25G高速無源通道的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

OIF CEI-11G LR和10G Base KR規(guī)范已發(fā)布了好幾年。隨著100Gbps標(biāo)準(zhǔn)的不斷演進(jìn)，出于互連密度和功耗的考慮，單通道的速率也逐漸從10Gbps演變?yōu)楦叩乃俾?。比如OIF CEI-25G LR就試圖將單通道的速率從11Gbps提高到25Gbps，與此同時(shí)，將功耗限制在前一版本的1.5倍以內(nèi)。雖然CEI-25G LR并未被正式發(fā)布，但一些最基本的通道參數(shù)卻已在草案中被基本確定下來。在SerDes廠商和無源通道廠商的不懈推動下，10Gbps+的速率被不斷地刷新。一些半導(dǎo)體廠商先后推出了15Gbps、20Gbps的SerDes，Avago公司更是在今年的DesignCon上展示了符合CEI-25 LR草案的背板驅(qū)動器和高達(dá)30Gbps的SerDes。

　　雖然25Gbps背板規(guī)范并未被發(fā)布，相關(guān)的SerDes也還未量產(chǎn)，但光通信廠商早就開始了40Gbps DQPSK的應(yīng)用，將PCB上單一通道的速率推進(jìn)到20Gbps。背板方面，雖然國內(nèi)廠商只能拿到15Gbps的SerDes，但毫無疑問，不用多久，20Gbps以上的SerDes也會被開放。因此，本文將試圖對25Gbps無源通道設(shè)計(jì)時(shí)遇到的挑戰(zhàn)(尤其是在信號完整性方面)進(jìn)行分析和探討。

　　一個(gè)完整的25Gbps鏈路的構(gòu)成通常如圖1所示。

　　圖1：25Gbps完整鏈路示意，TP1~TP4為測試點(diǎn)。

　　25Gbps鏈路也是一個(gè)典型的點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)?，發(fā)射端和接收端均做了信號處理，即我們通常所說的均衡。一般發(fā)射端被稱為加重，接收端被稱為均衡。其中發(fā)射端的加重又分為預(yù)加重和去加重;接收端的均衡又分為模擬均衡和數(shù)字均衡，分別為CTLE和DFE。發(fā)射端和接收端的均衡通常被用來補(bǔ)償數(shù)據(jù)在有損鏈路中傳輸時(shí)的損耗，以便在接收端獲得張開的眼圖以及符合規(guī)范的BER。25G無源通道主要被用于芯片間(chip-chip)，芯片與模塊間(chip-module)或者背板的應(yīng)用中。在信號完整性方面遇到的挑戰(zhàn)主要包括傳輸損耗、反射和串?dāng)_。

　　對抗傳輸損耗

　　無源通道就像一個(gè)低通濾波器，總是會降低傳輸信號的幅度。信號在通過連接器、PCB走線、過孔、IC引腳和線纜等無源鏈路中的每一部分時(shí)，總會造成幅度上的損失和抖動的累積。當(dāng)信號到達(dá)接收端時(shí)，眼圖通常已經(jīng)閉合(圖2、圖3)。作為鏈路的設(shè)計(jì)者，通常需要設(shè)法降低傳輸過程中的損耗，這也被稱為插損。以背板為例，25Gbps無源通道的損耗主要由高速連接器、過孔和走線造成。

