をそれぞれ搭載するメモリモジュールである。1はMC10−1、メモリモジュール2−2〜2−7を搭載するマザーボードで、メモリモジュール2−2〜2−7はコネクタによりマザーボード1に接続されている。マザーボード1内の実線は部品搭載のための配線層であり、点線m1、x1は内層の信号線層を表している。
【0063】
MC10−1からのメインライン1−1は、内層の配線層m1を図15の右から左手方向に直線上に配線されている。なお、コネクタの引出し配線、電源ピン用のVIAホールを迂回する必要がある場合は曲げても良い。このメインライン1−1はこれとある間隔をあけて平行に配置された線路1−2〜1−7の一部とで結合器C1〜C3を形成している。結合器C1〜C3の副結合器の両端にDRAMへのスタブ配線が引かれている。この結合器C1〜C3はメインライン1−1に対して連続してかつ重ならないように配置している。このように配線することでどのメモリモジュール2−2〜2−7に対しても同じ配線密度で配線できる。メインライン1−1は図15の右の端(遠方端)で開放端となっている。
【0064】
MC10−1とDRAM10−2〜10−7間のデータ送受信は、DRAM10−2、10−4、10−6に対してはメインライン1−1上の進行波と結合器C1〜C3による後方クロストークを、DRAM10−3、10−5、10−7に対しては遠方端での反射波とその後方クロストーク信号とを利用して行われている。
【0065】
このように構成することで従来方式である図2に比べて同じメインライン1−1長で2倍のメモリモジュール2−2〜2−7を接続することが可能となる。この図15では方向性結合器は内層2層を用いて構成したが、1層内の隣接した2配線によって構成しても効果は同じである。尚、この場合結合器を構成する内層を2層から1層へ低減することができるが、層当たりの配線密度は倍になるのでシステムの要件によって選択すればよい。
【0066】
また、図15において、搭載するメモリモジュール2−2〜2−7のうちで、システム構成によりあるメモリモジュールを搭載しない場合がある。この場合、空いているメモリモジュールで反射が生じるのでこれを抑えるために、配線を終端電源に整合終端させる抵抗を搭載した終端モジュールの挿入が必要である。この終端電源はメモリモジュール2−2〜2−7と同じ電位であり、終端抵抗値もDRAM10−2〜10−7のインピーダンスの値と同じである。当然終端モジュール内の配線の特性インピーダンスもメモリモジュールに等しくしておく。このように終端モジュールを構成し、空いているメモリモジュールのコネクタに挿入することで、配線の反射ノイズが無くなり安定してバス動作が出来ることになる。
【0067】
第2の実施例を、図16を用いて説明する。
本実施例の目的は、第一の実施例に対して更に高密度にメモリモジュールを実装することにある。Mother Board1において、これに搭載されるメモリモジュール2−2〜2−9の間隔(ピッチ)は特開平7−141079においては方向性結合器が連続して配置しているためこの結合器の長さ以下にはできないという課題があった。
【0068】
図15に対して本実施例の構成は、メインライン1−1の配線はMC10−1から見て信号層m1で図面右手方向に引き出され、右端で信号線層m2へVIAホールで層をm2へ変え左手方向に引き出される。そして、最遠端で開放される。
【0069】
信号層m1のメインライン1−1はDRAM10−2、10−4間の配線1−2、DRAM10−6、10−8間の配線1−4とで結合器C1、C3を構成する。この折り返された信号層m2のメインライン1−1はDRAM10−7と10−9間の配線1−5との結合器C4、DRAM10−3と10−5間の配線1−3との結合器C2を構成する。
【0070】
配線1−2、1−4は信号線層x1で、配線1−3、1−5は信号線層x2で副結合線部を構成している。このため、結合器C1、C3は配線層x1とm1で、結合器C2、C4は配線層m2、x2で構成されている。このため、結合器C1、C3を上方層、C2、C4を下方層で構成されていると呼ぶことにする。
【0071】
結合器C1〜C4はメインライン1ー1に対して配線の特性インピーダンスが一定になるように連続配置されている。MC10−1とDRAM10−2〜10−9間のデータ転送が何れの結合器においても後方クロストークを用いて行われるよう配置・配線されている。すなわち、上方層にある結合器C2、C4に接続されたDRAM10−2、10−6はm1層のメインライン1−1を流れる進行波によって、下方層の結合器C4、C2に接続されたDRAM10−9、10−5はよってm2層のメインライン1−1を流れる進行波によって後方クロストークが誘起される。そして、下方層にある結合器C2、C4に接続されたDRAM10−3、10−7はm2層のメインライン1−1を流れる反射波によって、DRAM10−8、10−4は上方層の結合器C4、C2によってm1層のメインライン1−1の反射波によって後方クロストークが誘起される。このように何れの転送に於いても後方クロストークが生じるよう配置されていることになる。
【0072】
このよう結合器を構成する主結合配線であるメインライン1−1を一方の層から他方の層へと1回折り返しそれぞれの層で方向性結合器を構成出来るので、メモリモジュール2−2〜2−9の間隔を、方向性結合器C1〜C4の結合器の配線長の半分程度に出来る。このため、1枚のMother Board1にメモリモジュールを高密度で実装することが出来るようになる。実施例1の図15に対して2倍の、従来例の図2に対して4倍の高密度実装が可能となっている。このような場合でも結合に必要な結合長は同じで信号伝搬のための必要な結合量は図2の特開平7−141079と比べて同じであり同等の信号波形品質を有していることになる。
【0073】
すなわち、これまでの技術である特開平7−141079においては、図2のようにマザーボード1に搭載されるメモリモジュール2−2〜2−4の間隔(ピッチ)は方向性結合器が連続して配置しているためこの結合器の長さ以下には出来ないという課題があったが、図16のようにメインラインを折り返したことで、マザーボード1に搭載されるメモリモジュール2−2〜2−9の間隔(ピッチ)を結合器の長さの1/4にできシステムとして高密度実装が可能となる。
【0074】
また、図16において第一の実施例と同じく、搭載するメモリモジュール2−2〜2−9のうちで、システム構成によりあるメモリモジュールを搭載しない場合がある。この場合、空いているメモリモジュールで反射が生じるのでこれを抑えるために、配線を終端電源に整合終端させる抵抗を搭載した終端モジュールの挿入が必要である。この終端電源はメモリモジュール2−2〜2−9と同じ電位であり、終端抵抗値もDRAM10−2〜10−9のインピーダンスの値と同じである。当然、終端モジュール内の配線の特性インピーダンスもメモリモジュールに等しくしておく。このように終端モジュールを構成し、空いているメモリモジュールのコネクタに挿入することで、配線の反射ノイズが無くなり安定してバス動作が出来ることになる。
【0075】
次に、図17に図16に対応するマザーボード1の層構成の例を示す。図17は図16のマザーボード1のメインライン1−1に対して垂直な方向の断面である。上層からCAP1層、電源層(V1)、グランド層(G1)、信号層(m1)、信号層(x1)、グランド層(G2)、電源層(V2)、信号層(m2)、信号層(x2)、グランド層(G3)、電源層(V3)、CAP2層となっている例である。一般的に、プリント配線板は両面を銅で覆われた銅張板をプリプレグで接着してあり、このプリプレグを2本の波線で表した。
【0076】
方向性結合器はm1層、x1層の上下層に並んだ並行配線1−1、1−2により、図16中の結合器C1を構成している。又同様に、m2層、x2層の上下層に並んだ並行配線1−1、1−3により、図16中の結合器C2を構成している。ここで、信号層m1のメインライン1−1と信号層m2のメインライン1−1は図16の折り返された同じ配線である。
【0077】
これら、m1層とx1層とm2層とx2層の結合器間にグランド層或いは電源層が位置しており、方向性結合器C1とC2間の結合である信号間のノイズを防ぐよう機能している。このように構成することにより結合器間の信号の結合すなわち漏話ノイズが小さく高速のデータ転送を可能とする。
【0078】
また、図18のように、結合器は断面に対して横方向に配置して結合するように構成しても良い。ここで言う横方向とは同一層を用いて結合器を構成することを言う。例えば、楕円で囲った結合器C1aはメインライン1−1aと配線1−2aからなり、折り返されたメインライン1−1aはm2層で配線1−3aと結合器C2aを形成する。同様に、信号ビットの異なるメインライン1−1bはm1層で配線1−2bと結合して結合器C1bを形成し、折り返されたメインライン1−1bは配線1−3bと結合器C2bを形成する。それぞれの結合器C1a、C1b、C2a、C2b間の結合であるノイズ量を低減するために層間には平面の電源層を挿入し、信号線1−1a、1−1b間では距離を離している。このような構成なので結合器を構成するための層数が少なくて済むという効果が図17に比べてある。
【0079】
第3の実施例として図19を用いて説明する。
本実施例は図1に対してメインライン1−1の遠端を短絡した構成例である。
【0080】
短絡とは配線のインピーダンスに比べ非常に低いインピーダンスで接続することを言い、図19では内部インピーダンスが零の電源に接続されている。このように接続することで遠端で全反射が生じるがこの場合、反射係数は−1となるので進行波とは極性が異なる。このため、反射波を利用したDRAM10−5、10−3に生じる後方クロストークの符号も図1に対して逆になりDRAM10−2、10−3に対して負論理となる。すなわち、DRAM10−3、10−5のレシーバはDRAM10−2、10−4に比べて負論理となっている。同様にドライバもDRAM10−3、10−5は負論理となっている。
【0081】
ここで、短絡する電源はグランドであってもVDDQであっても良い。MC10−1内のドライバの出力インピーダンスは実施例1(図1)のドライバと同じく配線の特性インピーダンスと同じであるがHiZ状態であるデータ出力をしない状態の出力電位とこの短絡電位は揃えておくことは言うまでもない。その理由は、これをしない場合、データ転送を行わない場合でも電流がドライバから流れ消費電力が上ってしまうからである。
【0082】
このように構成することで、正論理と負論理の信号を混在して使うことができる。DRAM10−2〜10−5は同じ構成であるがシステム上ある信号を偶数番目と奇数番目のDRAMに対して極性を変えたい場合がある。例えば、DRAMに入力させるクロック信号で立上りエッジを使いたい場合と立ち下がりエッジを使いたいときがこれに相当する。いくつか接続されているDRAMをMCから時間順に見て半分より後ろのDRAMが負論理となるので前半分と後ろ半分でクロックの位相を変えることができる。これはメインラインの伝搬遅延時間よりクロックの周期が短くなった場合の時間位相調整で使用することができる。
【0083】
図15、図16の様な構成で、マザーボード上のある信号の配線を開放端にするか短絡端にするかで同じモジュールを用いた場合でも偶数番目のモジュールを選択的に負論理にできることになる。例えば、MC10−1からのチップセレクト信号をDRAM10−2、10−3で共有することで1本の信号でDRAM10−2、10−3を排他的に選択できるのでチップセレクト信号を減らすことができる。
【0084】
また、メインライン1−1の遠端を開放端にする場合に比べて電磁界が遮断されるため空間に閉じこめられ自由空間に放射される電磁波が少なくなる。すなわち、電磁放射ノイズを低減できる効果がある。
【0085】
第4の実施例を、図20を用いて説明する。
本実施例は、図19の実施例を差動信号に応用した実施例である。ソースインピーダンスマッチングしたMC10−1内の差動ドライバからのメインライン1−1はリングを構成している。このリングのメインライン1−1に対して結合器C1〜C4を構成するようにDRAM10−2〜10−5が接続されている。結合器C1、C3に対してDRAM10−2、10−4内の差動I/O回路は正論理端子に、結合器C2、C4に対しては負論理端子に接続されている。それに対して、DRAM10−3、10−5では結合器C2、C4が正論理端子、結合器C1、C3が負論理端子に接続されている。また、結合器C1、C2のMC10−1からの配線長は右回りも左回りも同じであり、同じ時刻にパルスが到達する。結合器C3、C4に対しても同じである。
【0086】
このリング状のメインライン1−1は図20の右端の部分で折り返され、この部分でMC10−1からの差動のパルスである符号の異なる同じ電位のパルスが重なりあうので、結果として図19のように短絡した場合と同じ振る舞いをする。すなわち、図20では、MC10−1の正論理側からのドライブパルスは左から右へ正極性の進行波が伝搬し折り返し部分に到達するが、ここを通過すると右から左へのドライバの負極からの負極の進行波が進行する。この波形がMC10−1からの遠端を短絡した状態と同じであるためである。
【0087】
この様に構成することで差動信号に対しても偶数番目のDRAMを選択的に負論理にすることができる。
また、図21の様に差動線路を構成してもよい。
【0088】
ソースインピーダンスマッチングしたMC10−1からの差動信号配線であるメインライン1−1a、1−1bを2本の開放端を持つ配線で構成する。開放端では正の全反射波が生じるので、DRAM10−3、10−5のレシーバの入力は図20と逆になる。すなわち、結合器C1に接続されるDRAM10−2、10−3は正論理端子に、結合器C2に接続されるDRAM10−2、10−3は負論理端子に接続されている。このようにすることで、全て正論理の差動信号を伝送することが出きる。
【0089】
また、図20と図21を組み合わせて、バス接続されている同じDRAMに対してメインラインをリング状に構成するか2本のopen-endにするかによって偶数番目のDRAMを選択的に正論理にも負論理にも出きる。これは図15、16ではマザーボードの配線を短絡するか開放とするかだけでありこの他の部品を何も必要としない。このため、システム設計の自由度が広くなる。
【0090】
さて、DQ(data)信号のラッチにDQS(data strobe)信号を用いるメモリモジュールシステム、例えばDDR−SDRAM(Double Data Rate Synchronous DRAM)において、ライトデータのレイテンシが長いという課題があった。これを図22を用いて説明する。
【0091】
DDR−SDRAMで採用されているSSTL(Stub Series Terminated Logic)インタフェースはHiz状態が終端電圧のVttと同じであり、レシーバの基準電圧Vrefも終端電圧Vttとほぼ同じため、HizからL状態あるいはHizからH状態への遷移の検出ができないという課題があった。
【0092】
図22においてクロックCKを基準にコマンドが発行されデータが送出される。例えばステージ1においてライトコマンドが発行され、ライトデータ(DA0)がステージ2より送信されている。ストローブ信号DQSはステージ1でHizの状態から一度Lに落とし、ステージ2でデータをラッチするためのストローブ信号をドライブしており、この結果データ信号に1サイクルwaiteが入っている。
【0093】
これは、メモリはDQSがHizからL状態へ遷移検出ができず、DQSがLからHになって初めてDQSの遷移を識別できるようになるからである。このためにDQS遷移の認識用に1ステージ分のプリアンブルであるwaiteが入っていた。
【0094】
これに対し実施例1の方向性結合器を用い場合は図23に示すように、コマンドと同期してデータを発行することができる。ここで、DQTxとはMC10−1から送信されるデータ信号波形であり、DQRxとは方向性結合器により誘起された後方クロストークでありDRAMのレシーバに入力されるデータ信号波形である。同様に、ストローブに対してはDQSTx、DQSRxはそれぞれMCの出力信号とDRAMの入力信号である。
【0095】
図23から分かるようにMCからはライト・コマンドとデータであるDQTxが同時に発行でき、ストローブ信号であるDQSTxもステージ1でドライブできる。すなわち、DQSTxがHizからLへの変化するとDQSRx信号にパルスが生じ、このパルスをDRAMでは識別できるのである。これにより、DQSにプリアンブルが必要でなくなりwriteコマンドとwriteデータを同時に発行できる。このためメモリライトのアクセスレイテンシを1ステージ分短くすることができる。これにより、システムとしてはメモリアクセスのレイテンシが向上するためシステム性能が向上する。
【0096】
また、SSTLドライバを用いて方向性結合器を用いたバスの場合、すなわち、図2の様なメインライン及び副結合配線を終端させた場合は、プリアンブル部の振幅がデータ転送の振幅と比べて半分である。すなわちドライブ振幅がHiZ状態からL状態或いはHiZ状態からH状態への遷移はL状態からH状態へ、またその逆の遷移に比べて信号が半分程度である。このため、レシーバに入力される振幅は半分となりレシーバの感度が足りなく振幅を確保する必要があった。このため、 SSTLドライバを用いた場合ではいったんHizからL状態にストローブ信号を遷移させ信号振幅を確保する必要があり、結果としてメモリライトでアクセス時間が伸びていた。
【0097】
メモリコントローラはデータ転送のための信号を2値とし、かつそのインピーダンスはメモリコントローラ側は配線の特性インピーダンスと同じインピーダンスとする。すなわち、データを転送していない場合のHiZ状態もH状態も同じ電位とし配線の特性インピーダンスと同じインピーダンスでドライブしておく。データがL状態のときも特性インピーダンスと同じインピーダンスでL信号をドライブする。このようにすることで反射波を吸収することができる。
【0098】
信号をHiz状態からL状態にドライブした場合もH状態からL状態にドライブした場合も同じ振幅であり、このため結合器を通過した信号はこの2つの転送で同じ振幅となる。これにより、どの信号の遷移でも同じ信号振幅となるのでプリアンブルの必要はなくなる。プリアンブルが不必要となるためメモリアクセス時間が短くなりバス使用効率が上がりシステム性能が向上する。
【0099】
次に、メモリライトデータの信号振幅を大きくする方法について図24、図25を用いて説明する。
【0100】
図14の様にDRAMの入力インピーダンスも配線のインピーダンスに整合している。そのため、メモリライトのデータ信号は方向性結合器で生じた信号と同じ振幅の信号が入力される。これを図24の様に構成することで信号振幅を大きくできる。
【0101】
51aは本実施例のドライバである。52のレシーバは図14と同じ構成である。ドライバ51aは図14に比べて制御信号(WRITE)が増えている。動作は図24中の表に示した。すなわち、WRITE信号がHのときは動作は図14と同じであるが、WRITE信号がLとなった場合、トランジスタM1もM2もHiZとなり、結果としてDRAMの入力インピーダンスはHiZとなる。すなわち、LのWRITE信号が入力されるDRAMのドライバ51aは入力インピーダンスがHiZとなり、配線からの信号が全反射する。このため、配線からの信号振幅が2倍となってレシーバ52に入力される。このため、レシーバ52が図14と比べて感度が高くなくてよく、また、ノイズマージンが増えるので、耐ノイズ性を大きくできる事になる。
【0102】
