아이 다이어그램 분석: 10Gbps 서버 최적화 검증

레이아웃 도구가 링크 작동 여부를 모르는 이유

이제 막 10Gbps SerDes 레인 라우팅을 완료했습니다. 아마도 PCIe 3세대 또는 XAUI일 수도 있습니다. 꽤 깔끔해 보입니다.20센티미터의 FR-4, 2개의 엣지 마운트 SMA 커넥터, 100Ω으로 고정된 차동 임피던스, 그리고 DRC는 단 한 번의 위반도 없이 통과했습니다.트레이스는 간단합니다. 비아를 최소한으로 유지했습니다.이긴 것 같아요.

단, 10Gbps의 속도에서는 5GHz의 나이퀴스트 주파수를 처리하는데 FR-4는 미친 듯이 신호를 흘립니다.선택한 FR-4 등급에 따라 (솔직히 말씀드리자면, 우리 대부분은 보드 하우스에서 제공하는 것을 그대로 사용합니다), 그 주파수에서는 센티미터당 0.5~1dB 정도의 손실이 발생합니다.20cm 길이로 계산을 해보면 신호가 커넥터에 닿기도 전에 이미 10~20dB 아래로 내려간 것입니다.커넥터당 1~2dB를 더 집어넣으면 두 개만 남았는데 갑자기 나이퀴스트에서 총 삽입 손실이 12~24dB에 달하게 됩니다.

이 정도면 눈이 완전히 쓰러질 정도입니다.수신기는 더 이상 깨끗한 1과 0을 볼 수 없습니다. 흐릿하게 보일 것입니다.

보드를 돌리고 기도하는 것 외에는 채널이 제대로 작동하는지 확인할 수 있는 유일한 방법은 실제 S-파라미터를 사용하여 아이 다이어그램을 시뮬레이션하는 것입니다.그 방법을 안내해 드리겠습니다.

데이터 가져오기: VNA로 채널 측정하기

우선 벡터 네트워크 분석기의 2포트 S-파라미터 파일이 필요합니다.이 작업을 제대로 수행한다면 파일은 다음과 같이 보일 것입니다.

• 형식: 표준 터치스톤 .s2p 파일
• 주파수 스윕: 10MHz에서 시작하여 최소 15GHz까지 증가 (경험상 데이터 속도의 3배를 사용하는 것이 좋습니다)
• 포인트 개수: 1001 이상 — 로그 간격이나 선형 간격을 사용하든 상관 없습니다. 둘 다 잘 작동합니다.
• 레퍼런스 임피던스: 50 Ω 싱글 엔디드 (디퍼런셜 페어를 제대로 측정하려면 4포트 .s4p 파일이나 혼합 모드 S21의 최소 2포트 캡처가 필요하지만, 간단히 확인하려면 50Ω 싱글 엔드를 사용하면 야구장에 들어갈 수 있습니다.)

아이 다이어그램 시뮬레이터를 실행하기 전에 몇 가지 주요 S-파라미터를 자세히 살펴보세요.이미 문제가 생기면 알아서 알려줄 거예요. 5GHz 속도의 S21이 이미 -18dB 이상으로 설정되어 있다면 바로 말씀드릴 수 있습니다. 눈을 감고 있을 테니까요.시뮬레이션을 통해 이미 의심하고 있는 내용을 확인할 수 있으므로 보드 주문을 고려하기 전에 먼저 채널을 수정해야 합니다.

아이 다이어그램 시뮬레이션 구성

좋아요, .s2p 파일이 준비되었습니다.아이 다이어그램 도구 로 가서 다음 설정을 입력하세요.

이 도구는 꽤 똑똑합니다. 채널의 주파수 응답 (S-파라미터) 을 가져와 이를 유사 랜덤 비트 시퀀스와 결합하고 지정한 TX 파형을 적용한 다음 모든 단위 간격을 서로 겹쳐 표시합니다.이 오버레이가 바로 여러분의 아이 다이어그램입니다.

좋은 눈은 어떻게 생겼는지 (그리고 나쁜 눈은 어떻게 생겼는지)

10Gbps의 속도로 달릴 때 건강한 눈은 다음과 같은 효과를 얻을 수 있습니다.

이 도구는 이 숫자를 직접 출력합니다. 손으로 측정하려고 눈을 가늘게 뜨지 않아도 되기 때문에 좋습니다.다음은 보이는 내용을 해석하기 위한 간단한 치트 시트입니다.

구체적인 예를 들어보죠.Isola FR408 트레이스에 20cm짜리 트레이스가 있다고 가정해 봅시다. 싸구려 제품에서 한 단계 더 발전한 것이죠.눈 높이는 약 180mV이고 너비는 약 0.46 UI인 것을 볼 수 있습니다.미미한 수준이지만 실행 가능합니다.이제 정확히 동일한 지오메트리를 가져와서 블로그 표준 FR-4 (대부분의 보드에 기본으로 제공되는 Tg 135 제품) 를 사용하고 이 수치가 높이 80mV, UI 너비 0.28로 떨어지는 것을 지켜보세요.눈을 감고 있는 셈이죠.링크는 학습되지 않습니다.다 끝났어.

