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DRAM-Speicher: Chip oder Modul? Eine Entscheidungshilfe

| Autor / Redakteur: Arthur Sainio * / Sebastian Gerstl

Wenn Produkte auch in rauen Umgebungen zuverlässig funktionieren sollen, spricht zunächst vieles für direkt aufgelötete Speicherchips. Dabei sind DRAM-Module für viele Applikationen besser geeignet.

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Raue Umgebungsbedingungen wie salzhaltige Luft können elektronischen Komponenten zusetzen – auch DRAM-Speicherchips und -Modulen.
Raue Umgebungsbedingungen wie salzhaltige Luft können elektronischen Komponenten zusetzen – auch DRAM-Speicherchips und -Modulen.
(Bild: SMART Modular Technologies )

In Anwendungen der Telekommunikation, Industrie, Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungstechnik kommen meist Down-Board-DRAMs zum Einsatz, also direkt auf die Platine gelötete Speicherchips. Diese sind sehr zuverlässig, thermisch hoch belastbar und ermöglichen hohe Taktraten bei niedrigsten Kosten. Damit erfüllen sie die hohen Anforderungen der genannten Applikationen an die Leistungsfähigkeit, Qualifikation und Zuverlässigkeit elektrischer Systeme.

Raue Umgebungsbedingungen für Telekommunikationssysteme, der erweiterte Betriebstemperaturbereich von –40 bis 85 °C für industrielle Anwendungen und die im NEBS-Standard (Network Equipment-Building System) festgelegten Stoß- und Vibrationsgrenzwerte für die Luft- und Raumfahrtindustrie sind hohe Hürden, die im Qualifizierungsprozess für die Speicher für die jeweilige Branche überprüft werden. Obwohl Down-Board-DRAMs Vorteile haben, verwenden heute immer mehr Entwickler DRAM-Module. Ihre Stärken liegen in den Bereichen Skalierbarkeit, Systemdichte, Wärmemanagement, einfaches Routing,
Signalintegrität, Designflexibilität, Robustheit, Zuverlässigkeit, Umweltschutz, Qualifizierung, Test und Kosten.

Eine Plattform, verschiedene Speichergrößen

Durch den Einsatz von Modulen mit unterschiedlichen Kapazitäten und Übertragungsgeschwindigkeiten ist es möglich, ein Systemdesign für unterschiedliche Leistungsanforderungen und Marktsegmente anzupassen. Systeme, die mit DRAM-Modulen ausgestattet werden, lassen sich von Anfang an für zukünftige Upgrades konzipieren. Bei Anwendungen mit Down-Board-DRAMs ist hingegen oft ein komplettes Redesign erforderlich. Die Speicherdichten der DDR4-Module nehmen weiter zu und reichen aktuell von 4 bis 256 GByte. Die DRAM-Geschwindigkeit hat sich ebenfalls stufenweise von DDR4-2133 auf DDR4-3200 erhöht.

Viele branchenübliche Server- und Speicher-Motherboards sind für schrittweise Upgrades der DRAM-Module und CPUs ausgelegt. Der Austausch des alten Speichers und der alten CPU gegen die neuesten Versionen ist daher schnell erledigt. So lassen sich die Rechner einfach an einen gestiegenen Leistungsbedarf anpassen – etwa um die Datenströme von zusätzlichen IoT-Knoten im industriellen Umfeld verarbeiten zu können. Hinzu kommt, dass sich ausgetauschte Module möglicherweise in anderen Rechnern wiederverwenden lassen.

Erhöhte Systemdichte und besseres Wärmemanagement

DRAM-Module erhöhen die Systemdichte und nutzen den Platz auf der Leiterplatte besonders effizient. So lassen sich beispielsweise passive Bauelemente unter den Speichermodulen platzieren. Diese können gestapelt oder verschachtelt werden, während gleichzeitig ein ausreichender Luftstrom zur Entwärmung gewährleistet ist. VLP- (Very Low Profile) oder ULP-Module (Ultra Low Profile) können für Blades mit hoher Dichte oder für Add-in-Karten verwendet werden. Sie lassen sich auch entlang des effizientesten Luftstroms im System ausrichten. Ist kein Luftstrom vorhanden, können Wärmeverteiler oder Kühlkörper zum Einsatz kommen, um die Wärme abzuleiten.