この回路を有するDRAMは図1のように方向性結合器を介して配線の特性インピーダンスと同じインピーダンスを持つDRAMあるいは終端モジュールと1対1接続されている。このため図24のI/O回路を有するDRAMがHiZとなって、方向性結合器からの信号が全反射を起こした場合でも他方のDRAMのWRITE信号がHもしくは終端モジュールが接続されてればこの反射波が吸収されることになる。このため、ドライバ51aがHiZになってもDRAMを接続する配線1−2上の信号は乱れることがなく、安定動作が可能である。
【0103】
次に、図25を用いてWRITE信号の出力タイミングを説明する。
図25は図22と同じく、WRITEコマンドが発行されてからライトデータが出力されるまで1ステージ空きがある例である。ライトコマンドはMCから出力されてから配線の伝搬遅延時間後にDRAMに到達する。DRAMに到達したこの信号をCOMMANDRxと表した。DRAMはこのWRITEコマンドの他にチップセレクト信号や他の制御信号により書き込みの対象が自分であることがDRAMは識別できる。
【0104】
DQTX、DQSTxはWRITEコマンドを発行後、1ステージ後に出力され同じ配線遅延時間後にDRAMに到達する。これをDQRx、DQSRxとした。負論理のWRITE信号はDRAMの内部信号であるがコマンドWRITE信号を受信してからL出力される。そして、そのL期間はデータのバースト長とほぼ同じかそれ以上の長さを持つ。このため、この期間は書き込み対象のDRAMの入力インピーダンスがHiZとなるのでライトデータを受け取る期間だけ信号振幅が2倍となる。このため、レシーバのノイズマージンが確保できると共に、波形歪みも少ないので安定動作が可能となる。
【0105】
次に、図26は本発明の方向性結合器を用いたメモリバスシステムを応用した実施例を示す。
【0106】
図26は4つのCPUとチップセット300がプロセッサバス201により相互接続されている。また、DRAMを制御するメモリコントローラを内蔵するチップセット300がメモリバス202により相互接続されている。更にPCI(Personal Connect Interface)などの周辺装置を接続するためのI/O LSIとチップセット300がI/Oバス203により相互接続されている。また、グラフィックポートとして、チップセット300とグラフィック制御LSIがグラフィックバス204を介して接続されている。
【0107】
これらのバス201〜204はチップセット300に接続されている。チップセット300はバス201〜204の各バス間のデータ送受信を司る。
【0108】
ここで、メモリバス202に結合器を用いたデータ転送を行っている。これによりメモリアクセスの高速動作が可能でスループットが向上し、レイテンシが短くなるのでシステム性能が向上するという効果がある。
【0109】
又、図27のようにプロセッサモジュール400内のキャシュメモリバス410に応用しても同等な効果が得られる。この場合、結合器はプロセッサモジュール内に構成され、例えば、MCM(Multi Chip Module)のように多数の半導体素子を1つのパッケージに実装する技術を用いれば、キャシュコントローラを内蔵するプロセッサとキャシュメモリをパッケージに構成された結合器により結合させることができ、これにより高速なデータ転送が可能となる。
【0110】
第5の実施例を図28を用いて説明する。
本実施例は本来多ビットで構成されているバスの1ビットの信号を抜き出した図である。本実施例では1つの方向性結合器を用いて1つのMCと2つのDRAM間でデータ転送を行う例であり、生成される信号量を増加させる。
【0111】
本実施例のバスではMC10−1及びDRAM10−2、DRAM10−3が接続されており、MC10−1とDRAM10−3はそのピンから見た内部インピーダンスが線路の持つ特性インピーダンスと同じである、いわゆる、ソースインピーダンスマッチングがなされている。但しDRAM10−2の入力インピーダンスはHiZである。ここで、方向性結合器C1の端のうち配線1−2のMC10−1側の端はDRAM10−2に接続されるが、この配線長は極めて短い。例えばMC10−1が搭載されているマザーボードの結合器C1の直下にDRAM10−2を直付けすることでこの配線長を極小にできる。
【0112】
なお、結合器C1の他方の端からDRAM10−3の端(D)への配線は例えばモジュール構成のように、ある程度長さがあっても良い。ただし、配線1−2のうち結合器を構成する副結合線部のDRAM10−3側の端からは主結合線路1−1の端(B)に鉛直に相対するところから配線が引き出されており、主結合線路が副結合線路に対して長短が有るわけではない。
【0113】
図29を用いて図28の配線構成の場合の、メモリライト動作時の波形を説明する。図ではMC10−1から結合器までの配線、及び、副結合器からDRAM10−3までの配線長は無視できるぐらい短いとして説明する。
【0114】
図29はMC10−1からのメモリライトデータの波形である。(A)の波形はソースインピーダンスマッチングした波形なので図4の波形(A)と同じく方向性結合器の往復伝搬遅延時間T2の期間だけドライブ電圧のおおよそ半分である電圧(V1)が続く。その後、反射波が戻ってくるので(2*V1)まで上昇する。配線1−1のMC10−1とは反対側の(B)端では遅延時間T2後、進行波が到達すると同時に反射波が生成されこれらが重なり合うので、電圧は(2*V1)となっている。
【0115】
配線1−2(C)端には、結合器C1を端(A)から端(B)への進行波が伝搬するときに生成される後方クロストーク信号(Kb*V1)が伝達されるが、この(C)端がHiZであるためこの後方クロストーク信号が全反射し2倍となるので(C)端での信号電圧は(2*Kb*V1)となる。
【0116】
また、配線1−2(D)端にもこれと同じ(2*Kb*V1)の電圧が伝搬される。これは2つの後方クロストークが重なり合った結果である。
【0117】
1つ目の後方クロストークは、結合器C1の進行波が端(C)側に生成した信号が配線1−2の(C)で反射し配線1−2の端(D)側に伝搬する信号である。この伝搬した信号はKb*V1である。2つ目は、結合器C1を伝搬する進行波が配線1−1(B)端での反射し、この反射波が結合器C1で配線1−2(D)端側に後方クロストーク信号(Kb*V1)を生成する。この2つの後方クロストーク信号の位相は同じであり、同位相で重なり2倍の信号すなわち(2*Kb*V1)となる。なお、DRAM10−3の入力インピーダンスは配線の特性インピーダンスにマッチングしているのでDRAM10−3の端での再反射はなく吸収される。これは、図4に比べて2倍に信号振幅が増加している。
【0118】
すなわち、メモリライトの動作において端(C)並びに端(D)において、反射を用いているため信号振幅が2倍となっている。このため、DRAM10−2、10−3のノイズ耐性が大きくなることを意味し安定かつ高速にデータ転送が実現できる。
【0119】
図30を用いて図28の配線構成の場合のメモリリード動作時の波形を説明する。
図30はDRAM10−2からのメモリリードデータの波形である。DRAM10−2のドライバは線路の特性インピーダンスより低いインピーダンスでドライブするので、端(C)の波形は、ほぼフル振幅(2*V1)の波形が出力される。ドライブされた信号は端(D)にて遅延時間T2後吸収される。これはDRAM10−3が持つソースインピーダンスマッチング機能により整合終端されているためである。配線1−2を伝送するDRAM10−2からの信号は後方クロストークを生成し端(A)に生じる電圧は2*V1*Kbとなる。なお、端(A)においてもソースインピーダンスマッチングされているのでこの端での反射はない。
【0120】
図31はDRAM10−3からのメモリリードデータ波形を示す。
ソースインピーダンスマッチングドライバを有するDRAM10−3からの出力は、電源電圧の半分の振幅(V1)であり、図29と同様に(2*T2)後に反射波によりフル振幅になる。副結合線線路を端(D)側から端(C)側へ向かうドライブ信号電圧は端(B)側に後方クロストーク電圧(V1*Kb)を生成するがすぐさま端(B)にて反射し端(A)へと向かう。更に副結合線路の端(C)で全反射した信号は今度は端(D)側へ戻っていく。この時も主結合線路の端(A)側に後方クロストーク信号(V1*Kb)を生成させる。主結合線路上のこの2つの信号が同じ位相で重なり端(A)に於いて2倍の信号となる。このため、DRAM10−3からのメモリリードデータも(2*V1*Kb)となり信号量が2倍となる。
【0121】
以上のようにDRAM10−2、DRAM10−3からのメモリリードデータに対しても信号量は(2*V1*Kb)となることが分かる。
【0122】
このようにして、メモリライト、メモリリードの動作においてデータ信号はいずれの場合でも(2*V1*Kb)と信号振幅が2倍となっているため、MC10−1、DRAM10−2、10−3間のデータ転送においてノイズ耐性が大きくなり、安定かつ高速にデータ転送が実現できる。
【0123】
図32、33に示すように、以上のメモリアクセスの振舞をシミュレーションにより確認した。
【0124】
図32はMC10−1から出力されるメモリライトのデータ波形である。結合線路は図7の配線断面寸法を有し、図8の場合と同じく結合器の配線長は40mmと同じである。図32、33では先の説明と同じく、配線1−1においてMC10−1から結合器までの引出し配線、及び、配線1−2において副結合器からDRAM10−3までの配線長は無視できるぐらい短いと仮定している。
【0125】
シミュレーションの結果、図32のメモリライトデータ波形は端(C)、端(D)の信号が約390mVと、図9の端K1、端J1の220mVに比べて1。8倍程度になっていることが分かる。これは先に述べたようにクロストークと反射波が同位相で重畳したためである。
【0126】
図33はDRAM10−2からのメモリリード時のデータ波形である。端(C)に接続されているDRAM10−2の出力インピーダンスは10Ωと配線の特性インピーダンスに比べて低いのでほぼフル振幅でドライブしており、これが図28の方向性結合器C1により端(A)すなわちMC10−1へデータを伝搬させる。このときの信号振幅も約320mVあり、図11とほぼ同じ大きさの信号振幅を持つことが分かる。また、図32、33から分かるように生成される信号の時間幅は結合器の往復伝搬遅延時間(2*T2)の0。48nsに等しく、これは図9、図11、図12の後方クロストークパルス幅と同じである。
【0127】
なお、DRAM10−3からMC10−1へのデータ伝送波形はほぼ図32と同じであった。理由としてばDRAM10−3から見た負荷条件がMC10−1から見た負荷条件とほとんど同じであるためである。DRAM10−3から見た負荷条件が、結合器までの配線、終端されていない方向性結合器と続き、他方の結合器を構成する配線条件も近端側が開放端で遠端側が終端された条件である。DRAM10−3の負荷条件とMC10−1の負荷条件で唯一異なるのはDRAM10−2がDRAM10−3側配線に接続されている点であるが、このDRAM10−2の入力インピーダンスはHiZであり、ほぼ開放端と見なせるためDRAM10−3からのリードデータ波形も図32とほとんど同じになる。すなわち、図32で波形(A)の点線がDRAM10−3からの出力波形に、波形(B)がDRAM10−2の端(C)での波形に、(C)の波形が端(B)の波形に、(D)の波形がMC10−1の入力波形に対応する。
【0128】
以上の様にシミュレーションの結果からも図28でMC10−1からのメモリライトデータ信号も、DRAM10−2、10−3からのリードデータ波形も350mV以上の振幅を持ち、図1に比べてメモリライトの信号電圧が大きくなっていることが分かる。
【0129】
これを実装した場合の断面図を図34と図35に示す。
【0130】
図34は図15、図16と同じくマザーボード1の断面方向から見た図で、図34は図28の入力インピーダンスがHiZのDRAM10−2がマザーボード1に直接実装され、入力インピーダンスがソースインピーダンスマッチングしたDRAM10−3がメモリモジュール2−2に実装された状態でコネクタを介して接続されている。それぞれのチップを接続する方向性結合器はマザーボード1内に構成され、MC10−1からの主結合線路を含む配線1−1は層m1に、副結合線路を含む配線1−2は層x1に設けられている。線路1−2の副結合器からメモリモジュール2−2への引出し点に相対する点で主結合線1−1が終わっていることに注意されたい。これにより後方クロストークと反射が同位相で重なり信号が増幅される効果を生む。
【0131】
DRAM10−3は終端(ソースインピーダンスマッチング)されていると説明したがもちろん入力インピーダンスはHiZのDRAMに外付けの抵抗器で終端させる方法を用いてもよい。この場合、DRAM10−2とDRAM10−3とが同じものが使える。
【0132】
図35は図34に対してメモリモジュール2−2の代わりに終端ボード2−2’がコネクタに挿入されている。これはシステムの構成上、システムが必要とするメモリ容量がDRAM10−2を実装することで最低限満たしており、この状態で出荷する場合に用いられる。そして、その後システムの性能を向上させるなどメモリを拡張の必要が生じた場合、図35の終端ボード2−2’を抜き、図34の様にDRAM10−3を搭載したメモリモジュール2−2を挿入することでメモリが拡張できる。以上のように、本実施例は図34、35のようにシステムの拡張性がある実装方式であるといえる。
【0133】
また、図34においてDRAM10−2を搭載せず、メモリモジュール2−2のみ搭載するように構成しても生成される信号は同じであることからMC10−1とDRAM10−3間でデータ転送をすることも可能である。実装上の制約がある場合などにDRAM10−2を搭載する事ができない場合でも信号量を2倍にできる効果がある。
【0134】
図36に第6の実施例を示す。
第5の実施例である図28に対して搭載できるDRAMの容量を増やした実施例である。
【0135】
本実施例のバスではMC10−1及びDRAM10−2〜10−5が接続されており、MC10−1とDRAM10−3、DRAM10−5はそのピンから見た内部インピーダンスが線路の持つ特性インピーダンスと同じであるソースインピーダンスマッチングされている。DRAM10−2、10−4の入力インピーダンスはHiZである。ここで、方向性結合器C1を構成する副結合線路1−2a、1−bの一方の端でそれぞれDRAM10−2、10−4に接続される。例えばMC10−1が搭載されているマザーボードの結合器C1の直下あるいは直上にDRAM10−2、10−4をそれぞれ直付けすることで接続できる。
【0136】
なお、結合器C1の配線1−2a、1−2bの副結合配線部の他方の端からDRAM10−3、10−5への配線は、例えば図34のようなモジュール構成のようにある程度長さがあっても良い。ただし、副結合線のDRAM10−3、10−5側の端は主結合線路の端に相対するところから鉛直に引き出されており、主結合線路が副結合線路に対して長短が有るわけではない。
【0137】
方向性結合器C1ではMC10−1に接続された線路1−1に対して、両側に配線1−2a、1−2bを配置されるが、これら配線1−2a、1−2bに対して同じ後方クロストーク結合係数を持つように調整されている。すなわち、同じ配線幅、同じ配線ピッチ、同じ配線長を持つように配置されている。線路1−2a、1−2bはこのように構成されているため、メモリライトデータの信号は、図29に示したようにDRAM10−2とDRAM10−4、或いはDRAM10−3とDRAM10−5で同じ波形になる。すなわち先に説明したようにDRAM10−2〜10−5での信号振幅は反射波が重畳されている分2倍の大きさ(2*Kb*V1)に大きさが揃っている。
【0138】
同様に、DRAM10−2あるいはDRAM10−4からのメモリリードデータの波形は方向性結合器C1はMC10−1に接続された線路1−1に対して同じ結合係数を持つように副結合線路1−2a、1−2bが構成されているため、同じ大きさであり、図30で説明した様に(2*Kb*V1)の大きさになっている。DRAM10−3或いはDRAM10−5からのメモリリードデータ波形も同様に図31と同じ(2*Kb*V1)の大きさになっている。
【0139】
この図36の様に構成することで、1つのMC10−1に対して4つのDRAM10−2〜10−5を接続することができ、第5の実施例に比べてメモリ容量を増加できるという効果がある。これはもちろん、DRAM10−3、10−5をモジュールに搭載し、メモリ容量が少なくてもよいシステム場合は終端ボードで終端し、拡張が必要な場合はDRAM10−3、10−5を実装したメモリモジュールに交換することでシステムにメモリの拡張性を持たせることができるのは言うまでもない。
【0140】
図37を用いて第7の実施例を説明する。
本実施例では、図36の主結合線1−1にMOSスイッチなどの接続手段を介することでさらにメモリ搭載量を拡張させることができる。
【0141】
3−1、3−2はMOSスイッチであり、MC10−1内に設けられた切替え手段(セレクタ)4で制御される。MOSスイッチ3−1、3−2はMC10−1に接続された線路1−1内に設けられ、MOSスイッチ3−1とMC10−1間の配線1−1(A)が線路1−2a、1−2bとで方向性結合器C1を構成している。MOSスイッチ3−2とMOSスイッチ3−2間の配線1−1(B)が線路1−3a、1−3bとで方向性結合器C2を構成している。MOSスイッチ3−2から端までの配線1−1(C)が線路1−4a、1−4bとで方向性結合器C3を構成している。結合器C1にはDRAM10−2〜10−5が接続され、結合器C2にはDRAM10−6〜10−9が接続され、結合器C3にはDRAM10−10〜10−13が接続されている。この結合器C1〜C3とDRAM10−2〜10−13の接続様式は図36に同じである。
【0142】
MC10−1と、DRAM10−2〜10−5の内の1つのDRAM間でデータ転送させる場合、MOSスイッチ3−1は線路1−1(A)と1−1(B)が切り離されるように切替え手段4により制御される。このため、線路1−1(A)上を伝搬する信号はMOSスイッチ3−1の端でほぼ全反射する。このため、MC10−1、DRAM10−2〜10−5は図36と全く同じ動作をすることになる。
【0143】
次にMC10−1と、DRAM10−6〜10−9の内の1つのDRAM間でデータ転送させる場合、MOSスイッチ3−1は線路1−1(A)と1−1(B)が導通するように、また、MOSスイッチ3−2は線路1−1(B)と1−1(C)が切り離されるように切替え手段4により制御される。このため、線路1−1(B)上を伝搬する信号はMOSスイッチ3−2の端でほぼ全反射する。このため、MC10−1、DRAM10−6〜10−9は図36と全く同じ動作をすることになる。なお、DRAM10−2〜10−5と線路1−2a、1−2bは線路1−1(A)に接触しておらず1−1(A)と1−1(B)の線路の特性インピーダンスが同じであるため、1−1(A)、1−1(B)を伝送する信号に歪みを与えるものではない。もちろんMOS3−1の導通抵抗は線路インピーダンスに比べて非常に小さいことが望ましい。これはインピーダンスミスマッチによる波形歪みを抑える効果がある。
【0144】
同様に、MC10−1と、DRAM10−10〜10−13の内の1つのDRAM間でデータ転送させる場合、MOSスイッチ3−1とMOSスイッチ3−2は導通するように切替え手段4により制御される。このため、線路1−1(C)上を伝搬する信号は遠端でほぼ全反射する。このため、MC10−1、DRAM10−9〜10−13は図36と全く同じ動作をすることになる。