圖2：CEI-25 LR鏈路示意圖。

　　圖3：興森快捷高速實(shí)驗(yàn)室25Gbps眼圖實(shí)測：分別對應(yīng)于發(fā)射端、一半通道長度以及接收端測得的眼圖。

　　一旦選定了連接器，其本身的插損也就被確定下來。大多數(shù)背板連接器都采用壓接方式設(shè)計(jì)，所以設(shè)計(jì)者唯一要做的就是盡可能地優(yōu)化過孔，將過孔的插損減到最小。由于連接器廠商一般會推薦連接器的布局(layout)方式，設(shè)計(jì)者能做的就是將過孔的分支(stub)減至最小，常見的方法有背鉆。除此之外，在實(shí)際的板級設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會遇到表面微帶線轉(zhuǎn)換到帶狀線的做法，針對這種狀況要找出最優(yōu)的過孔實(shí)在不易。因?yàn)檫^孔在高速率下的模型非常復(fù)雜，而影響過孔的主要因素有孔徑、孔深、反焊盤和過孔鍍銅厚度。通常使用仿真軟件仿真不同過孔的S參數(shù)，從而找出最優(yōu)的過孔。另外，過孔性能與頻率相關(guān)。在不同的上升沿下，過孔所表現(xiàn)的性能并不一樣，這時(shí)需要設(shè)計(jì)者對其做出一定的權(quán)衡和取舍。事實(shí)上，仿真和實(shí)測結(jié)果之間一般存在著誤差，并且有時(shí)誤差會相當(dāng)大，這一差異產(chǎn)生的原因是由于實(shí)際制造工藝并不能像仿真時(shí)那樣理想，在信號速率越高時(shí)越是如此。

　　不斷的仿真和測試可以幫助設(shè)計(jì)者找出最優(yōu)的過孔(圖4)。興森快捷公司在CPCA期間展示的100G以太網(wǎng)板，就是經(jīng)過兩版仿真和實(shí)測驗(yàn)證才找出的適合單通道28G速率的信號過孔。如果放在以前，在28G速率時(shí)竟然還能打孔設(shè)計(jì)，這幾乎是天方夜譚。很多公司的設(shè)計(jì)規(guī)范里都有規(guī)定，10G速率的PCB布線不能打孔，這就是因?yàn)檫^孔的參數(shù)特性很難控制，人們?nèi)鄙俦匾氖侄魏蜅l件對其進(jìn)行研究和驗(yàn)證。為此，興森快捷的高速實(shí)驗(yàn)室投入了大量的人力與物力，致力于高速無源鏈路的研究，努力幫助客戶打通高速無源鏈路的設(shè)計(jì)瓶頸。

　　圖4：某板材損耗的仿真和實(shí)測對比：需要進(jìn)行多次仿真修正，才能縮小理論和實(shí)測之間的差距。

　　PCB布線是影響傳輸損耗的另一個(gè)關(guān)鍵因素。線上損耗的主要原因有：趨膚效應(yīng)、介質(zhì)損耗、銅箔粗糙度和波纖效應(yīng)，這幾個(gè)因素均和信號的速率相關(guān)。在設(shè)計(jì)的初始階段，設(shè)計(jì)者便會借助軟件來計(jì)算PCB布線的阻抗和損耗。軟件通常都不會單獨(dú)考慮銅箔粗糙度的影響，或者將此影響歸類到趨膚效應(yīng)。而事實(shí)上，銅箔粗糙度和趨膚效應(yīng)存在著區(qū)別。當(dāng)速率達(dá)到10Gbps時(shí)，銅箔粗糙度的影響便不可忽略。經(jīng)過興森快捷的高速實(shí)驗(yàn)室的測試驗(yàn)證，在25Gbps速率下，高粗糙度銅箔所產(chǎn)生的額外損耗往往會比低粗糙度銅箔高出很多。而在PCB制造時(shí)，PCB廠商通常都會默認(rèn)為采用普通銅箔，也就是高粗糙度銅箔，這在高速設(shè)計(jì)時(shí)是常被忽略的地方。因?yàn)橐话愕腜CB工廠都不會去研究銅箔粗糙度的影響，興森快捷公司在這方面所做的研究工作已處于業(yè)界的前列。

　　介質(zhì)的損耗將隨著頻率的升高而越變越大(圖5)，這時(shí)能否找到一款性價(jià)比高的板材將成為成功的關(guān)鍵。因?yàn)?，在如此高的速率下，即使采用以前用?0G BASE KR的改性FR4板材(如 Nelco 4000-13)也將無法滿足要求，更不用說普通的FR4。而業(yè)界原本廣為使用的Megtron 6也因?yàn)槿毡镜卣鸲艿胶艽笥绊懀詫ふ业揭豢羁商娲母哳l板材已迫在眉睫，而新材料的認(rèn)證又需要一個(gè)相對較長的周期(需要做環(huán)境測試、插損測試、眼圖測試和BER測試等)。所要用到的儀器設(shè)備包括：恒溫箱、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或TDR、碼型發(fā)生器、采樣示波器或?qū)崟r(shí)示波器以及BERT等。為了更好地對25Gbps無源通道進(jìn)行量化和建模，興森快捷的高速實(shí)驗(yàn)室對此做了大量的研究工作，找出了性價(jià)比更高的Megtron 6替代板材，目前興森快捷還購買了業(yè)界最大可探測面積的探針臺，10G速率以上的超高速背板及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已變得更加容易。