Zwei Beispiele für den Einsatz industrietauglicher DDR4-SO-DIMMs sind taktische Kommunikationsgeräte sowie robuste Laptops, die in Service- oder Militärfahrzeugen verbaut sind. Diese Anwendungen erfordern nicht nur höchstmögliche Speicherdichten. Vielmehr müssen die Komponenten auch großer Hitze bei begrenztem Luftstrom sowie heftigen Stößen und Vibrationen standhalten.

Einfaches Routing und solide Signalintegrität

Module anstelle von Down-Board-DRAMs vereinfachen das Systemdesign, da sich das Routing auf der Hauptplatine durch die aufeinanderfolgende Platzierung der DRAMs auf dem Modul vereinfacht. Zudem kann der VTT-Abschluss (tracking termination voltage) am Modul erfolgen. Alle passiven Bauelemente – auch der Temperatursensor – befinden sich auf dem Modul, wodurch sich die Anzahl der Layer auf der Hauptplatine verringern lässt. Viele Timing-Parameter sind zudem durch die Module klar definiert , was das Schaltungs-Layout vereinfacht und die Wahrscheinlichkeit für Fehler verringert.

Verschiedene Formfaktoren für DRAM-Module: DDR4 SO-DIMM
Verschiedene Formfaktoren für DRAM-Module: DDR4 SO-DIMM
(Bild: SMART Modular Technologies )

Module tragen auch dazu bei, problematische Durchkontaktierungen (Vias) in der Platine im Bereich der DRAM-Bausteine zu vermeiden. Nach Angaben der Solid State Technology Association des JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council), eines unabhängigen Fachverbands für Halbleitertechnologie, hat sich die Anzahl der auf dem Markt verfügbaren Standard-Speichermodule seit der Einführung von DDR2 mehr als verdoppelt. Module sind in verschiedenen Busbreiten, Formfaktoren, Speicherdichten und Geschwindigkeiten erhältlich. Auch die Vielfalt der Modulsteckverbinder hat zugenommen und reicht von 22,5° abgewinkelten Steckverbindern bis zu extrem flachen Steckverbindern mit sehr niedrigen Bauhöhen. In dieser Vielfalt finden Systementwickler mit hoher Wahrscheinlichkeit ein passgenaues Speichermodul, das sich speziell für ihre Applikation eignet.

Robustheit und Zuverlässigkeit der Steckverbinder

Ein zentrales Anliegen der Entwickler in der Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigungstechnik ist Robustheit gegenüber Stößen und Vibrationen. Flugzeuge und Bodenfahrzeuge sind mit hochpräzisen Aufzeichnungs-, Ortungs- und Telekommunikationssystemen ausgestattet, die zuverlässige Speicher mit großer Kapazität benötigen. Speichermodule mit kleinem Formfaktor bieten eine optionale Lösung für diese Systeme, die oft sehr viele Komponenten auf engstem Raum integrieren. Die DDR4-Mini-DIMM-Steckverbinder sind daher äußerst robust ausgelegt. Sie verfügen über eine vibrationsdämpfende Endstütze für die Vorausrichtung und eine von oben in das Steckergehäuse eingeführte Doppellötnagelstütze.

VLP DIMM
VLP DIMM
(Bild: SMART Modular Technologies )

Mini-DIMMs wurden im Vergleich zu SO-DIMMs mit zusätzlichen Stromversorgungs- und Massestiften versehen, um einen robusteren und zuverlässigeren Betrieb sowie eine langfristige Zuverlässigkeit zu garantieren. Eine Unterfüllung (Underfill) unter den DRAM-Bausteinen kann als nachgelagerter Fertigungsschritt nach der Produktion eines Moduls erfolgen. Damit lässt sich das Modul effizient vor vibrationsbedingten Problemen schützen. Ein Underfill-Material wie Loctite 3593 wird dabei unter alle BGA-Bausteine (Ball Grid Array) des Moduls (DRAMs, Register usw.) injiziert.