【0145】
このようにMOSスイッチ3−1、3−2を非導通にする或いは導通にすることで、MC10−1とDRAM10−2〜10−3の内の1つのDRAM間で選択的にデータ転送を行うことができる。すなわち図36の場合に比べてシステムに搭載できるDRAMの個数を増やすことができるという効果がある。この切替え手段は、DRAMに用いられているチップセレクタなどの信号と共用してもよい。
【0146】
また、このDRAM10−2〜10−13すべてを搭載するかどうかはシステムの用件にかかわり最初は少ないDRAMを搭載し、機能拡張が求められたときにDRAMを追加すればよい。必要なら図35のような終端ボード2−2’を用いても良い。
【0147】
図38を用いて第8の実施例を説明する。
図38において方向性結合器C1は図36と同じように配線1−1と、配線1−1に対して両側に同じ間隔で平行に近接して配置された線路1−2a、1−2bとで構成されており、更に、配線1−2a、1−2bのMC10−1側の端が接続されている事を特徴とする。また、配線1−2a、1−2bの他方の2つの端はDRAM10−2、10−3へそれぞれ鉛直に配線が引き出されている。
【0148】
DRAM10−2、10−3の持つ入力インピーダンスはそのメモリへのアクセスが有るかどうかで異なる。メモリアクセスがある場合、入力インピーダンスはHiZになり、そうでない場合はソースインピーダンスマッチング状態になる。なお、MC10−1は絶えずソースインピーダンスマッチング状態である。このように構成することにより信号量を4倍の4*Kb*V1にする事ができる。
【0149】
図39にメモリライト時のデータのシミュレーション波形を示す。シミュレーション条件は配線に掛かる部分以外は同じである。メカニズムを以下に示す。この図はMC10−1からDRAM10−2へのデータ転送の波形である。
【0150】
MC10−1の端(A)からの出力は、そのインピーダンスが配線の持つ特性インピーダンスと同じであるため階段状になる。このときの配線1−1を伝搬していく信号をV1とする。この信号は、配線1−2a、1−2bに後方クロストークを生成しその大きさはKb*V1である。配線1−2bで生成された後方クロストークは配線1−2aを通って端(D)へ伝搬する。配線1−1を伝搬してきた信号は端(B)で全反射し、この反射波が配線1−2a、1−2bで再び後方クロストークを生成する。この生成された後方クロストークの大きさは(Kb*V1)で、配線1−1の進行波により配線1−2bで生成された後方クロストークと同位相で重畳する。このため配線1−2aをDRAM10−2へ進行する信号振幅は(2*Kb*V1)となっている。そして更にDRAM10−2の端(D)へ到達した時DRAM10−2の入力インピーダンスはHiZであるのでここで再び全反射し結果として(4*Kb*V1)の信号波形となる。図39では640mV程度となっている。この信号波の持つ時間幅は結合器C1の往復伝搬遅延時間0。48nsである。すなわち、信号量のみ大きくなっている事が分かる。
【0151】
同様にMC10−1からDRAM10−3へのデータ転送はDRAM10−2のインピーダンスを配線の特性インピーダンスにマッチングさせ、DRAM10−3の入力インピーダンスをHiZにさせることで、図39と同一な波形となり、(4*Kb*V1)の信号でライトデータを転送できる。
【0152】
次に図40に、DRAM10−2からMC10−1へのメモリリードデータのシミュレーション波形を示す。
DRAM10−2の出力インピーダンスは線路の特性インピーダンスに比べて低い(10Ω)。このためドライブ波形(D)はほぼ(2*V1)のフル振幅し、このドライブ信号で線路1−1には後方クロストークが(2*Kb*V1)が端(B)方向に生成される。端(B)では全反射するのでこの後方クロストークがそのまま端(A)方向に伝搬する。DRAM10−2からのドライブ波形は配線1−2aから配線1−2bへ伝わるが、配線1−2bを伝わるドライブ波形は配線1−1へ(2*Kb*V1)の振幅を持つ後方クロストークを生成する。この後方クロストークと先の端(B)で反射した後方クロストークが同位相で重なるので信号は(4*Kb*V1)となり、MC10−1へ入力され終端される。図40ではほぼ580mVの電圧が端(A)に入力されているのが分かる。なお、信号波形は図39と同じ時間幅を持っている。
【0153】
図41にはメモリアクセス毎のMC10−1、DRAM10−2、10−3の入力インピーダンスを記す。MC10−1はメモリライト時もリード時もソースインピーダンスマッチング状態にあり、これをRTTで示した。メモリライトの場合、対象となるDRAMはHiZとなり、非対象のDRAMはRTT状態にある。また、メモリリードの場合は、メモリリードデータを出力するDRAMの出力インピーダンスは低く(LOW)、非対象のDRAMのインピーダンスはRTTである。DRAM10−2、10−3はデータ転送の対象かどうかはチップセレクト(CS)信号で認識できる。
【0154】
このように構成・動作することにより信号を約4倍の(4*Kb*V1)に増加させることができる。すなわち、ドライブ信号を小振幅にしても充分な信号量を得ることができるという効果がある。当然、図38のようなMOSスイッチを多段に構成することによってバスに接続するDRAMを増加することもできる。
【0155】
図42を用いて第9の実施例を説明する。
図42はDRAM或いはMC10−1のドライバとレシーバ或いは終端手段を有するI/O回路の構成図である。53は終端手段である。51−1はドライバである。52−1はヒステリシス特性を持つレシーバである。52−2はヒステリシス特性を持たないレシーバである。73はレシーバ52−1とレシーバ52−2を切り替える切替え手段である。72は本I/O回路を含む半導体素子を製造するときに接続されるボンディング切替え手段であり、製造時にVDDあるいはGNDのどちらかに接続変更可能である。図では切替え手段73へVDDすなわちHIGH論理信号を与えている。同様に、71は終端手段53をONにするかOFFにするかを製造時に切り替えることができる。
【0156】
このため、例えば図28のDRAM10−2とDRAM10−3はその入力インピーダンスが異なるがこれを同じ半導体マスクで製造し、製造時にこのボンディング切替え手段71を切り替えることで1つのマスクで2つの機能を持たせることができる。同様に、従来のDRAMインタフェースであるSSTLなどのレシーバ52−2と、方向性結合器に好適なヒステリシス特性を持ったレシーバ52−1を同じ半導体マスクで製造時に切り替えることで製造コストを下げることができる。
【0157】
図43を用いて第10の実施例を示す。
本実施例は図27のプロセッサモジュール400の様に複数のチップからなる部位を1つのマルチチップモジュールに実装し、先の実施例、例えば図28の配線方式を応用した例である。マルチチップモジュール400内に設けられたプロセッサ(CPU)31とキャッシュメモリ32はそれらの間でデータ転送を行う場合、図28で示した配線方式すなわち方向性結合器C1を介して行うことができる。このため、高速にCPU31とキャッシュメモリ32間のデータ転送を行うことが可能となる。また、もちろんマルチチップモジュールは、CPU31の機能ばかりでなくキャッシュメモリ32の機能を追加することで性能が向上した1つの素子として取り扱うことができる。更にCPU31とキャッシュメモリ32間のデータ転送をCPU31が実装されるプリント基板に設ける必要が無くなるので該プリント基板の構成が簡単になると言う効果がある。
【0158】
【発明の効果】
MCに接続されたメインラインの遠端を開放端あるいは短絡端とすることで全反射を起こしこの反射波と進行波を用いて方向性結合器の両端に後方クロストークを生成させることで方向性結合器の両端に接続されたDRAMとMC間でデータ転送が可能となる。この方向性結合器を2つのDRAMで共有することによりDRAMモジュール間のピッチを半分にできる。
【0159】
また、開放あるいは短絡させたメインラインを折り返し、この折り返したメインラインに対し方向性結合器を構成することで、DRAMモジュールの間隔を方向性結合器の結合器の配線長の1/4にできる。
【0160】
また、DRAMの信号に対して開放にするか短絡にするかで接続されているDRAMを選択的に正論理あるいは負論理にすることが出きるのでチップセレクト信号のように排他的に制御する信号の本数を減らすことができるという効果がある。
【0161】
メモリコントローラはデータ転送のための信号を2値とし、かつそのインピーダンスはメモリコントローラ側は配線の特性インピーダンスと同じインピーダンスとする。すなわち、データを転送していない場合のHiZ状態もH状態も同じ電位とし配線の特性インピーダンスと同じインピーダンスでドライブしておく。データがL状態のときも特性インピーダンスと同じインピーダンスでL信号をドライブする。このようにすることで反射波を吸収することができる。
【0162】
信号をHiz状態からL状態にドライブ場合もH状態からL状態にドライブした場合も同じ振幅であり、このため結合器を通過した信号はこの2つの転送で同じ振幅となる。これによりどの信号の遷移でも同じ信号振幅となるのでプリアンブルの必要はなくなる。プリアンブルが不必要となるためメモリアクセス時間が短くなりバス使用効率が上がりシステム性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例を説明する図である。
【図2】従来の方式である。
【図3】第1の実施例の説明図である。
【図4】第1の実施例のMCからDRAMへの書き込みタイミングである。
【図5】第1の実施例のDRAM10−1からMCへの読み込みタイミングである。
【図6】第1の実施例のDRAM10−2からMCへの読み込みタイミングである。
【図7】第1の実施例の結合器の構成である。
【図8】第1の実施例のMCからDRAMへの書き込みシミュレーション等価回路である。
【図9】第1の実施例のMCからDRAMへのライトデータ波形である。
【図10】第1の実施例のDRAM10−1からMCへのシミュレーション等価回路である。
【図11】第1の実施例のDRAM10−1からMCへのリードデータ波形である。
【図12】第1の実施例のDRAM10−2からMCへのリードデータ波形である。
【図13】第1の実施例のMCのI/O回路である。
【図14】第1の実施例のDRAMのI/O回路である。
【図15】第1の実施例のモジュール型基板構成図(断面図)である。
【図16】第2の実施例のモジュール型基板構成図(断面図)である。
【図17】第2の実施例の基板断面図である。
【図18】第2の実施例の基板断面図である。
【図19】第3の実施例を説明する図である。
【図20】第3の実施例を応用したリング型差動配線方式である。
【図21】第3の実施例を応用した開放型差動配線方式である。
【図22】従来のDDR−SDRAMのメモリライトのタイミング図である。
【図23】第一の実施例を用いたメモリライトのタイミング図である。
【図24】入力振幅を2倍に出きるDRAMインタフェースである。
【図25】図24のDRAMへのメモリライトのタイミング図である。
【図26】開放端・短絡端をもつメインラインを用いたメモリバスを持つシステムである。
【図27】開放端・短絡端をもつメインラインを用いたキャシュメモリバスを持つシステムである。
【図28】第5の実施例を説明する図
【図29】第5の実施例のMC10−1からDRAM10−2、10−3への書き込みタイミングを示す図
【図30】第5の実施例のDRAM10−2からMCへの読み込みタイミングを示す図
【図31】第5の実施例のDRAM10−3からMCへの読み込みタイミングを示す図。
【図32】第5の実施例のMC10−1からDRAM10−2、10−3へのライトデータ波形を示す図。
【図33】第5の実施例のDRAM10−2からMCへのリードデータ波形を示す図。
【図34】第5の実施例の基板実装断面図を示す図。
【図35】第5の実施例の基板実装断面図(終端ボードを実装したケース)
【図36】第6の実施例を説明する図
【図37】第7の実施例を説明する図
【図38】第8の実施例を説明する図
【図39】第8の実施例のシミュレーション波形(メモリライト)
【図40】第8の実施例のシミュレーション波形(メモリリード)
【図41】第8の実施例のMC10−1、DRAM10−2、10−3の入力インピーダンスを示す図
【図42】第9の実施例を説明する図(ボンディングオプション)
【図43】第10の実施例を説明する図(マルチチップモジュールに方向性結合器を適用した図)
【符号の説明】
1・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・プリント基板(マザーボード)
1−1・・・・・・・・・・・・・・・・・・メインライン
1−2〜1−5・・・・・・・・・・・・・・配線
2−1〜2−9・・・・・・・・・・・・・・データ転送を行う半導体素子をそれぞれ搭載するモジュール基板
2−a〜2−d・・・・・・・・・・・・・・メモリモジュールを多数搭載するメモリサブシステム
51、51’、51a・・・・・・・・・・・ドライバ
10−1・・・・・・・・・・・・・・・・・メモリコントローラ(部)
10−2〜10−9・・・・・・・・・・・・データ転送を行う半導体素子(メモリ)
30・・・・・・・・・・・・・・・・・・・プロセッサ(CPU)部
40・・・・・・・・・・・・・・・・・・・グラフィック部
50・・・・・・・・・・・・・・・・・・・I/O部
60、61・・・・・・・・・・・・・・・・方向性結合チップ
201・・・・・・・・・・・・・・・・・・プロセッサバス
202・・・・・・・・・・・・・・・・・・メモリバス
203・・・・・・・・・・・・・・・・・・I/Oバス
204・・・・・・・・・・・・・・・・・・グラフィックバス
300・・・・・・・・・・・・・・・・・・チップセット
400・・・・・・・・・・・・・・・・・・プロセッサモジュール
410・・・・・・・・・・・・・・・・・・キャシュメモリバス
MC・・・・・・・・・・・・・・・・・・・メモリコントローラ
m1、m2・・・・・・・・・・・・・・・・基板1内の配線層(メインライン)
x1、x2・・・・・・・・・・・・・・・・基板1内の配線層(クロストーク)
C1〜C4・・・・・・・・・・・・・・・・方向性結合器
Rtt・・・・・・・・・・・・・・・・・・終端抵抗
Vtt・・・・・・・・・・・・・・・・・・終端電圧
rs・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ドライバの等価インピーダンス
L1〜L7・・・・・・・・・・・・・・・・配線
vpulse・・・・・・・・・・・・・・・ドライバパルス源
s1、s6、k1、k4、j1、j4・・・・シミュレーション用のノード
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technology for signal transmission between elements such as a multiprocessor and a memory in an information processing apparatus (for example, between digital circuits configured by CMOS or the like or between functional blocks thereof). The present invention relates to a technology for speeding up bus transmission that is connected to a transmission line and performs data transfer. In particular, the present invention relates to a bus connecting a plurality of memory modules and a memory controller and a system using the bus.
[0002]
[Prior art]
As a bus system for connecting a large number of nodes and transferring data at high speed, there has been a non-contact bus wiring disclosed in JP-A-7-141079. The basic method is shown in FIG. In this case, data transfer between two nodes is performed using a crosstalk generator having a length L, that is, a directional coupler. That is, transfer between the bus master 10-1 and the slaves 10-2 to 10-3 is transferred between two lines, that is, using crosstalk between the terminated wiring 1-1 and the terminated wiring 1-2 to 1-3. Technology. This is suitable for one-to-many transfer between the bus master 10-1 and the slaves 10-2 to 10-3, that is, suitable for data transfer between the memory and the memory controller.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-141079 of the prior art, the wiring length L occupied by the directional coupler determines the interval between the bus slaves 10-2, 10-3. In FIG. 2, the wiring length occupied by the two bus slaves DRAMs 10-1 and 10-2 is at least 2L, and the interval between the DRAMs 10-1 and 10-2 is L.
[0004]
In order to increase the density of the system, that is, to reduce the space between the DRAMs, it is easy to shorten the wiring length L of the directional coupler, but this causes a reduction in transmission efficiency, that is, the degree of coupling. I could not.
[0005]
A first problem of the present invention is to narrow the interval between DRAMs and to perform high-density mounting of a memory system.