　　圖5：CEI-25G LR規(guī)范規(guī)定的插損要比10G Base嚴(yán)格很多。10G Base只需要考慮6GHz時(shí)的損耗，而CEI-25G LR則需要考慮12.5GHz時(shí)的損耗。

　　在估算通道損耗時(shí)，一般會認(rèn)為介質(zhì)是均勻的。事實(shí)上不同的疊層會使用不同厚度的PP(聚丙烯)，不同厚度PP的構(gòu)成是不一樣的。PP主要由玻璃纖維和樹脂組成。波纖的經(jīng)緯交叉點(diǎn)和空隙中的樹脂含量不同，這會導(dǎo)致介質(zhì)的不均勻性，主要是波纖交叉點(diǎn)和空隙中的Dk和Df值區(qū)別很大。在最壞情況下，一對差分走線中的一根走在交叉線上，而另一根則走在空隙當(dāng)中，這樣差分對的傳輸延遲和損耗都會不同，這將造成眼圖的閉合和造成EMI。采用Intel推薦的10度角設(shè)計(jì)是一種常規(guī)的解決玻纖效應(yīng)的做法，但這通常被用于10G速率及以下，當(dāng)通道速率達(dá)到25Gbps時(shí)，玻纖效應(yīng)對傳輸線的影響需要被更加嚴(yán)格地進(jìn)行評估。

　　此外，布線的方式也將影響到插損，比如傳輸線是微帶線還是帶狀線。兩者所帶來的損耗大不相同，在頻率越高的情況下區(qū)別會越大。除了損耗，兩種傳輸線周圍的電磁場分布以及傳播特性也不盡相同。總體而言，帶狀線會比微帶線具有更好的性能表現(xiàn)，但前提條件是，必須設(shè)計(jì)出參數(shù)和特性均可控的過孔。

　　所有的影響因素均需要被考慮在內(nèi)，才能符合規(guī)范要求。由于仿真和測試之間存在很大的差異，需要設(shè)計(jì)者不斷修正仿真模型和優(yōu)化算法，并反復(fù)和實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，才能得到可信的仿真結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)修正值。控制阻抗和反射

　　傳輸鏈路中只要存在阻抗不連續(xù)，就會產(chǎn)生反射。S參數(shù)中用來表征反射的參數(shù)是S11，也就是常說的回波損耗。設(shè)計(jì)者要做的就是盡可能的控制無源通道中的阻抗。布線的阻抗較易控制，難于控制之處主要在于過孔和連接器(圖6)。對于連接器來說，設(shè)計(jì)者可以控制的是分支(stub)的長度。此長度越長，阻抗越不連續(xù)，反射將越厲害。對于背板，通常采用背鉆來保證。而對于過孔來說，除了要將其插損控制在最小值外，還要將其阻抗控制與傳輸線盡可能一致。

　　圖6：阻抗的不連續(xù)點(diǎn)分別由連接器和過孔所引起(興森快捷高速實(shí)驗(yàn)室的某實(shí)測案例)。

　　此外，反射不僅會引起過沖和振鈴等信號質(zhì)量的下降，而且還會給整個(gè)通道帶來額外的損耗。CEI-25G LR規(guī)范規(guī)定，回波損耗在整個(gè)奈奎斯特頻率范圍內(nèi)要約優(yōu)于-10dB，這樣回波損耗所引起的插損將被控制在約0.5dB以內(nèi)。而10G BASE GEN2則更是規(guī)定回?fù)p要約優(yōu)于-20dB，這樣回?fù)p所引起的插損才可忽略不計(jì)。

　　選擇有精密制造能力的供應(yīng)商也至關(guān)重要。只有嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行生產(chǎn)制造的PCB，才能更好地保證阻抗可控。對于阻抗受控的PCB，PCB板廠商通常采用在PCB旁附加測試條(通常稱為附連邊)來測試傳輸線的阻抗。對這一點(diǎn)設(shè)計(jì)者需要尤其注意，某些時(shí)候測試條上的傳輸線阻抗和PCB上的傳輸線阻抗并不能良好地對應(yīng)，需要設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)PCB時(shí)保證設(shè)計(jì)的正確性。目前國內(nèi)已有極個(gè)別廠商能夠直接檢驗(yàn)PCB板上的阻抗連續(xù)性(并非檢驗(yàn)測試條上的阻抗)。