감긴 눈 고치기: 선택할 수 있는 옵션

그래서 시뮬레이션이 다시 돌아왔고, 눈을 감았어요.이제 어떡하죠?당길 수 있는 레버가 몇 개 있어요.

트레이스를 줄이세요. 레이아웃이 허용하는 경우 가장 쉬운 해결책입니다.20cm 길이를 12cm로 줄이면 즉시 4~8dB 정도의 삽입 손실을 복구할 수 있습니다.시뮬레이션을 다시 실행해 볼 수 있을 만큼 충분한지 확인해 보세요. 라미네이트를 업그레이드하세요. 표준 FR-4는 고주파에서 당신을 죽일 수 있습니다.중손실 소재 (Isola 370HR, 파나소닉 메가트론 6 등 동급 제품) 로 바꾸면 5GHz에서 손실을 30~ 50% 줄일 수 있습니다.새로운 스택업이 트레이스 지오메트리를 변경하므로 제어 임피던스 계산기 로 임피던스를 다시 확인하시기 바랍니다. 이퀄라이제이션을 켜십시오. 대부분의 10Gbps SerDes PHY에는 일반적으로 조정 가능한 피킹 기능이 있는 연속 시간 선형 이퀄라이저 (CTLE) 가 내장되어 있습니다.5GHz에서 6dB의 부스트를 다이얼 인할 수 있다면 삽입 손실이 -22dB에 달하는 채널을 복구할 수 있습니다.일부 도구를 사용하면 CTLE 전달 함수를 시뮬레이션에 직접 적용할 수 있으므로 커밋하기 전에 이퀄라이제이션된 눈을 확인할 수 있습니다. 테스트 픽스처를 디임베딩하십시오. VNA 측정에 실제로 최종 설계에 포함되지 않는 론치 구조 또는 커넥터 패드가 포함된 경우 이를 디임베드할 수 있습니다.1dB의 인위적 손실을 복구하더라도 때때로 한계는 통과할 수 있는 영역으로 밀려날 수 있습니다.대부분의 엔지니어는 이 단계를 건너뛰고 나중에 제대로 작동해야 할 보드를 디버깅할 때 후회합니다.

아무도 얘기하지 않는 비아 스텁 문제

S-파라미터 시뮬레이션에서는 포착할 수 있지만 레이아웃 DRC에서는 완전히 놓칠 수 있는 실패 모드가 있습니다. 바로 스텁 공진을 통해서입니다.

표준 1.6mm 보드에 스루홀 비아가 있는데 0.8mm 스터브가 남았다고 가정해 보겠습니다.이 스터브는 대략 다음과 같이 울려 퍼질 것입니다.

좋아요, 47GHz는 5GHz 나이퀴스트 주파수보다 훨씬 높으니 괜찮습니다.하지만 이제 두꺼운 백플레인 중앙을 통과하다가 결국 3.2mm 스터브가 생긴다고 상상해 보세요.갑자기 공진이 약 12GHz로 떨어지는데, 이는 신호 대역폭에 충분히 가까워져서 주파수 응답에 큰 차이가 생깁니다.이 노치는 아이 다이어그램에서 한 입 떼어낸 것처럼 나타나며 보드를 측정하기 전까지는 알 수 없습니다.

이를 미리 확인하고 싶다면 Via Stub Resonance Calculator 를 사용하면 S-파라미터를 캡처하기도 전에 공진이 정확히 어디에 도달하는지 알 수 있습니다.

결론: 측정, 시뮬레이션 후 커밋

보세요. 아이 다이어그램 툴은 예전에는 직감적으로 레이아웃을 결정하던 것을 실제로 수량화할 수 있는 것으로 바꿔줍니다.측정된.s2p 파일을 업로드하고 링크 매개변수를 입력하면 눈 높이와 눈 너비라는 두 가지 중요한 숫자가 반환됩니다.둘 다 그린 존에서 편안하게 지낼 수 있다면 좋아요. 거버를 팹으로 보내서 삶을 꾸려나가세요.그렇지 않다면, 전혀 효과가 없을 것 같은 보드 스핀에 돈을 낭비하기 전에 어떤 노브를 돌려야 하는지 정확히 알 수 있습니다.

이건 편집증적인 태도에 관한 게 아니에요.보드 전원을 켰을 때 링크가 학습되지 않을 때 놀라지 말라는 거죠.10Gbps의 속도로 마진은 짐작할 수 없을 정도로 얇습니다.

아이 다이어그램 시뮬레이션 실행