[0006]
As a second problem, in a memory module system using a DQS signal for latching the DQ signal, for example, a DDR-SDRAM (Double Data Rate Synchronous DRAM), there is a problem that the latency of write data is long.
[0007]
The SSTL (Stub Series Terminated Logic) interface employed in the DDR-SDRAM has the same Hiz state as the termination voltage Vtt, and the receiver reference voltage Vref is substantially the same as the termination voltage Vtt. Here, the Hiz state means a state when the driver of the interface is not outputting data, that is, a high impedance state. For this reason, the transition from Hiz to L state or Hiz to H state cannot be recognized. For this reason, prior to data transfer, the strobe signal is once shifted from the HiZ state to the L state, and then data transfer is performed. This part is particularly called a preamble, and the presence of this preamble lengthens the write access time.
[0008]
In the case of a bus using a directional coupler using an SSTL driver, that is, when the main line and the sub-coupling wiring as shown in FIG. 2 are terminated, the amplitude of the preamble portion is half that of the data transfer. It is. In other words, the transition of the drive amplitude from the HiZ state to the L state or from the HiZ state to the H state is about half the signal amplitude compared to the transition from the L state to the H state and vice versa. For this reason, the amplitude of the write data and the read data input to the receiver is half of the data portion in the preamble portion, and the receiver sensitivity is insufficient, and it is necessary to ensure the signal amplitude.
[0009]
For this reason, when the SSTL driver is used, it is necessary to transition the strobe signal from the Hiz state to the L state once to ensure the signal amplitude. As a result, the access time is extended by the memory write.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As means for solving the first problem, a signal transmission driver of the memory controller 10-1 (MC) is set to have the same impedance as the characteristic impedance Zo of the wiring (main line) 1-1 connected thereto. And re-reflecting with this driver. The far end of the main line is an open end, and the signal is totally reflected at this portion. As the name suggests, a directional coupler composed of two wires (for example, parallel wires) has a signal discrimination characteristic with respect to the direction of signal transmission. In other words, the signal propagating in the main line is induced in the other wiring (sub-coupling wiring) of the directional coupler by a traveling wave traveling in a direction away from the main line as viewed from the MC 10-1. On the other hand, a signal is induced on the near end side and a reflected wave returning in the approaching direction is induced on the far end side.
[0011]
The directional coupler can separately extract the crosstalk caused by the traveling wave and the reflected wave of the signal propagating through the main line from both ends of the sub-coupled line. For this reason, two memory modules can be connected to one coupler. For this reason, since two memories can be connected within the line length of the directional coupler, the mounting density can be doubled.
[0012]
Further, by forming the main line as a folded directional coupler with different layers, the directional coupler can be overlapped, so that the memory interval can be further halved. For this reason, since the interval between the memory modules can be significantly reduced as compared with the conventional example, the mounting area can be reduced.
[0013]
As a means for solving the second problem, the memory controller uses a binary signal for data transfer, and the impedance of the memory controller is the same as the characteristic impedance of the wiring on the memory controller side. That is, the HiZ state and H state when data is not transferred are set to the same potential and driven with the same impedance as the characteristic impedance of the wiring. That is, the input impedance becomes equal to the characteristic impedance. When the data is in the L state, the L signal is driven with the same impedance as the characteristic impedance. By doing so, the reflected wave can be absorbed.
[0014]
When the signal is driven from the Hiz state to the L state and when the signal is driven from the H state to the L state, the signal has the same amplitude, so that the signal passing through the coupler has the same amplitude in the two transfers. This eliminates the need for a preamble because the signal amplitude is the same for any signal transition. Since the preamble is unnecessary, the memory access time is shortened, the bus use efficiency is increased, and the system performance is improved.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment will be described with reference to FIG.
10-1 is an LSI chip (hereinafter referred to as MC) having a memory controller control mechanism, and 10-2 to 10-5 are memory chips (hereinafter referred to as DRAM).
[0016]
The MC 10-1 performs data read / write (read / write) operations on the DRAMs 10-2 to 10-5. The data transfer wirings for reading and writing are 1-1 to 1-3, and among these, the wiring 1-1 connected to the MC 10-1 is called a main line. Further, the wiring 1-2 is composed of three parts, and a sub-coupling line (Sub Coupling Line) portion having a length L constituting a directional coupler by wiring in parallel with the main line 1-1 and its sub-coupling. Two stub wiring (stub) portions physically (substantially) vertically drawn from both ends of the line portion. In FIG. 1, the sub-coupling line portion having the length L and the main line 1-1 in the wirings 1-2 and 1-3 form directional couplers C1 and C2, respectively. For this reason, the directional couplers C1 and C2 do not include the drawer stub wiring.
[0017]
Data signal propagation between the MC 10-1 and the DRAMs 10-2 to 10-5 is performed by C1 and C2 directional couplers represented by inverted symbols "C". This directional coupler is equivalent to that described in JP-A-7-141079. That is, in this case, data transfer between two nodes is performed using crosstalk which is a coupling between two parallel wirings (directional coupler). That is, transfer between the MC (bus master) 10-1 and the memory chip (bus slave) 10-2 to 10-5 is performed between two lines, that is, crosstalk between the main line 1-1 and the wirings 1-2 and 1-3. Use to transfer.
[0018]
Termination resistors are built in the I / O circuits of the DRAMs 10-2 to 10-5. That is, the I / O circuits of the DRAMs 10-2 to 10-5 have the same input impedance as the characteristic impedance of the wirings 1-2 to 1-3 connected thereto. For this reason, there is no reflection at this I / O circuit section. With this configuration, the signals generated by the directional couplers C1 and C2 propagate to the stub wiring, but are not re-reflected at the input ends of the DRAMs 10-2 to 10-5. This termination may be constituted by a MOS transistor in the DRAM 10-2 or may be constituted by an external resistor.
[0019]
The main line 1-1 is terminated with an impedance that is far greater than the characteristic impedance of the main line 1-1 when viewed from the MC 10-1. In the case of FIG. 1, it is opened (OPEN-END). The reflection coefficient at the main line 1-1 is almost 1, and the voltage is totally reflected.
[0020]
Further, the driver of the I / O circuit of the MC 10-1 has the same impedance as the characteristic impedance of the main line 1-1, and there is no re-reflection at this portion. In FIG. 1, there are four DRAMs, 10-2 to 10-5, but there is no difference in the effect of the present invention with more or less DRAMs.
[0021]
Next, the signal propagation operation between the MC 10-1 and the DRAMs 10-2 to 10-5 in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.
3 and FIG. 4, the same symbols as those in FIG. 1 are the same as those in FIG.
[0022]
In the main line 1-1, it can be functionally distinguished into a part (main coupling line) constituting the couplers C1 and C2 and a wiring connecting them. The main coupling line is a portion in the main line 1-1 that is wired in parallel to the sub coupling lines in the wirings 1-2 and 1-3 in the directional couplers C1 and C2. . The signal propagation delay time from the MC 10-1 to the far end of the main line 1-1 is represented by T1. Further, the propagation delay time of the main coupled line portion of the coupled lines C1 and C2 is represented by T2. Here, although there is a part of the wiring that does not constitute the directional coupler on the main line 1-1, it is assumed that the propagation delay time is negligibly short for simplicity. That is, description will be made assuming that T1 = 2 * T2.
[0023]
Let both ends of the main line 1-1 be terminals (A) and (B). (A) is the MC 10-1 side, and (B) is a distant open end of the main line 1-1. Similarly, both ends of the wiring 1-2 are (C) and (D), and both ends of the wiring 1-3 are (E) and (F). FIGS. 4, 5, and 6 schematically show voltage waveforms at these points (A) to (F).
[0024]
4 shows a signal state in which a data signal is transmitted (written) from MC 10-1, FIG. 5 shows a signal state in which a memory read signal is transmitted from DRAM 10-2 to MC 10-1, and FIG. A signal state in which a memory read signal is transmitted to the MC 10-1 is shown. The horizontal axis direction represents time, and vertical dotted lines are drawn at intervals of T2. The vertical axis indicates the signal voltage.
[0025]
In FIG. 4, waveform (A) is an output waveform of the driver of MC 10-1 and transitions from the L state to the H state. The driver of the MC 10-1 has the same output impedance as that of the main line 1-1. Such a driver is particularly called a Source Impedance Matching Driver. The drive waveform that has transitioned from the L state to the H state is divided by the impedance of the driver and the impedance of the main line 1-1, and is therefore output at half the drive voltage. The drive signal propagates on the main line 1-1 in the right hand direction of the drawing for a time T1, and then reaches the far end (B). Since the voltage at this time is the open end of (B), total reflection occurs and the traveling wave and reflected wave are superimposed. (A) Twice the “half drive voltage” at the end Voltage.
[0026]
After a time T1 from the time of driving, the reflected wave propagates on the main line 1-1 in the left-hand direction and reaches the end (A) again. This time is 2 * T1 after driving. The voltage at this time is a superposition of traveling wave and reflected wave. Because there is It becomes equal to the drive voltage of MC10-1. Further, since this driver is Source Impedance Matching, there is no re-reflection at this point, and the signal does not repeat re-reflection and is stabilized in the H state.
[0027]
Next, each point of the wiring 1-2 and 1-3 will be examined. A signal is generated backward in the coupler C1 by the traveling wave flowing through the main line 1-1. Here, the backward direction is the direction opposite to the traveling wave direction, and is the terminal (C) side in FIG. This is backward crosstalk. The signal generated in the direction of the terminal (C) is absorbed in the DRAM 10-2 in FIG. 3 and is not reflected. This is because the DRAM 10-2 is terminated with the same impedance as the characteristic impedance Zo of the wiring 1-2.
[0028]
When the coupler is composed of a strip line, which is a wiring surrounded by a metal plane, the induced voltage due to the inductance between the two wires and the induced voltage due to the capacitance cancel each other in the forward direction on the terminal (D) side. Thus, no signal is generated. So-called forward crosstalk does not occur. That is, in the directional coupler C1 of FIG. 4, backward crosstalk due to traveling waves of the main line 1-1 is generated on the terminal (C) side, but no forward crosstalk is generated on the terminal (D). The backward crosstalk generated by the coupler C1 has a length of round trip time of the coupler C1 (= 2 * T2).
[0029]
The reason for this pulse width is as follows.
Backward crosstalk is generated at the front of the traveling wave, and is induced in the sub-coupled line until the traveling wave is input to the coupler and then output. A traveling wave propagates from the input to the exit of the main coupler at time T2, and since a signal generated near the exit of the main coupling line takes T2 to propagate through the sub-coupler, a total of 2T2 signals are induced. Because.
[0030]
After T2 from the drive time, the traveling wave traveling on the main line 1-1 reaches the coupler C2, and then the coupler C2 also moves in the same manner as the coupler C1. As a result, a signal similar to the waveform (C) is induced at the terminal (E) of the DRAM 10-3. Of course, there is no reflection here. Like the terminal (D), the traveling wave propagating through the coupler C2 does not induce any voltage at the terminal (F).
[0031]
After time T1, when a reflected wave is generated at the open end (B) of the main line 1-1, the reverse process occurs. Since (B) is an open end, the reflected wave is totally reflected, the voltage amplitude of the reflected wave is the same as the traveling wave, and the traveling direction is opposite. When the reflected wave returns along the main line 1-1 toward the MC 10-1, first, backward crosstalk is induced by the coupler C2. This induces a signal on the terminal (F) side that is behind the reflected wave of the main line 1-1. Therefore, if there is no wiring resistance and the waveform traveling on the main line 1-1 is not distorted, the reflected wave of the main line 1-1 induces the same waveform as (C) at the terminal (F). This timing is after the time T1 when the reflected wave is generated as measured from the time when the MC 10-1 starts transmitting the signal. The pulse width of the waveform (F) is T2 which is twice. Naturally, this reflected wave does not induce anything on the front terminal (E) side in the coupler C2.
[0032]
After time T1 + T2, when the reflected wave of the main line 1-1 enters the coupler C1, a backward crosstalk is induced on the terminal (D) side in the same manner. This pulse width is also twice T2.
[0033]
As described above, the signal traveling on the main line 1-1 from the MC 10-1 generates backward crosstalk in the couplers C1 and C2 by the traveling wave and the reflected wave at the end (B). The devices C1 and C2 are selective in signal generation with respect to the direction of the traveling wave / reflected wave, and do not overlap each other and do not become noise. Therefore, at the terminals (C) to (F) of the DRAMs 10-2 to 10-5, pulses having a width of T2 that is twice the propagation delay time of the round trip of the couplers C1 and C2 are generated. This is the same as Kaihei 7-141079 and indicates that it has the same signal waveform quality. The order of signal generation was waveform (C) → (E) → (F) → (D). This means that the DRAM 10-2 (C) is closest to the MC 10-1 in terms of time, and the second DRAM 10-3 (D) is the farthest from the MC 10-1. Signal propagation delay times from the MC 10-1 to the DRAMs 10-2 to 10-5 are respectively expressed by the following (Equation 1) to (Equation 4).
Signal propagation delay time from MC 10-1 to DRAM 10-2 (C) = 0 (Expression 1)
Signal propagation delay time from MC 10-1 to DRAM 10-3 (D) = T1 + T2 (Equation 2)
Signal propagation delay time from MC 10-1 to DRAM 10-4 (E) = T2 (Equation 3)
Signal propagation delay time from MC 10-1 to DRAM 10-5 (F) = T1 (Equation 4)
Therefore, in each case, the signal arrives after the delay time indicated by (Expression 1) to (Expression 4).
[0034]
As shown in FIGS. 1 and 3, two terminated DRAMs 10-2 to 10-3 and 10-4 to 10-5 are connected to both ends of the directional couplers C1 and C2, respectively. It can be seen that signal transmission can be performed to -2 to 10-5.
[0035]
Next, with reference to FIGS. 5 and 6, signal transmission from the DRAM 10-2 to 10-5, which is the memory read direction, to the MC 10-1 will be considered. FIG. 5 shows waveforms at various points related to transfer from the DRAM 10-2 to the MC 10-1, and FIG. 6 shows waveforms at transfer from the DRAM 10-3 to the MC 10-1. Waveforms of transfer from the DRAMs 10-4 and 10-5 to the MC 10-1 are the same as those in FIGS.
[0036]
In FIG. 5, first, a pulse is output from the L state to the H state from the DRAM 10-2 (C). After that time T2, the signal reaches the terminal (D). Since the input impedance of the DRAM 10-3 (D) is the same as the characteristic impedance of the wiring, there is no reflection. The coupler C1 induces backward crosstalk in the main line 1-1. This pulse time is the round-trip propagation delay time (= 2 * T2) of the same coupler as in FIG. Crosstalk is not generated in front of the main line 1-1. Therefore, no signal is induced at the end (B). For this reason, if a pulse signal is driven from the DRAM 10-2, even if the end (B) of the main line 1-1 is open, crosstalk is generated in the MC 10-1. This has the same pulse width as that of the prior art JP-A-7-141079.
[0037]
Transfer from the DRAM 10-3 (D) to the MC 10-1 (A) in FIG. 6 is a generation process in the reverse direction to that in FIG. The pulse from the DRAM 10-3 (D) reaches the terminal (C) after time T2. In the coupler C1, backward crosstalk is induced and propagates in the end (B) direction on the main line 1-1. After a time T2 from the time of driving from (D), the rear crosstalk generated by the coupler C1 reaches the end (B). Here, the light is totally reflected and travels back along the main line 1-1. Then, MC10-1 is reached after time T2 + T1 after driving. Also in FIG. 6, the width of the pulse reaching MC10-1 (A) is T2 which is twice the same as that in FIG.
[0038]
The signal propagation delay time from the DRAMs 10-2 to 10-5 for read operation to the MC 10-1 is the same as that in FIG. That is, it is shown by the following (Equation 5) to (Equation 8).
Signal propagation delay time from DRAM 10-2 (C) to MC 10-1 = 0 (Equation 5)
Signal propagation delay time from DRAM 10-3 (D) to MC 10-1 = T2 + T1 (Equation 6)
Signal propagation delay time from DRAM 10-4 (E) to MC 10-1 = T2 (Equation 7)
Signal propagation delay time from DRAM 10-5 (F) to MC 10-1 = T1 (Equation 8)
In each case, the signal arrives after the delay time indicated by the above equation. These (Equation 5) to (Equation 8) are the same as (Equation 1) to (Equation 4), and the propagation delay time between the MC 10-1 and the DRAMs 10-2 to 10-5 is the same for both the write operation and the read operation. I understand that. This is the same as the case of using the prior art, and is an important characteristic when performing timing design in a memory system. That is, it means that the same timing design method as in the past can be followed as it is. This leads to a reduction in development man-hours.
[0039]
In this way, it can be seen that the bus can be configured with only two couplers in order to connect the four DRAMs 10-2 to 10-5 with the bus and perform signal transmission in both directions. As a result, the mounting area of the DRAM can be reduced to half that of the prior art shown in FIG. 2, which enables high-density mounting. That is, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-141079, which is a conventional technique, the distance (pitch) between the DRAMs 10-2 to 10-5 is continuously arranged as shown in FIG. However, the main line is open as shown in FIG. 1 or 3, the MC 10-1 driver is set to Source Impedance Matching, and the terminated DRAM 10-2˜ By using 10-5, it is possible to connect double DRAMs with the same wiring length to the same main line, and high-density mounting is possible as a system.
[0040]
Next, this signal transmission was confirmed by simulation. This is shown in FIGS.