　　多通道串?dāng)_

　　由于下一代100Gbps 網(wǎng)絡(luò)大多會采用4 x 25Gbps的架構(gòu)，所以相鄰?fù)ǖ篱g的串?dāng)_表征將無法避免。由于走線間的距離可以通過犧牲布線密度來調(diào)節(jié)，所以鏈路上串?dāng)_最大的地方仍將發(fā)生在連接器端。串?dāng)_不僅會在幅度上帶來噪聲，同時(shí)還會引起時(shí)序上的抖動，這造成無用信號反射等信號的完整性問題。

　　對串?dāng)_進(jìn)行仿真是一個(gè)難題，難度主要體現(xiàn)在高速連接器的串?dāng)_建模不易。一般連接器廠商給出的S參數(shù)或Spice模型僅局限于連接器的本身，當(dāng)裝配到PCB(如背板)以后，模型的精確建立和修正將形成挑戰(zhàn)。材料特性、幾何尺寸、是否背鉆和過孔加工精度都將成為決定性因素。而當(dāng)串?dāng)_模型被比較準(zhǔn)確地建立起來之后，又將出現(xiàn)另一個(gè)挑戰(zhàn)，那就是多通道碼型信號的生成。要生成各種不同長度的碼型，以及確定是否帶有噪聲和抖動等壓力信號，需要不停地改變或掃描不同通道之間的相位、偏斜和延遲，以找出串?dāng)_的最壞情況。

　　除了仿真，也可以測試實(shí)際鏈路中的串?dāng)_，這樣也能驗(yàn)證仿真的正確性。對于串?dāng)_的測試，傳統(tǒng)上采用VNA或TDR來測試物理結(jié)構(gòu)上的串?dāng)_，但所測得的串?dāng)_大小與數(shù)據(jù)無關(guān)。也就是說，無論是VNA測試出來的串?dāng)_幅度，還是TDR測試出來的串?dāng)_最強(qiáng)耦合位置，均不能直接指示出是否引起了誤碼或眼圖的惡化。要測試數(shù)據(jù)的相關(guān)串?dāng)_，需要借助并行通道誤碼儀(圖7)。由于該設(shè)備可以級聯(lián)，所以能夠測試多達(dá)8個(gè)以上干擾通道的情況。

　　圖7：對于一個(gè)典型的背板，配置了4個(gè)近端串?dāng)_和4個(gè)遠(yuǎn)端串?dāng)_，并監(jiān)測受害通道的誤碼和浴盆曲線。

　　圖7所示的配置可以將數(shù)據(jù)相關(guān)的串?dāng)_很好的表征出來，包括改變碼型發(fā)生器的幅度和去加重，得出浴盆曲線，從而找出串?dāng)_對數(shù)據(jù)的最壞影響以及減少串?dāng)_和抖動的辦法。興森快捷高速實(shí)驗(yàn)室已利用此設(shè)備多次幫助客戶成功地設(shè)計(jì)出了高速背板并通過了驗(yàn)證。

　　本文小結(jié)

　　當(dāng)高速串行信號速率急速增進(jìn)到25Gbps后，發(fā)射端和接收端的信號處理將更加復(fù)雜。由于傳輸?shù)男盘柸匀皇荖RZ 碼型，發(fā)射端采用3抽頭(tap)的預(yù)加重，接收端采用3抽頭以上的CTLE和DFE兩級均衡來克服通道上的損耗。而要最優(yōu)化配置發(fā)射端和接收端的均衡，則需了解到通道的損耗情況。設(shè)計(jì)者只需要考慮到影響損耗的各種因素，做好充分的仿真和測試，便可以做到通道可控，包括大家所熟悉的阻抗控制、損耗控制和串?dāng)_控制。設(shè)計(jì)出的通道不僅要滿足規(guī)范，而且還要留有充足的裕量。這樣不僅不會給有源部分造成壓力，而且還會為未來的速率擴(kuò)展和升級留下余地。