Empfindliche Elektronikgeräte, die in industriellen IoT-Anwendungen beispielsweise in der Landwirtschaft und im Transportwesen zum Einsatz kommen, sind oft rauen Umgebungseinflüssen ausgesetzt – zum Beispiel Feuchtigkeit, Salznebel oder auch Schwefeldioxid. Staub, Pilzbefall und andere Verunreinigungen können Kurzschlüsse oder Leckströme hervorrufen und sogar zum Ausfall von Geräten führen. Spezielle Beschichtungen können Module zuverlässig davor schützen.

Als Auftragsverfahren kommt zum Beispiel Plasmätzen zum Einsatz. Dabei wird auf jedes Modul eine Sprühbeschichtung aufgebracht. Das Material besteht aus einem 25 bis 75 µm dicken Polymerfilm. Kritische Kontaktflächen des Moduls, z.B. die Goldkontakte, werden vor dem Beschichten abgedeckt. Diese Schutztechnik verringert zusammen mit einem Underfill das Risiko, dass Speichermodule im Betrieb Probleme bereiten aufwendig von einem Techniker ausgetauscht werden müssen.

VLP Mini-RDIMM
VLP Mini-RDIMM
(Bild: SMART Modular Technologies )

DRAM-Module vereinfachen aufwendige Testprozeduren

Speicherdefekte während des Betriebs sind ein großes Problem. Um das Ausfallrisiko zu verringern, sind strenge Systemtests vor der Markteinführung empfehlenswert. Systeme mit Down-Board-DRAM müssen aufwendige Belastungstests durchlaufen, um „anfällige Bits“ in den Chips zu lokalisieren. Treten Fehler auf, muss das Down-Board-DRAM ausgetauscht werden. Auch Module werden aufwendig geprüft. Doch hier können die elektrischen Tests als auch die Systemtests vor der Anwendung auf Modulebene abgeschlossen werden. Dadurch verringert sich das Risiko von Ausfällen im Feld erheblich.

Kein Steckverbinder, keine Extra-Leiterplatte: Auf den ersten Blick sprechen die Kosten klar für Down-Board-Module. Doch ganz so einfach ist es nicht. Entwickler sollten wichtige Faktoren in ihre Entscheidung einbeziehen: Module bieten Vorteile wie bessere Systemskalierbarkeit, einfacherer Schaltungsentwurf und Reparaturfreundlichkeit, die sich zwar nicht so einfach quantifizieren lassen, aber den Erfolg eines Unternehmens erheblich beeinflussen können. So kann ein ungeplantes Redesign eines Systems mit einem anderen DRAM-Gehäuse oder einem DRAM-Chip mit höherer Speicherdichte erhebliche Folgekosten mit sich bringen – besonders bei Anwendungen, in denen lange Systemqualifizierungszyklen mit einer langen Produktlebensdauer einhergehen müssen.

Embedded-Systeme für unternehmenskritische Telekommunikations-, Industrie-, Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsanwendungen müssen auch in Umgebungen zuverlässig arbeiten, in denen sie häufig elektrischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Entwickler sollten daher sicherstellen, dass der Speicher in diesen Anwendungen unvorhergesehene Ereignisse bewältigen kann und auch danach optimal funktioniert.

DRAM-Module geben Entwicklern mehr Flexibilität und eine bessere Skalierbarkeit an die Hand. Gleichzeitig vereinfachen sie das Routing auf der Hauptplatine und ermöglichen eine bessere Signalintegrität. Trotz der zusätzlichen Kosten für Steckverbinder und Leiterplatten erhöhen Module die Systemdichte und unterstützen das Wärmemanagement, indem sie den Platz auf der Leiterplatte so effizient wie möglich nutzen. Die einfache Durchführung kritischer Belastungstests für Systeme mit DRAM-Modulen und die Möglichkeit, zusätzlichen Schutz gegen die Einflüsse rauer Umgebungen zu bieten, sorgen für langfristige Leistungsfähigkeit und helfen, Kosten zu vermeiden. Darüber hinaus lassen sich DRAM-Module zuverlässiger und robuster auslegen, um mechanischen Stößen und Vibrationen standzuhalten und gleichzeitig die gleichen Leistungsmerkmale wie Down-Board-DRAM-Chips zu erzielen.

* Arthur Sainio ist Director Product Marketing von SMART Modular Technologies

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