FIG. 7 shows a cross-sectional shape of the directional coupler. The shape of the coupler can be considered in various ways depending on the requirements of the system, but the wiring width (W = 154 μm) wiring pitch (W = 154 μm) used in a PC or PC server using FR-4, which is a general printed board material. S = 216.7 μm). As a result of electromagnetic field analysis, the electrical characteristics between the wirings were as follows.
[0041]
Capacitance matrix between two lines
CMATRIX (F / um) =
1.446e-16 -6.644e-17
-6.644e-17 1.446e-16 (Equation 9)
Inductance matrix between two lines
LMATRIX (H / um) =
4.487e-13 2.062e-13
2. 062e-13 4. 487e-13 (Equation 10)
Characteristic impedance matrix
Real part =
6.272e + 01 2.882e + 01
2. 882e + 01 6. 272e + 01 (Equation 11)
Imaginary part =
-3.336e-01 -1.694e-02
-1.694e-02 -3.336e-01 (Equation 12) Therefore, the effective impedance Zeff of the two lines was 55Ω. Here, e represents a power with 10 as the base.
[0042]
[0043]
The backward crosstalk coefficient is
Real part =
1.000e + 00 2.433e-01
2. 433e-01 1. 000e + 00 (Equation 13)
Imaginary part =
0.000e + 00 1.441e-03
It was 1.441e-03 0.000e + 00 (Equation 14). That is, it can be seen that a rear crosstalk of 0.2433V is induced when a 1V signal is incident.
[0044]
Using this coupler, the write data waveform from the MC 10-1 to the DRAM 10-2 to 10-5 in FIG. 3 was simulated by the equivalent circuit shown in FIG. The simulator used is SPICE (Simulation Program for Integrated Circuit Emphasis) for circuit analysis. As an equivalent circuit of the driver of MC10-1, a pulse voltage source and a resistor rs are used. As an equivalent circuit of the main line 1-1, a known transmission line model T1, T3, T5 and a known loss coupling line model Y2, Y4 as a directional coupler are connected, and one terminal S6 of the transmission line T5 is set high. Terminated with a resistance rk. Since rk has a high resistance of 100 kΩ, it can be regarded as an open end. Terminals (A) and (B) in FIG. 3 correspond to S1 and S6 in FIG.
[0045]
DRAMs 10-2 to 10-5 are represented by parallel connection of termination resistors rk1, rk2, rj1, and rj2 and input capacitances ck1, ck2, cj1, and cj2. 3 correspond to K1 and K4 in FIG. 8, and terminals (E) and (F) in FIG. 3 correspond to J1 and J4 in FIG. The terminal potential is represented by Vtt. These constants are shown below.
VPULSE: Amplitude = 1. 8V Rise time = 0. 1ns ... (Equation 15)
rs = 55Ω (Equation 16)
t1, t3, t5, t6, t8, t9, t10: Characteristic impedance z0 = 55Ω td = 1, 0ns (Equation 17)
Y2, Y4: Wiring length = 40mm (Equation 18)
rk = 100KΩ (Equation 19)
rk1, rk2, rj1, rj4 = 55Ω (Equation 20)
Vtt = 0. 9V (Equation 21)
ck1, ck2, ck3, ck4 = 0. 1pF (Equation 22)
This simulation waveform is shown in FIG. This is an example of VTT = 0.9V. As in FIG. 4, clean rectangular pulses are generated at the terminals K1, K4, J1, and J4 corresponding to the DRAMs 10-2 to 10-5, and it can be seen that there is no significant disturbance. In addition, the amplitude of the crosstalk is 108 mV to 220 mV with respect to the amplitude of the drive pulse of 0.9 V, and the amplitudes of K1, J1, J4, and K4 are sequentially decreased due to the wiring resistance of the main line 1-1. However, the signal of about 100 mV is a voltage level that can be sufficiently identified even in a semiconductor using a C-MOS. The time order also appears in the order of K1, J1, J4, and K4, and it can be seen that it is the same as FIG.
[0046]
Next, signal transmission (read) waveforms from the DRAM 10-2 to the MC 10-1 will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is the same as FIG. 8 and is an equivalent circuit. A voltage source as a read waveform is connected to a point K0 corresponding to the DRAM 10-2 in FIG. The impedance of the driver of the DRAM 10-2 is represented by rk1, and in this simulation is 10Ω, which is smaller than the wiring impedance Zo (= 55Ω). The purpose of this is to increase the signal amplitude of the pulse.
[0047]
Further, a resistor rs (= 55Ω) having the same resistance value as the characteristic impedance Zo of the wiring is connected to the point S1 corresponding to the MC 10-1 of the main line. Other circuit constants are the same as in FIG. A waveform obtained by the circuit analysis is shown in FIG. A pulse of 368 mV has reached the S1 point of MC10-1, and there is almost no waveform distortion that causes noise at other points. This waveform is approximately the same as FIG.
[0048]
Next, FIG. 12 shows signal waveforms from the DRAM 10-3 to the MC 10-1. In the equivalent circuit, the pulse voltage source is connected to rk2 as compared with the case of FIG. 10, and rk1 is connected to the termination power source VTT with characteristic impedance as shown in FIG. rk2 has a low impedance of 10Ω as with rk1 in FIG. The waveform of this is shown in FIG.
[0049]
In FIG. 12, the drive pulse from K4 represented by the dotted line passes through the coupler Y2 in FIG. 10, thereby generating crosstalk on the main line. This pulse travels on the main line and is reflected at the terminal S6. . Since this reflection is total reflection, the amplitude is doubled. This reaches S1 and results in a pulse with an amplitude of 302 mV. The arrival time is later than that in FIG. 11 and is the same as the delay time from S1 to K4 in FIG. In this waveform, noise of about 80 mV is on J4, but this is not a problem. This is because this transfer is a read transfer from the DRAM 10-3 to the MC 10-1, and the DRAM 10-5 does not use this signal.
[0050]
Similarly from DRAM 10-4, 10-5. The mechanism of the lead waveform is the same. For this reason, read data can be transferred to the MC 10-1. It can also be seen that the propagation delay time at this time is the same as in FIG.
[0051]
Next, the I / O circuits of the MC 10-1 and the DRAMs 10-2 to 10-5 in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.
[0052]
FIG. 13 is an I / O circuit of the MC 10-1. Reference numeral 51 denotes a driver of the MC 10-1, and reference numeral 52 denotes a receiver, which is connected to the same potential together with an input / output terminal (I / O PAD). The driver 51 is Source Impedance Matching and has an impedance equal to the characteristic impedance of the wiring connected to this when the data is not transmitted and when it is transmitted. The final stage transistors of the driver 51 are denoted as M1 and M2. The transistors M1 and M2 are connected to a totem pole, and M1 is a P-MOS transistor connected to the output terminal (I / O PAD) and the power supply VDDQ. M2 is an N-MOS transistor connected to the output terminal and the ground (VSS). Since the impedance of the two transistors M1 and M2 can be changed by changing the gate width of the transistor, the characteristics of the main line 1-1 can be adjusted by adjusting the gate width of the transistor using an impedance adjustment circuit not shown in FIG. Can be matched to impedance.
[0053]
The MC 10-1 controls M1 and M2 according to the data to be output. When the output data is DATA and the output enable signal is OE, the characteristics of the driver that the MC 10-1 of FIG. 1 should have are as shown in the table of FIG. That is, only when DATA = L (logical low) and OE = L, M2 is turned on and the L signal is transmitted. In other states, the M1 transistor is on. For this reason, the impedance of the driver matches the characteristic impedance of the main line whether data is transmitted or received. The main line connected to the driver 51 is an open-ended main line. With this configuration, no current is consumed unless the L signal is driven.
[0054]
Next, the receiver 52 has a hysteresis characteristic in order to discriminate the signal generated by the directional coupler. That is, when the signal incident on the directional coupler transitions from L (logical low) to H (logical high), a positive pulse is generated here, and when the signal transitions from H to L, the negative polarity is generated. A pulse is generated. For this reason, one method for discriminating these two signals having different polarities is a hysteresis characteristic.
[0055]
When the driver of the MC 10-1 of FIG. 13 is connected to the bus of FIG. 1, the read data read by the MC 10-1 generates a positive / negative pulse with respect to the potential in the H state. This is because the directional coupler has no direct current (DC) coupling between the two lines, so that an alternating current (AC) pulse is generated with respect to the potential of the main coupling wiring regardless of the DC value of the drive voltage. This is because, of course, data is not output from the driver during reading, and the potential of the main line is equal to VDDQ in the H state.
[0056]
Therefore, in the receiver 52, the signal from the I / O PAD is compared with the H potential of the driver 51, that is, with respect to VDDQ. For this reason, the receiver 52 operates as a circuit that receives a signal by VDD higher than VDDQ. For example, when VDDQ = 1.8V, VDD = 2.5V, the receiver 52 can be configured without any problem even with C-MOS.
[0057]
As described above, the MC 10-1 in FIG. 1 has the I / O circuit as shown in FIG. 13 so that signals can be transmitted and received stably.
[0058]
Next, an example of the I / O circuit of the DRAMs 10-2 to 10-5 is shown in FIG.
The I / O circuits of the DRAMs 10-2 to 10-5 are almost the same as the I / O circuit of the MC 10-1 in FIG. 13, and the difference is in the driver 51 '. The transistor M2 has a value lower than the impedance of the wiring. Others are the same as the structure of FIG.
[0059]
This is due to the following reason. The wiring on the DRAM side is terminated at both ends when inputting data. Also, when data is output, the other DRAM has a matching termination condition. That is, the reflected wave from the far end does not return. This is different from the condition that the end of the main line connected to the MC 10-1 is an open end, and it is not necessary to terminate the driver 51 '. That is, the driver 51 ′ does not need to perform source impedance matching. For this reason, in order to increase the signal generated by the coupler, the drive pulse may be increased. Therefore, a larger amplitude can be secured by lowering the impedance of M2. Of course, the output impedance of the driver 51 'may be matched with the characteristic impedance of the wiring. In this case, the signal amplitude of the drive pulse is reduced, but there is no problem if the MC 10-1 receiver can identify the data. The configuration of the I / O circuit in this case is the same as in FIG.
[0060]
When receiving data, the driver outputs an H state so that its impedance matches the characteristic impedance of the main line. For this reason, the drivers 51 'of the two DRAMs 10-2 and 10-3 connected to the same wiring output H from each other. However, since these potentials are equal to VDDQ, current consumption does not flow in this state. That is, current consumption does not flow when the H drive or data is in the HiZ state. With this configuration, there is no current consumption unless the L signal is driven, and the same power saving effect as that of the main line in FIG. 13 is obtained.
[0061]
As shown in FIGS. 13 and 14, even if the potential of the main line at the time of reception is VDDQ, the signal amplitude generated by the directional coupler does not change. For this reason, even if the MC10-1 is in the H state, L state, or HiZ state, the binary signal is output in a state where the output impedance matches the impedance of the wiring. It is possible to output drive pulses with less distortion. Further, the signal amplitude can be ensured and the waveform is not distorted by making the driver 51 'of the DRAM 10-2 to 10-5 low impedance only in the L state. For this reason, data can be transmitted and received stably at high speed.
[0062]
Next, with reference to FIG. 15, a wiring mode when mounted on a printed circuit board will be described. Reference numerals 2-2 to 2-7 denote memory modules on which the DRAMs 10-2 to 10-7 are mounted. Reference numeral 1 denotes a motherboard on which the MC 10-1 and the memory modules 2-2 to 2-7 are mounted. The memory modules 2-2 to 2-7 are connected to the motherboard 1 by connectors. A solid line in the mother board 1 is a wiring layer for mounting components, and dotted lines m1 and x1 represent inner signal line layers.
[0063]
The main line 1-1 from the MC 10-1 is wired on the inner wiring layer m1 in a straight line from right to left in FIG. If it is necessary to bypass the VIA hole for the connector lead-out wiring and power supply pin, it may be bent. The main line 1-1 forms couplers C1 to C3 with a part of the lines 1-2 to 1-7 arranged in parallel with the main line 1-1. Stub lines to the DRAM are drawn at both ends of the sub-couplers of the couplers C1 to C3. The couplers C1 to C3 are arranged continuously with respect to the main line 1-1 so as not to overlap. By wiring in this way, it is possible to wire all the memory modules 2-2 to 2-7 with the same wiring density. The main line 1-1 is an open end at the right end (distant end) in FIG.
[0064]
Data transmission / reception between the MC 10-1 and the DRAMs 10-2 to 10-7 is performed with respect to the DRAMs 10-2, 10-4, and 10-6. For the DRAMs 10-3, 10-5, and 10-7, the talk is performed by using the reflected wave at the far end and the rear crosstalk signal.
[0065]
With this configuration, it is possible to connect twice as many memory modules 2-2 to 2-7 with the same main line 1-1 length as compared with the conventional system shown in FIG. In FIG. 15, the directional coupler is configured by using two inner layers, but the effect is the same even if it is configured by two adjacent wirings in one layer. In this case, the inner layer constituting the coupler can be reduced from two layers to one layer, but the wiring density per layer is doubled, so it may be selected according to the requirements of the system.
[0066]
Further, in FIG. 15, among the memory modules 2-2 to 2-7 to be mounted, a certain memory module may not be mounted depending on the system configuration. In this case, since reflection occurs in the vacant memory module, in order to suppress this, it is necessary to insert a termination module equipped with a resistor for matching and terminating the wiring to the termination power source. This termination power supply has the same potential as the memory modules 2-2 to 2-7, and the termination resistance value is also the same as the impedance value of the DRAM 10-2 to 10-7. Of course, the characteristic impedance of the wiring in the termination module is also made equal to that of the memory module. By configuring the termination module in this way and inserting it into the connector of the vacant memory module, the reflection noise of the wiring is eliminated and the bus operation can be performed stably.
[0067]
A second embodiment will be described with reference to FIG.
The purpose of this embodiment is to mount memory modules at a higher density than in the first embodiment. In Mother Board 1, the interval (pitch) between the memory modules 2-2 to 2-9 mounted on the Mother Board 1 is the length of this coupler since directional couplers are continuously arranged in JP-A-7-141079. There was a problem that could not be done below.
[0068]
In contrast to FIG. 15, in the configuration of this embodiment, the wiring of the main line 1-1 is drawn in the right hand direction of the signal layer m1 as viewed from the MC 10-1, and the layer is connected to the signal line layer m2 at the right end by a VIA hole. Changed to the left hand direction. And it is opened at the farthest end.
[0069]
The main line 1-1 of the signal layer m1 includes couplers C1 and C3 by the wiring 1-2 between the DRAMs 10-2 and 10-4 and the wiring 1-4 between the DRAMs 10-6 and 10-8. The main line 1-1 of the folded signal layer m2 is a coupler C4 to the wiring 1-5 between the DRAMs 10-7 and 10-9, and a coupler to the wiring 1-3 between the DRAMs 10-3 and 10-5. Configure C2.
[0070]
The wirings 1-2 and 1-4 constitute a signal line layer x1, and the wirings 1-3 and 1-5 constitute a sub-coupling line portion with the signal line layer x2. Therefore, the couplers C1 and C3 are composed of wiring layers x1 and m1, and the couplers C2 and C4 are composed of wiring layers m2 and x2. For this reason, the couplers C1 and C3 are referred to as upper layers, and C2 and C4 are referred to as lower layers.
[0071]
The couplers C1 to C4 are continuously arranged so that the characteristic impedance of the wiring is constant with respect to the main line 1-1. The data transfer between the MC 10-1 and the DRAMs 10-2 to 10-9 is arranged and wired so that rear crosstalk is performed in any coupler. That is, the DRAMs 10-2 and 10-6 connected to the couplers C2 and C4 in the upper layer are connected to the couplers C4 and C2 in the lower layer by a traveling wave flowing through the main line 1-1 in the m1 layer. Therefore, in -9 and 10-5, backward crosstalk is induced by a traveling wave flowing through the main line 1-1 of the m2 layer. The DRAMs 10-3 and 10-7 connected to the couplers C2 and C4 in the lower layer are reflected by the reflected wave flowing through the main line 1-1 of the m2 layer, and the DRAMs 10-8 and 10-4 are the couplers in the upper layer. Back crosstalk is induced by the reflected wave of the main line 1-1 of the m1 layer by C4 and C2. Thus, the rear crosstalk is arranged in any transfer.
[0072]
Since the main line 1-1, which is the main coupling wiring constituting the coupler, is folded once from one layer to the other layer, a directional coupler can be configured in each layer, so that the memory modules 2-2 and 2 The interval of −9 can be made about half the wiring length of the couplers of the directional couplers C1 to C4. For this reason, it becomes possible to mount the memory modules on one Mother Board 1 with high density. The high-density mounting can be performed twice as much as FIG. 15 of the first embodiment and four times as high as that of FIG. 2 of the conventional example. Even in such a case, the coupling length necessary for coupling is the same, and the coupling amount necessary for signal propagation is the same as that of Japanese Patent Laid-Open No. 7-141079 in FIG. 2 and has the same signal waveform quality. Become.
[0073]
That is, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-141079, which is a conventional technique, the interval (pitch) between the memory modules 2-2 to 2-4 mounted on the mother board 1 as shown in FIG. However, there is a problem that it cannot be made shorter than the length of the coupler because of the arrangement, but by folding the main line as shown in FIG. 16, the memory modules 2-2 to 2- The interval (pitch) of 9 can be reduced to ¼ of the length of the coupler, enabling high-density mounting as a system.
[0074]
In addition, in FIG. 16, as in the first embodiment, among the memory modules 2-2 to 2-9 to be mounted, a memory module may not be mounted depending on the system configuration. In this case, since reflection occurs in the vacant memory module, in order to suppress this, it is necessary to insert a termination module equipped with a resistor for matching and terminating the wiring to the termination power source. This termination power supply has the same potential as the memory modules 2-2 to 2-9, and the termination resistance value is also the same as the impedance value of the DRAM 10-2 to 10-9. Of course, the characteristic impedance of the wiring in the termination module is also made equal to that of the memory module. By configuring the termination module in this way and inserting it into the connector of the vacant memory module, the reflection noise of the wiring is eliminated and the bus operation can be performed stably.
[0075]
Next, FIG. 17 shows an example of the layer configuration of the mother board 1 corresponding to FIG. FIG. 17 is a cross section in a direction perpendicular to the main line 1-1 of the mother board 1 of FIG. From the upper layer, CAP1 layer, power supply layer (V1), ground layer (G1), signal layer (m1), signal layer (x1), ground layer (G2), power supply layer (V2), signal layer (m2), signal layer ( x2), a ground layer (G3), a power supply layer (V3), and a CAP2 layer. In general, a printed wiring board is formed by bonding a copper-clad plate covered with copper on both sides with a prepreg, and this prepreg is represented by two wavy lines.
[0076]
The directional coupler comprises a coupler C1 in FIG. 16 by parallel wirings 1-1 and 1-2 arranged in the upper and lower layers of the m1 layer and the x1 layer. Similarly, the coupler C2 in FIG. 16 is constituted by the parallel wirings 1-1 and 1-3 arranged in the upper and lower layers of the m2 layer and the x2 layer. Here, the main line 1-1 of the signal layer m1 and the main line 1-1 of the signal layer m2 are the same folded wiring in FIG.
[0077]
A ground layer or a power supply layer is located between the couplers of the m1, x1, m2, and x2 layers, and functions to prevent noise between signals that is a coupling between the directional couplers C1 and C2. ing. With this configuration, signal coupling between couplers, that is, crosstalk noise is small and high-speed data transfer is possible.
[0078]
Further, as shown in FIG. 18, the coupler may be configured so as to be arranged in a transverse direction with respect to the cross section and coupled. Here, the lateral direction means that a coupler is configured using the same layer. For example, the coupler C1a surrounded by an ellipse is composed of a main line 1-1a and a wiring 1-2a, and the folded main line 1-1a forms a wiring 1-3a and a coupler C2a in the m2 layer. Similarly, the main line 1-1b having different signal bits is combined with the wiring 1-2b in the m1 layer to form the coupler C1b, and the folded main line 1-1b forms the wiring 1-3b and the coupler C2b. To do. In order to reduce the amount of noise that is the coupling between the respective couplers C1a, C1b, C2a, C2b, a planar power supply layer is inserted between the layers, and the distance between the signal lines 1-1a, 1-1b is increased. . With such a configuration, there is an effect that the number of layers for configuring the coupler is small compared to FIG.
[0079]
A third embodiment will be described with reference to FIG.
This embodiment is a configuration example in which the far end of the main line 1-1 is short-circuited with respect to FIG.
[0080]
The short circuit means that the connection is made with a very low impedance compared to the impedance of the wiring. In FIG. 19, the short circuit is connected to a power source having zero internal impedance. By connecting in this way, total reflection occurs at the far end. In this case, the reflection coefficient is −1, so that the polarity is different from the traveling wave. For this reason, the sign of the backward crosstalk generated in the DRAMs 10-5 and 10-3 using the reflected wave is also opposite to that in FIG. 1, and becomes negative logic with respect to the DRAMs 10-2 and 10-3. That is, the receivers of the DRAMs 10-3 and 10-5 have negative logic compared to the DRAMs 10-2 and 10-4. Similarly, the DRAMs 10-3 and 10-5 have negative logic.
[0081]
Here, the power supply to be short-circuited may be ground or VDDQ. The output impedance of the driver in the MC 10-1 is the same as the characteristic impedance of the wiring as in the driver of the first embodiment (FIG. 1), but the short-circuit potential and the output potential in a state where no data is output in the HiZ state are aligned. Needless to say. The reason is that if this is not done, current flows from the driver and power consumption increases even when data transfer is not performed.
[0082]
With this configuration, it is possible to use a mixture of positive and negative logic signals. Although the DRAMs 10-2 to 10-5 have the same configuration, there are cases where it is desired to change the polarity of signals on the system with respect to even-numbered and odd-numbered DRAMs. For example, this corresponds to the case where it is desired to use the rising edge and the case where the falling edge is desired to be used in the clock signal input to the DRAM. Looking at several connected DRAMs from the MC in time order, the DRAM behind the half becomes negative logic, so the clock phase can be changed between the front half and the rear half. This can be used for time phase adjustment when the clock cycle is shorter than the propagation delay time of the main line.
[0083]
15 and 16, even when the same module is used depending on whether a signal wiring on the motherboard is an open end or a short end, the even-numbered module can be selectively made negative logic. Become. For example, by sharing the chip select signal from the MC 10-1 with the DRAMs 10-2 and 10-3, the DRAMs 10-2 and 10-3 can be exclusively selected with one signal, so that the chip select signal can be reduced. .
[0084]
In addition, since the electromagnetic field is blocked compared to the case where the far end of the main line 1-1 is an open end, the electromagnetic wave confined in the space and radiated to the free space is reduced. That is, there is an effect that electromagnetic radiation noise can be reduced.
[0085]
A fourth embodiment will be described with reference to FIG.
In this embodiment, the embodiment of FIG. 19 is applied to a differential signal. The main line 1-1 from the differential driver in the MC 10-1 matched in source impedance constitutes a ring. DRAMs 10-2 to 10-5 are connected to the main line 1-1 of the ring so as to constitute couplers C1 to C4. The differential I / O circuits in the DRAMs 10-2 and 10-4 are connected to the positive logic terminal for the couplers C1 and C3, and the negative logic terminal is connected to the couplers C2 and C4. On the other hand, in the DRAMs 10-3 and 10-5, the couplers C2 and C4 are connected to the positive logic terminal, and the couplers C1 and C3 are connected to the negative logic terminal. Moreover, the wiring length from MC10-1 of coupler C1, C2 is the same clockwise and counterclockwise, and a pulse arrives at the same time. The same applies to the couplers C3 and C4.
[0086]
The ring-shaped main line 1-1 is folded at the right end portion of FIG. 20, and pulses of the same potential with different signs, which are differential pulses from the MC 10-1, are overlapped in this portion, resulting in FIG. It behaves the same as when short-circuited. That is, in FIG. 20, the drive pulse from the positive logic side of MC10-1 propagates from the left to the right and travels in the positive polarity and reaches the folded portion. The traveling wave of the negative electrode proceeds. This is because this waveform is the same as the state in which the far end from the MC 10-1 is short-circuited.
[0087]
With this configuration, even-numbered DRAMs can be selectively set to negative logic even for differential signals.
Further, a differential line may be configured as shown in FIG.
[0088]
The main lines 1-1a and 1-1b, which are differential signal wirings from the MC 10-1 matched in source impedance, are configured by wirings having two open ends. Since a positive total reflection wave is generated at the open end, the inputs of the receivers of the DRAMs 10-3 and 10-5 are opposite to those in FIG. That is, the DRAMs 10-2 and 10-3 connected to the coupler C1 are connected to positive logic terminals, and the DRAMs 10-2 and 10-3 connected to the coupler C2 are connected to negative logic terminals. By doing in this way, it is possible to transmit all positive logic differential signals.
[0089]
Further, by combining FIG. 20 and FIG. 21, the even-numbered DRAM is selectively positive logic depending on whether the main line is configured in a ring shape or two open-ends for the same DRAM connected by bus. Appear in negative logic. In FIGS. 15 and 16, only the wiring of the motherboard is short-circuited or opened, and no other components are required. This increases the degree of freedom in system design.
[0090]
In a memory module system using a DQS (data strobe) signal for latching a DQ (data) signal, for example, a DDR-SDRAM (Double Data Rate Synchronous DRAM), there is a problem that the latency of write data is long. This will be described with reference to FIG.
[0091]
The SSTL (Stub Series Terminated Logic) interface adopted in the DDR-SDRAM has the same Hiz state as the termination voltage Vtt, and the receiver reference voltage Vref is almost the same as the termination voltage Vtt. There was a problem that the transition to the H state could not be detected.
[0092]
In FIG. 22, a command is issued and data is transmitted based on the clock CK. For example, a write command is issued in stage 1, and write data (DA0) is transmitted from stage 2. The strobe signal DQS is once dropped from the Hiz state to L in the stage 1 and the strobe signal for latching data is driven in the stage 2, and as a result, one cycle wait is included in the data signal.
[0093]
This is because the DQS cannot detect the transition from the Hiz to the L state, and the DQS transition can be identified only after the DQS changes from L to H. For this reason, a wait, which is a preamble for one stage, is included for recognition of DQS transition.
[0094]
On the other hand, when the directional coupler of the first embodiment is used, data can be issued in synchronization with the command as shown in FIG. Here, DQTx is a data signal waveform transmitted from the MC 10-1, and DQRx is a backward crosstalk induced by a directional coupler, and is a data signal waveform input to a DRAM receiver. Similarly, for the strobe, DQSTx and DQSRx are the output signal of MC and the input signal of DRAM, respectively.
[0095]
As can be seen from FIG. 23, the MC can issue a write command and data DQTx at the same time, and can also drive the strobe signal DQSTx in stage 1. That is, when DQSTx changes from Hiz to L, a pulse is generated in the DQSRx signal, and this pulse can be identified in the DRAM. As a result, the DQS does not require a preamble, and a write command and write data can be issued simultaneously. As a result, the memory write access latency can be shortened by one stage. As a result, the system performance is improved because the memory access latency is improved.
[0096]
In the case of a bus using a directional coupler using an SSTL driver, that is, when the main line and the sub-coupling wiring as shown in FIG. 2 are terminated, the amplitude of the preamble portion is compared with the amplitude of data transfer. It is half. That is, the drive amplitude changes from the HiZ state to the L state or from the HiZ state to the H state from the L state to the H state and vice versa. For this reason, the amplitude input to the receiver is halved, and the receiver sensitivity is insufficient, and it is necessary to ensure the amplitude. For this reason, when the SSTL driver is used, it is necessary to change the strobe signal from the Hiz to the L state once to ensure the signal amplitude, and as a result, the access time is extended by the memory write.
[0097]
The memory controller uses a binary signal for data transfer, and the impedance of the memory controller is the same as the characteristic impedance of the wiring on the memory controller side. That is, the HiZ state and H state when data is not transferred are set to the same potential and driven with the same impedance as the characteristic impedance of the wiring. When the data is in the L state, the L signal is driven with the same impedance as the characteristic impedance. By doing so, the reflected wave can be absorbed.
[0098]
When the signal is driven from the Hiz state to the L state and when it is driven from the H state to the L state, the signal has the same amplitude, so that the signal passing through the coupler has the same amplitude in the two transfers. This eliminates the need for a preamble because any signal transition has the same signal amplitude. Since the preamble is unnecessary, the memory access time is shortened, the bus use efficiency is increased, and the system performance is improved.
[0099]
Next, a method for increasing the signal amplitude of the memory write data will be described with reference to FIGS.
[0100]
As shown in FIG. 14, the input impedance of the DRAM also matches the impedance of the wiring. For this reason, the data signal of the memory write is inputted with a signal having the same amplitude as the signal generated by the directional coupler. By configuring this as shown in FIG. 24, the signal amplitude can be increased.
[0101]
Reference numeral 51a denotes a driver of this embodiment. The receiver 52 has the same configuration as in FIG. The driver 51a has an increased control signal (WRITE) compared to FIG. The operation is shown in the table in FIG. That is, when the WRITE signal is H, the operation is the same as in FIG. 14, but when the WRITE signal is L, both the transistors M1 and M2 become HiZ, and as a result, the input impedance of the DRAM becomes HiZ. That is, the input impedance of the DRAM driver 51a to which the L WRITE signal is input becomes HiZ, and the signal from the wiring is totally reflected. For this reason, the signal amplitude from the wiring is doubled and input to the receiver 52. For this reason, the sensitivity of the receiver 52 does not have to be higher than that of FIG. 14, and the noise margin increases, so that the noise resistance can be increased.
[0102]
As shown in FIG. 1, the DRAM having this circuit is connected one-to-one with a DRAM or a termination module having the same impedance as that of the wiring through a directional coupler. Therefore, even if the DRAM having the I / O circuit of FIG. 24 becomes HiZ and the signal from the directional coupler causes total reflection, if the WRITE signal of the other DRAM is H or the termination module is connected. This reflected wave is absorbed. For this reason, even if the driver 51a becomes HiZ, the signal on the wiring 1-2 connecting the DRAM is not disturbed and stable operation is possible.
[0103]
Next, the output timing of the WRITE signal will be described with reference to FIG.
FIG. 25 shows an example in which there is one stage available from when the WRITE command is issued until write data is output, as in FIG. The write command reaches the DRAM after the propagation delay time of the wiring after being output from the MC. This signal reaching the DRAM was denoted as COMMANDRx. In addition to the WRITE command, the DRAM can identify the DRAM to be written by a chip select signal or other control signal.
[0104]
DQTX and DQSTx are output one stage after issuing the WRITE command and reach the DRAM after the same wiring delay time. This was designated as DQRx and DQSRx. The negative logic WRITE signal is an internal signal of the DRAM, but is output L after receiving the command WRITE signal. The L period has a length approximately equal to or longer than the burst length of data. For this reason, since the input impedance of the write target DRAM is HiZ during this period, the signal amplitude is doubled only during the period of receiving the write data. For this reason, the noise margin of the receiver can be ensured and the waveform distortion is small, so that stable operation is possible.
[0105]
Next, FIG. 26 shows an embodiment in which a memory bus system using the directional coupler of the present invention is applied.
[0106]
In FIG. 26, four CPUs and a chip set 300 are interconnected by a processor bus 201. A chip set 300 including a memory controller that controls the DRAM is interconnected by a memory bus 202. Further, an I / O LSI for connecting peripheral devices such as PCI (Personal Connect Interface) and the chip set 300 are interconnected by an I / O bus 203. Further, as a graphic port, the chip set 300 and the graphic control LSI are connected via the graphic bus 204.
[0107]
These buses 201 to 204 are connected to the chip set 300. The chip set 300 manages data transmission / reception between the buses 201 to 204.
[0108]
Here, data transfer is performed using a coupler for the memory bus 202. As a result, the memory access can be performed at high speed, the throughput is improved, and the latency is shortened, so that the system performance is improved.
[0109]
In addition, the same effect can be obtained when applied to the cache memory bus 410 in the processor module 400 as shown in FIG. In this case, the coupler is configured in a processor module. For example, if a technique for mounting a large number of semiconductor elements in one package such as MCM (Multi Chip Module) is used, a processor including a cache controller and a cache memory are connected. They can be coupled by a coupler configured in the package, thereby enabling high-speed data transfer.
[0110]
A fifth embodiment will be described with reference to FIG.
In this embodiment, a 1-bit signal of a bus that is originally composed of multiple bits is extracted. In this embodiment, data transfer is performed between one MC and two DRAMs using one directional coupler, and the amount of signal generated is increased.
[0111]
In the bus of this embodiment, the MC 10-1, the DRAM 10-2, and the DRAM 10-3 are connected, and the internal impedance viewed from the pins of the MC 10-1 and the DRAM 10-3 is the same as the characteristic impedance of the line. Source impedance matching has been made. However, the input impedance of the DRAM 10-2 is HiZ. Here, of the ends of the directional coupler C1, the end of the wiring 1-2 on the MC10-1 side is connected to the DRAM 10-2, but this wiring length is extremely short. For example, the wiring length can be minimized by directly attaching the DRAM 10-2 directly below the coupler C1 of the motherboard on which the MC 10-1 is mounted.
[0112]
Note that the wiring from the other end of the coupler C1 to the end (D) of the DRAM 10-3 may have a certain length as in a module configuration, for example. However, the wiring is drawn out from the end of the sub-coupling line portion constituting the coupler of the wiring 1-2 on the DRAM 10-3 side perpendicularly to the end (B) of the main coupling line 1-1. The main coupled line is not necessarily longer or shorter than the sub coupled line.
[0113]
The waveform at the memory write operation in the case of the wiring configuration of FIG. 28 will be described with reference to FIG. In the figure, it is assumed that the wiring length from the MC 10-1 to the coupler and the wiring length from the sub coupler to the DRAM 10-3 are negligibly short.
[0114]
FIG. 29 shows the waveform of the memory write data from MC10-1. Since the waveform of (A) is a source impedance matched waveform, a voltage (V1) that is approximately half of the drive voltage continues for the period of the round-trip propagation delay time T2 of the directional coupler as in the waveform (A) of FIG. After that, the reflected wave returns and rises to (2 * V1). At the end (B) on the opposite side of the MC 10-1 of the wiring 1-1, after the delay time T2, the reflected wave is generated at the same time as the traveling wave arrives and overlaps, so the voltage is (2 * V1). .
[0115]
A backward crosstalk signal (Kb * V1) generated when a traveling wave from the end (A) to the end (B) propagates through the coupler C1 is transmitted to the end of the wiring 1-2 (C). Since this (C) end is HiZ, this rear crosstalk signal is totally reflected and doubled, so the signal voltage at (C) end is (2 * Kb * V1).
[0116]
Further, the same voltage (2 * Kb * V1) is also propagated to the end of the wiring 1-2 (D). This is the result of overlapping two rear crosstalks.
[0117]
In the first rear crosstalk, the signal generated by the traveling wave of the coupler C1 on the end (C) side is reflected by (C) of the wiring 1-2 and propagates to the end (D) side of the wiring 1-2. Signal. This propagated signal is Kb * V1. Second, the traveling wave propagating through the coupler C1 is reflected at the end of the wiring 1-1 (B), and this reflected wave is reflected to the end of the wiring 1-2 (D) by the coupler C1. Kb * V1) is generated. The phases of the two rear crosstalk signals are the same, and the signals overlap with each other in the same phase, that is, (2 * Kb * V1). Since the input impedance of the DRAM 10-3 matches the characteristic impedance of the wiring, it is absorbed without re-reflection at the end of the DRAM 10-3. This is because the signal amplitude is doubled compared to FIG.
[0118]
That is, in the operation of the memory write, since the reflection is used at the end (C) and the end (D), the signal amplitude is doubled. This means that the noise resistance of the DRAMs 10-2 and 10-3 is increased, and data transfer can be realized stably and at high speed.
[0119]
Waveforms during the memory read operation in the case of the wiring configuration of FIG. 28 will be described with reference to FIG.
FIG. 30 shows a waveform of memory read data from the DRAM 10-2. Since the driver of the DRAM 10-2 is driven with an impedance lower than the characteristic impedance of the line, the waveform of the end (C) has a substantially full amplitude (2 * V1). The driven signal is absorbed at the end (D) after a delay time T2. This is because the matching termination is performed by the source impedance matching function of the DRAM 10-3. The signal from the DRAM 10-2 that transmits the wiring 1-2 generates backward crosstalk, and the voltage generated at the end (A) is 2 * V1 * Kb. In addition, since the source impedance matching is also performed at the end (A), there is no reflection at this end.
[0120]
FIG. 31 shows a memory read data waveform from the DRAM 10-3.
The output from the DRAM 10-3 having the source impedance matching driver has an amplitude (V1) that is half of the power supply voltage, and becomes full amplitude due to the reflected wave after (2 * T2) as in FIG. The drive signal voltage traveling from the end (D) side to the end (C) side of the sub-coupled line generates a rear crosstalk voltage (V1 * Kb) on the end (B) side, but immediately reflects at the end (B). Head to end (A). Further, the signal totally reflected at the end (C) of the sub-coupled line returns to the end (D) side this time. Also at this time, the rear crosstalk signal (V1 * Kb) is generated on the end (A) side of the main coupling line. These two signals on the main coupling line have the same phase and become a double signal at the overlapping end (A). For this reason, the memory read data from the DRAM 10-3 is also (2 * V1 * Kb), and the signal amount is doubled.
[0121]
As described above, it is understood that the signal amount is (2 * V1 * Kb) for the memory read data from the DRAM 10-2 and the DRAM 10-3.
[0122]
In this way, in both the memory write and memory read operations, the data signal is (2 * V1 * Kb) and the signal amplitude is doubled in any case, so the MC 10-1, DRAM 10-2, 10-3. In the data transfer in between, the noise resistance is increased, and the data transfer can be realized stably and at high speed.
[0123]
As shown in FIGS. 32 and 33, the above memory access behavior was confirmed by simulation.
[0124]
FIG. 32 shows a data waveform of the memory write output from the MC 10-1. The coupling line has the wiring cross-sectional dimension of FIG. 7, and the wiring length of the coupler is the same as 40 mm as in FIG. In FIGS. 32 and 33, as in the previous description, the length of the lead wire from the MC 10-1 to the coupler in the wire 1-1 and the length of the wire from the sub-coupler to the DRAM 10-3 in the wire 1-2 are negligibly short. Is assumed.
[0125]
As a result of the simulation, the memory write data waveform of FIG. 32 has an end (C) and end (D) signal of about 390 mV, which is about 1.8 times the 220 mV of end K1 and end J1 of FIG. I understand that. This is because the crosstalk and the reflected wave are superimposed in the same phase as described above.
[0126]
FIG. 33 shows data waveforms at the time of memory read from the DRAM 10-2. Since the output impedance of the DRAM 10-2 connected to the end (C) is 10Ω, which is lower than the characteristic impedance of the wiring, it is driven at almost full amplitude. This is driven by the directional coupler C1 in FIG. That is, the data is propagated to the MC 10-1. The signal amplitude at this time is also about 320 mV, and it can be seen that the signal amplitude is almost the same as in FIG. Also, as can be seen from FIGS. 32 and 33, the time width of the generated signal is equal to 0. 48 ns of the round trip propagation delay time (2 * T2) of the coupler, which is the rear cross in FIGS. It is the same as the talk pulse width.
[0127]
The data transmission waveform from the DRAM 10-3 to the MC 10-1 was almost the same as that shown in FIG. This is because the load condition seen from the DRAM 10-3 is almost the same as the load condition seen from the MC 10-1. The load condition viewed from the DRAM 10-3 continues to the wiring to the coupler and the unterminated directional coupler, and the wiring condition constituting the other coupler is also a condition in which the near end is open and the far end is terminated. It is. The only difference between the load condition of the DRAM 10-3 and the load condition of the MC 10-1 is that the DRAM 10-2 is connected to the DRAM 10-3 side wiring. The input impedance of the DRAM 10-2 is HiZ, Since it can be regarded as an open end, the read data waveform from the DRAM 10-3 is almost the same as in FIG. 32, the dotted line of the waveform (A) is the output waveform from the DRAM 10-3, the waveform (B) is the waveform at the end (C) of the DRAM 10-2, and the waveform (C) is the end (B). The waveform (D) corresponds to the input waveform of MC10-1.
[0128]
As described above, the memory write data signal from MC10-1 and the read data waveform from DRAMs 10-2 and 10-3 in FIG. 28 also have an amplitude of 350 mV or more as shown in FIG. It can be seen that the signal voltage is increased.
[0129]
FIG. 34 and FIG. 35 show cross-sectional views when this is mounted.
[0130]
FIG. 34 is a view seen from the cross-sectional direction of the mother board 1 as in FIGS. 15 and 16. FIG. 34 shows that the DRAM 10-2 having the input impedance of HiZ in FIG. 28 is directly mounted on the mother board 1 and the input impedance matches the source impedance. The DRAM 10-3 is connected to the memory module 2-2 through a connector while being mounted on the memory module 2-2. A directional coupler for connecting the respective chips is configured in the mother board 1, the wiring 1-1 including the main coupling line from the MC 10-1 is on the layer m 1, and the wiring 1-2 including the sub-coupling line is on the layer x 1. Is provided. Note that the main coupling line 1-1 ends at a point opposite to the lead-out point from the sub-coupler of the line 1-2 to the memory module 2-2. As a result, the rear crosstalk and reflection are overlapped in the same phase, and the signal is amplified.
[0131]
Although it has been described that the DRAM 10-3 is terminated (source impedance matching), it is of course possible to use a method in which the input impedance is terminated to a HiZ DRAM with an external resistor. In this case, the same DRAM 10-2 and DRAM 10-3 can be used.
[0132]
FIG. 35 is different from FIG. 34 in that a termination board 2-2 ′ is inserted in the connector instead of the memory module 2-2. This is used when the memory capacity required by the system is minimally satisfied by mounting the DRAM 10-2 due to the system configuration and is shipped in this state. Then, if it is necessary to expand the memory, for example, to improve the system performance, the termination board 2-2 'in FIG. 35 is removed, and the memory module 2-2 having the DRAM 10-3 is inserted as shown in FIG. By doing so, the memory can be expanded. As described above, this embodiment can be said to be a mounting method having system expandability as shown in FIGS.
[0133]
In FIG. 34, even if the DRAM 10-2 is not installed and only the memory module 2-2 is installed, the generated signals are the same, so that data is transferred between the MC 10-1 and the DRAM 10-3. It is also possible. There is an effect that the signal amount can be doubled even when the DRAM 10-2 cannot be mounted, for example, when there are restrictions on mounting.
[0134]
FIG. 36 shows a sixth embodiment.
This is an embodiment in which the capacity of the DRAM that can be mounted is increased with respect to FIG. 28 as the fifth embodiment.
[0135]
In the bus of this embodiment, the MC 10-1 and the DRAMs 10-2 to 10-5 are connected, and the internal impedance of the MC 10-1, the DRAM 10-3, and the DRAM 10-5 as seen from the pins is the same as the characteristic impedance of the line. The source impedance is matched. The input impedance of the DRAMs 10-2 and 10-4 is HiZ. Here, one ends of the sub-coupled lines 1-2a and 1-b constituting the directional coupler C1 are connected to the DRAMs 10-2 and 10-4, respectively. For example, the DRAMs 10-2 and 10-4 can be connected directly below or directly above the coupler C1 of the motherboard on which the MC 10-1 is mounted.
[0136]
Note that the wiring from the other end of the sub-coupling wiring portion of the wiring 1-2a and 1-2b of the coupler C1 to the DRAMs 10-3 and 10-5 has a certain length as in a module configuration as shown in FIG. There may be. However, the end of the sub-coupled line on the DRAM 10-3, 10-5 side is drawn vertically from the position opposite to the end of the main coupled line, and the main coupled line is not necessarily longer or shorter than the sub-coupled line. .
[0137]
In the directional coupler C1, wirings 1-2a and 1-2b are arranged on both sides of the line 1-1 connected to the MC 10-1, but the same is applied to these wirings 1-2a and 1-2b. It is adjusted to have a backward crosstalk coupling coefficient. That is, they are arranged so as to have the same wiring width, the same wiring pitch, and the same wiring length. Since the lines 1-2a and 1-2b are configured in this way, the memory write data signal is the same in the DRAM 10-2 and DRAM 10-4 or in the DRAM 10-3 and DRAM 10-5 as shown in FIG. It becomes a waveform. That is, as described above, the signal amplitudes in the DRAMs 10-2 to 10-5 are twice as large (2 * Kb * V1) as the reflected waves are superimposed.
[0138]
Similarly, the waveform of the memory read data from the DRAM 10-2 or DRAM 10-4 is such that the directional coupler C1 has the same coupling coefficient as that of the line 1-1 connected to the MC 10-1. Since 2a and 1-2b are configured, they have the same size, and are (2 * Kb * V1) as described in FIG. Similarly, the memory read data waveform from the DRAM 10-3 or DRAM 10-5 has the same size (2 * Kb * V1) as in FIG.
[0139]
36, four DRAMs 10-2 to 10-5 can be connected to one MC 10-1, and the memory capacity can be increased compared to the fifth embodiment. There is. Of course, DRAMs 10-3 and 10-5 are mounted on the module. If the system may have a small memory capacity, it is terminated with a termination board. If expansion is required, the memory on which DRAMs 10-3 and 10-5 are mounted. It goes without saying that the system can have memory expandability by replacing it with a module.
[0140]
The seventh embodiment will be described with reference to FIG.
In the present embodiment, the memory mounting amount can be further expanded by connecting the main coupling line 1-1 in FIG. 36 via a connection means such as a MOS switch.
[0141]
Reference numerals 3-1 and 3-2 denote MOS switches, which are controlled by switching means (selector) 4 provided in the MC 10-1. The MOS switches 3-1 and 3-2 are provided in the line 1-1 connected to the MC 10-1, and the wiring 1-1 (A) between the MOS switch 3-1 and the MC 10-1 is the line 1-2 a, The directional coupler C1 is composed of 1-2b. A wiring 1-1 (B) between the MOS switch 3-2 and the MOS switch 3-2 constitutes a directional coupler C2 with the lines 1-3a and 1-3b. A wiring 1-1 (C) from the MOS switch 3-2 to the end forms a directional coupler C3 with the lines 1-4a and 1-4b. DRAMs 10-2 to 10-5 are connected to the coupler C1, DRAMs 10-6 to 10-9 are connected to the coupler C2, and DRAMs 10-10 to 10-13 are connected to the coupler C3. The connection mode of the couplers C1 to C3 and the DRAMs 10-2 to 10-13 is the same as that shown in FIG.
[0142]
When data is transferred between the MC 10-1 and one of the DRAMs 10-2 to 10-5, the MOS switch 3-1 is configured so that the lines 1-1 (A) and 1-1 (B) are disconnected. It is controlled by the switching means 4. For this reason, the signal propagating on the line 1-1 (A) is almost totally reflected at the end of the MOS switch 3-1. For this reason, the MC 10-1 and the DRAMs 10-2 to 10-5 operate in exactly the same way as in FIG.
[0143]
Next, when data is transferred between the MC 10-1 and one of the DRAMs 10-6 to 10-9, the MOS switch 3-1 is electrically connected to the lines 1-1 (A) and 1-1 (B). Thus, the MOS switch 3-2 is controlled by the switching means 4 so that the lines 1-1 (B) and 1-1 (C) are disconnected. For this reason, the signal propagating on the line 1-1 (B) is almost totally reflected at the end of the MOS switch 3-2. For this reason, the MC 10-1 and the DRAMs 10-6 to 10-9 operate in exactly the same way as in FIG. Note that the DRAMs 10-2 to 10-5 and the lines 1-2a and 1-2b are not in contact with the line 1-1 (A) and are characteristic impedances of the lines 1-1 (A) and 1-1 (B). Are the same, it does not give distortion to the signals transmitting 1-1 (A) and 1-1 (B). Of course, it is desirable that the conduction resistance of the MOS 3-1 is very small compared to the line impedance. This has the effect of suppressing waveform distortion due to impedance mismatch.
[0144]
Similarly, when data is transferred between the MC 10-1 and one of the DRAMs 10-10 to 10-13, the MOS switch 3-1 and the MOS switch 3-2 are controlled by the switching means 4 so as to be conductive. The For this reason, the signal propagating on the line 1-1 (C) is almost totally reflected at the far end. For this reason, the MC 10-1 and the DRAMs 10-9 to 10-13 operate in exactly the same way as in FIG.
[0145]
Thus, by making the MOS switches 3-1 and 3-2 nonconductive or conductive, data is selectively transferred between the MC 10-1 and one of the DRAMs 10-2 to 10-3. be able to. That is, the number of DRAMs that can be mounted in the system can be increased as compared with the case of FIG. This switching means may be shared with a signal such as a chip selector used in the DRAM.
[0146]
Whether or not all of the DRAMs 10-2 to 10-13 are to be installed is related to the requirements of the system. At first, a small number of DRAMs may be installed, and DRAMs may be added when function expansion is required. If necessary, a termination board 2-2 ′ as shown in FIG. 35 may be used.
[0147]
The eighth embodiment will be described with reference to FIG.
In FIG. 38, the directional coupler C1 includes a wiring 1-1 as in FIG. 36, and lines 1-2a and 1-2b arranged in parallel and close to the wiring 1-1 on both sides at the same interval. Further, the ends of the wirings 1-2a and 1-2b on the MC10-1 side are connected. Further, the other two ends of the wirings 1-2a and 1-2b are respectively drawn out vertically to the DRAMs 10-2 and 10-3.
[0148]
The input impedance of the DRAMs 10-2 and 10-3 differs depending on whether or not there is access to the memory. If there is a memory access, the input impedance will be HiZ, otherwise it will be in the source impedance matching state. Note that MC 10-1 is constantly in a source impedance matching state. By configuring in this way, the signal amount can be 4 times 4 * Kb * V1.
[0149]
FIG. 39 shows a simulation waveform of data at the time of memory write. The simulation conditions are the same except for the part applied to the wiring. The mechanism is shown below. This figure shows waveforms of data transfer from the MC 10-1 to the DRAM 10-2.
[0150]
The output from the end (A) of the MC 10-1 is stepped because its impedance is the same as the characteristic impedance of the wiring. A signal propagating through the wiring 1-1 at this time is assumed to be V1. This signal generates backward crosstalk in the wirings 1-2a and 1-2b, and the magnitude thereof is Kb * V1. The backward crosstalk generated in the wiring 1-2b propagates to the end (D) through the wiring 1-2a. The signal propagating through the wiring 1-1 is totally reflected at the end (B), and this reflected wave generates back crosstalk again at the wirings 1-2a and 1-2b. The magnitude of the generated rear crosstalk is (Kb * V1), and is superimposed in the same phase as the rear crosstalk generated in the wiring 1-2b by the traveling wave of the wiring 1-1. Therefore, the amplitude of the signal traveling through the wiring 1-2a to the DRAM 10-2 is (2 * Kb * V1). Further, when reaching the end (D) of the DRAM 10-2, the input impedance of the DRAM 10-2 is HiZ, so that it is totally reflected again, resulting in a signal waveform of (4 * Kb * V1). In FIG. 39, it is about 640 mV. The time width of this signal wave is 0.448 ns round-trip propagation delay time of the coupler C1. That is, it can be seen that only the signal amount is increased.
[0151]
Similarly, data transfer from the MC 10-1 to the DRAM 10-3 has the same waveform as FIG. 39 by matching the impedance of the DRAM 10-2 with the characteristic impedance of the wiring and setting the input impedance of the DRAM 10-3 to HiZ. The write data can be transferred with a signal of 4 * Kb * V1).
[0152]
Next, FIG. 40 shows a simulation waveform of memory read data from the DRAM 10-2 to the MC 10-1.
The output impedance of the DRAM 10-2 is lower (10Ω) than the characteristic impedance of the line. Therefore, the drive waveform (D) has a full amplitude of approximately (2 * V1), and with this drive signal, backward crosstalk (2 * Kb * V1) is generated in the end (B) direction on the line 1-1. . Since this is totally reflected at the end (B), this rear crosstalk propagates in the direction of the end (A) as it is. The drive waveform from the DRAM 10-2 is transmitted from the wiring 1-2a to the wiring 1-2b, but the drive waveform transmitted through the wiring 1-2b has a backward crosstalk having an amplitude of (2 * Kb * V1) to the wiring 1-1. Generate. Since this rear crosstalk and the rear crosstalk reflected at the previous end (B) overlap with each other in the same phase, the signal becomes (4 * Kb * V1) and is input to the MC 10-1 and terminated. In FIG. 40, it can be seen that a voltage of approximately 580 mV is input to the end (A). The signal waveform has the same time width as that in FIG.
[0153]
FIG. 41 shows input impedances of the MC 10-1, the DRAM 10-2, and 10-3 for each memory access. MC10-1 is in a source impedance matching state during both memory write and read, and this is indicated by RTT. In the case of a memory write, the target DRAM is HiZ, and the non-target DRAM is in the RTT state. In the case of memory read, the output impedance of the DRAM that outputs the memory read data is low (LOW), and the impedance of the non-target DRAM is RTT. It can be recognized by the chip select (CS) signal whether the DRAMs 10-2 and 10-3 are objects of data transfer.
[0154]
By configuring and operating in this manner, the signal can be increased to about 4 times (4 * Kb * V1). That is, there is an effect that a sufficient signal amount can be obtained even if the drive signal has a small amplitude. Naturally, the number of DRAMs connected to the bus can be increased by configuring MOS switches as shown in FIG. 38 in multiple stages.
[0155]
The ninth embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 42 is a block diagram of an I / O circuit having a DRAM and MC 10-1 driver and receiver or termination means. 53 is a termination means. Reference numeral 51-1 denotes a driver. 52-1 is a receiver having hysteresis characteristics. Reference numeral 52-2 denotes a receiver having no hysteresis characteristic. Reference numeral 73 denotes switching means for switching between the receiver 52-1 and the receiver 52-2. Reference numeral 72 denotes bonding switching means connected when manufacturing a semiconductor element including the I / O circuit, and the connection can be changed to either VDD or GND at the time of manufacturing. In the figure, VDD, that is, a HIGH logic signal is given to the switching means 73. Similarly, 71 can switch whether the termination means 53 is turned ON or OFF at the time of manufacture.
[0156]
For this reason, for example, the DRAM 10-2 and the DRAM 10-3 in FIG. 28 have different input impedances but are manufactured with the same semiconductor mask, and have two functions with one mask by switching the bonding switching means 71 at the time of manufacture. Can be made. Similarly, the manufacturing cost can be reduced by switching a receiver 52-2 such as SSTL which is a conventional DRAM interface and a receiver 52-1 having hysteresis characteristics suitable for a directional coupler at the time of manufacturing using the same semiconductor mask. it can.
[0157]
A tenth embodiment will be described with reference to FIG.
This embodiment is an example in which a part composed of a plurality of chips is mounted on one multichip module like the processor module 400 of FIG. 27, and the previous embodiment, for example, the wiring system of FIG. 28 is applied. The processor (CPU) 31 and the cache memory 32 provided in the multichip module 400 can perform data transfer between them via the wiring system shown in FIG. 28, that is, the directional coupler C1. Therefore, data transfer between the CPU 31 and the cache memory 32 can be performed at high speed. Of course, the multichip module can be handled as one element whose performance is improved by adding not only the function of the CPU 31 but also the function of the cache memory 32. Further, since it is not necessary to provide data transfer between the CPU 31 and the cache memory 32 to the printed board on which the CPU 31 is mounted, there is an effect that the configuration of the printed board is simplified.
[0158]
【The invention's effect】
By making the far end of the main line connected to the MC an open end or a short-circuit end, total reflection occurs, and this reflected wave and traveling wave are used to generate backward crosstalk at both ends of the directional coupler. Data can be transferred between the DRAM and MC connected to both ends of the coupler. By sharing this directional coupler by two DRAMs, the pitch between DRAM modules can be halved.
[0159]
Further, by folding back the opened or short-circuited main line and forming a directional coupler for the folded main line, the interval between the DRAM modules can be reduced to 1/4 of the wiring length of the coupler of the directional coupler. .
[0160]
In addition, since the connected DRAM can be selectively set to positive logic or negative logic depending on whether it is open or short-circuited with respect to the signal of the DRAM, the signal is controlled exclusively like a chip select signal. There is an effect that the number of can be reduced.
[0161]
The memory controller uses a binary signal for data transfer, and the impedance of the memory controller is the same as the characteristic impedance of the wiring on the memory controller side. That is, the HiZ state and H state when data is not transferred are set to the same potential and driven with the same impedance as the characteristic impedance of the wiring. When the data is in the L state, the L signal is driven with the same impedance as the characteristic impedance. By doing so, the reflected wave can be absorbed.
[0162]
When the signal is driven from the Hiz state to the L state and when the signal is driven from the H state to the L state, the signal has the same amplitude, so that the signal passing through the coupler has the same amplitude in the two transfers. This eliminates the need for a preamble because the signal amplitude is the same for any signal transition. Since the preamble is unnecessary, the memory access time is shortened, the bus use efficiency is increased, and the system performance is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a first embodiment;
FIG. 2 is a conventional method.
FIG. 3 is an explanatory diagram of the first embodiment.
FIG. 4 is a write timing from the MC to the DRAM of the first embodiment.
FIG. 5 is a read timing from the DRAM 10-1 of the first embodiment to the MC.
FIG. 6 is a read timing from the DRAM 10-2 of the first embodiment to the MC.
FIG. 7 shows the configuration of the coupler of the first embodiment.
FIG. 8 is an equivalent circuit for writing data from MC to DRAM according to the first embodiment;
FIG. 9 is a write data waveform from MC to DRAM of the first embodiment;
FIG. 10 is a simulation equivalent circuit from the DRAM 10-1 to the MC according to the first embodiment;
FIG. 11 shows a read data waveform from the DRAM 10-1 to the MC according to the first embodiment;
FIG. 12 shows a read data waveform from the DRAM 10-2 to the MC according to the first embodiment;
FIG. 13 is an MC I / O circuit according to the first embodiment;
FIG. 14 is an I / O circuit of the DRAM of the first embodiment.
FIG. 15 is a configuration diagram (cross-sectional view) of a module type substrate according to the first embodiment;
FIG. 16 is a configuration diagram (cross-sectional view) of a module type substrate according to a second embodiment;
FIG. 17 is a cross-sectional view of a substrate according to the second embodiment.
FIG. 18 is a cross-sectional view of a substrate according to the second embodiment.
FIG. 19 is a diagram for explaining a third embodiment;
FIG. 20 shows a ring-type differential wiring system to which the third embodiment is applied.
FIG. 21 shows an open type differential wiring system to which the third embodiment is applied.
FIG. 22 is a timing diagram of memory write in a conventional DDR-SDRAM.
FIG. 23 is a timing diagram of memory write using the first embodiment.
FIG. 24 shows a DRAM interface that can double the input amplitude.
25 is a timing diagram of memory write to the DRAM of FIG. 24. FIG.
FIG. 26 is a system having a memory bus using a main line having an open end and a short-circuit end.
FIG. 27 is a system having a cache memory bus using a main line having an open end and a short-circuit end.
FIG. 28 is a diagram for explaining a fifth embodiment;
FIG. 29 is a diagram showing write timings from MC 10-1 to DRAMs 10-2 and 10-3 according to the fifth embodiment;
FIG. 30 is a diagram showing read timing from the DRAM 10-2 to the MC according to the fifth embodiment;
FIG. 31 is a diagram showing a read timing from the DRAM 10-3 to the MC according to the fifth embodiment;
FIG. 32 is a diagram showing write data waveforms from MC 10-1 to DRAMs 10-2 and 10-3 according to the fifth embodiment;
FIG. 33 is a diagram showing a read data waveform from the DRAM 10-2 to the MC according to the fifth embodiment;
FIG. 34 is a diagram showing a cross-sectional view of the substrate mounting of the fifth embodiment.
FIG. 35 is a cross-sectional view of a substrate mounted in the fifth embodiment (case in which a termination board is mounted).
FIG. 36 is a diagram for explaining a sixth embodiment;
FIG. 37 is a diagram for explaining a seventh embodiment;
FIG. 38 is a diagram for explaining an eighth embodiment;
FIG. 39 shows a simulation waveform (memory write) of the eighth embodiment.
FIG. 40 shows a simulation waveform (memory read) of the eighth embodiment.
FIG. 41 is a diagram showing input impedances of MC10-1 and DRAMs 10-2 and 10-3 according to the eighth embodiment;
FIG. 42 is a diagram for explaining a ninth embodiment (bonding option).
FIG. 43 is a diagram for explaining a tenth embodiment (a diagram in which a directional coupler is applied to a multi-chip module).
[Explanation of symbols]
1 ... Printed circuit board (motherboard)
1-1 ... Main line
1-2 to 1-5 ... Wiring
2-1 to 2-9 ······································ each module board on which semiconductor elements for data transfer are mounted
2-a to 2-d ... Memory subsystem with many memory modules
51, 51 ', 51a ... Driver
10-1 ... Memory controller (part)
10-2 to 10-9... Semiconductor elements that perform data transfer (memory)
30 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Processor (CPU)
40 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Graphic part
50 ... I / O section
60, 61 ... Directional coupling tip
201 ... Processor bus
202 ... Memory bus
203 ... I / O bus
204 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Graphic bus
300 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Chipset
400 ... Processor module
410 ..... Cache memory bus
MC ... Memory controller
m1, m2 ..... Wiring layer in board 1 (main line)
x1, x2 ..... Wiring layer (crosstalk) in substrate 1
C1-C4 ... Directional coupler
Rtt ............ Terminal resistance
Vtt ......... Termination voltage
rs ... Equivalent impedance of driver
L1 to L7 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Wiring
vpulse ………… Driver pulse source
s1, s6, k1, k4, j1, j4... simulation nodes

Claims (8)

データ転送を行うバスシステムに接続されている1つのバスマスタと複数のバススレーブ間でデータ転送を行うバスシステムであって、
該バスマスタと該バススレーブ間のデータ伝達を行うためのメインラインと、該バスマスタから引き出された前記メインラインに対し非接触で略平行に配置され、該メインラインと方向性結合器を構成する副結合配線を含み、各副結合配線の両端にそれぞれバススレーブを接続し、
該メインラインの該バスマスタが接続されていない側の端は、該端で反射を起こすように終端され、該メインラインの進行波及び該終端からの反射波を用いて該副結合配線の両端に接続された前記バススレーブと該バスマスタ間に於いてデータ転送を双方向に行うことを特徴としたバスシステム。
A bus system for transferring data between a bus master connected to a bus system for transferring data and a plurality of bus slaves,
A main line for transmitting data between the bus master and the bus slave and a main line drawn from the bus master are arranged in a non-contact and substantially parallel to the main line to form a directional coupler. Connect the bus slaves to both ends of each sub-coupling wiring, including the coupling wiring,
An end of the main line to which the bus master is not connected is terminated so as to cause reflection at the end, and a traveling wave of the main line and a reflected wave from the end are used to connect both ends of the sub-coupling wiring. bus system and performing data transfer in both directions at the inter-connected the bus slave and said bus master.
請求項1に記載のバスシステムおいて、
前記メインラインのバスマスタに接続されていない側の端をオープンとするとで該端で正の全反射を生成し、該メインラインの進行波および該端からの反射波を用いて該副結合配線の両端に接続された前記バススレーブと、該バスマスタ間に於いてデータ転送を双方向に行うことを特徴としたバスシステム。
The bus system according to claim 1,
When the end of the main line that is not connected to the bus master is opened, positive total reflection is generated at the end, and the traveling wave of the main line and the reflected wave from the end are used to said bus slave connected to both ends, the bus system and performing at between the bus master data transfer in both directions.
請求項1に記載のバスシステムおいて、
前記メインラインのバスマスタに接続されていない側の端をグランドまたは電源に短絡することで、負の全反射を生成し、該メインラインの正極性進行波及び該短絡端からの負極性反射波を用いて該副結合配線の両端に接続された前記バススレーブと、該バスマスタ間に於いてデータ転送を双方向に行うことを特徴としたバスシステム。
The bus system according to claim 1,
By short-circuiting the end of the main line that is not connected to the bus master to the ground or the power source, negative total reflection is generated, and the positive traveling wave of the main line and the negative reflected wave from the shorted end are generated. bus system and the bus slave connected to both ends of the sub coupling line, and performing data transfer in both directions at between the bus master using.
前記バスマスタは、前記メインラインが接続されて該メインラインへのデータ送信を行うバスドライバを備え、該バスドライバの出力インピーダンスは、該バスドライバに接続するメインラインの持つ特性インピーダンスと等しく保ち、LOWデータを出力する状態ではLOW電圧を、HIGHデータを出力する状態ではHIGH電圧を出力し、また、データを出力しない状態ではHIGH電圧を出力することを特徴とする請求項1のバスシステム。  The bus master includes a bus driver that is connected to the main line and transmits data to the main line, and the output impedance of the bus driver is kept equal to the characteristic impedance of the main line connected to the bus driver, and is LOW 2. The bus system according to claim 1, wherein a LOW voltage is output when data is output, a HIGH voltage is output when HIGH data is output, and a HIGH voltage is output when data is not output. 請求項1に記載のバスシステムにおいて
前記複数のバススレーブは、メモリであることを特徴とするバスシステム。
The bus system according to claim 1, wherein the plurality of bus slaves are memories.
請求項1に記載のバスシステムにおいて、
前記バスマスタから引き出されたメインラインが中央部で折り返され、該バスマスタからの該メインラインに対し該バスマスタから折り返し点までの配線部、及び折り返し点以降の配線部に対し該バススレーブから引き出された該配線の少なくとも一部が交互にかつ連続して方向性結合器を構成することを特徴としたバスシステム。
The bus system according to claim 1,
The main line drawn from the bus master is folded at the center, and is drawn from the bus slave to the main line from the bus master to the wiring part from the bus master to the turning point, and to the wiring part after the turning point. A bus system, wherein at least a part of the wiring forms a directional coupler alternately and continuously.
複数種類のメモリアクセスノード群を選択的にメモリ群に対してアクセス制御するノードコントローラと、該ノードが処理するためのデータ格納およびデータ読み出しのうち少なくとも一方を実行するための複数メモリを含むメモリシステムと、前記ノードコントローラと前記メモリシステム間でデータ転送を行う方向性結合器を用いたバスシステムを含む情報処理装置であって、
前記バスシステムは、前記ノードコントローラに接続された一端を有するメインラインと、該メインラインに対し非接触で所定範囲に近接し、略平行に配置されて該メインラインと方向性結合器を構成する複数の副結合配線を含み、
該副結合配線の少なくとも一端は前記複数のメモリの1つに接続され、他端は前記複数のメモリの他のメモリに接続され、
前記メインラインの他端は。該他端で信号が反射を起こすよう終端され、前記メインラインの信号進行波及び前記他端からの反射波を用いて前記ノードコントローラ及び前記メモリシステム間で双方向データ転送を行う情報処理装置。
A memory system including a node controller that selectively controls access to a plurality of types of memory access node groups, and a plurality of memories for executing at least one of data storage and data reading for processing by the nodes And an information processing apparatus including a bus system using a directional coupler that transfers data between the node controller and the memory system,
The bus system has a main line having one end connected to the node controller, and is close to a predetermined range in a non-contact manner with respect to the main line, and is arranged substantially in parallel to form a directional coupler with the main line. Including multiple sub-coupled wires,
At least one end of the sub-coupled wiring is connected to one of the plurality of memories, and the other end is connected to another memory of the plurality of memories;
The other end of the main line. An information processing apparatus that is terminated so that a signal is reflected at the other end, and performs bidirectional data transfer between the node controller and the memory system using a signal traveling wave of the main line and a reflected wave from the other end.
プロセッサの2次キャッシュメモリアクセスを制御するノードと、該プロセッサが処理するためのデータの格納及びデータの読み出しの少なくとも一方を実行するための複数の2次キャッシュメモリ群と、前記ノードと前記2次キャッシュメモリ間でデータ転送を行う方向性結合器を用いたバスシステムを含むプロセッサモジュールであって、
前記バスシステムは、前記ノードを接続した1端を有するメインラインと、該メインラインに対し非接触で所定の範囲に近接し、略平行に配置されて該メインラインと方向性結合器を構成する複数の副結合配線とを含み、
該副結合配線の1端は前記複数の2次キャッシュメモリの1つに接続され、他端は前記複数の2次キャッシュメモリのうち他の2次キャッシュメモリに接続され、
前記メインラインの他端は、該他端で信号が反射を起こすように終端され、前記メインラインの信号進行波及び前記他端からの反射波を用いて前記ノード及び前記2次キャッシュメモリ群間で双方向データ転送を行うプロセッサモジュール。
A node for controlling the secondary cache memory access of the processor, a plurality of secondary cache memory groups for executing at least one of storing and reading data for processing by the processor, the node and the secondary A processor module including a bus system using a directional coupler for transferring data between cache memories,
The bus system has a main line having one end connected to the node, and is close to a predetermined range in a non-contact manner with respect to the main line, and is arranged substantially in parallel to form a directional coupler with the main line. A plurality of sub-coupled wires,
One end of the sub-coupled wiring is connected to one of the plurality of secondary cache memories, and the other end is connected to another secondary cache memory among the plurality of secondary cache memories,
The other end of the main line is terminated so that a signal is reflected at the other end, and a signal traveling wave of the main line and a reflected wave from the other end are used to connect the node and the secondary cache memory group. A processor module that performs bidirectional data transfer.
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