특 별 기 고 PAM4 의측정과시뮬레이션상관관계 1. Introduction 향후 5 년동안전세계연간인터넷트래픽이폭발적으로증가할것으로예상 되며 (Cisco Visual Networking Index 참조 ), 온라인연결디바이스의수와콘텐 츠소비량이늘어남에따라이러한증가세를더욱더부추기고있는실정이다. 이기응이사한국텍트로닉스 기술팀 ki.eung.lee@tektronix.com 예상되는트래픽확대를뒷받침하려면네트워크기반시설을통한데이터전달속도의증강이반드시동반되어야한다. 처리율을두배또는네배까지확대하고, 레인 (lane) 당전달속도를 56Gbps 또는 122Gbps까지확대하려는노력이진행중에있다. 2. PAM-4 와 NRZ 의비교 NRZ(Non-Return-to-Zero) 신호의주파수성분은비트전송률과직선형태로증가하기때문에 NRZ 신호체계로는낮은 BW 채널에서 56Gbps 처리율을더이상안정적으로지원할수가없다. 따라서필요한성과를위해, 동일한데이터전송송도에서 NRZ가요구하는대역폭의절반만을사용하는 PAM-4 와같은대체변조방식 (Modulation scheme) 이고려되고있다. 2016. 6 109
특별기고 PAM-4 11 11 11 10 11 01 11 00 10 11 10 10 10 01 10 00 01 11 01 10 01 01 01 00 00 11 00 10 00 01 00 00 PAM-2NRZ 1 1 1 0 0 1 0 0 그림 1. PAM-4 와 NRZ 는서로다른신호수준과변환패턴을채용 그림 1을살펴보면, PAM-4는레벨 0, 레벨 1, 레벨 2, 레벨 3으로표시된네개의레벨을지원하여단위간격당 2비트의데이터를전송한다. 반면, NRZ는단위간격당단 1비트의데이터만을전달할수있다. PAM-4 신호체계의네개레벨은결과적으로세개의아이다이어그램을발생시킨다. 한개레벨에서다른레벨로의변환이하나이상의아이에영향을미치므로상호의존적이다. NRZ 아이에서수행한것과유사한아이다이어그램측정을 PAM-4 신호의세개아이에서각각실시할수있다. 동시에전체포락선 (Envelop) 의종합적인바깥아이측정이가능하다. PAM-4 NRZ UI당비트 2 1 레벨 4 2 에지상승 / 하락 6 2 변환 12 2 UI당아이다이어그램 3 1 표 1. PAM-4 와 NRZ 신호의비교 예 : PAM-4 vs. NRZ 아이다이어그램 * 수직아이오프닝 (Eye height) @ BER 동일공급전압에서 PAM-4의개별 Eye height 는 NRZ의 33% PAM-4는 Baud rate 절반이므로손실이적음 * 수평아이오프닝 (Eye width) @ BER 110 계장기술
PAM4 의측정과시뮬레이션상관관계 PAM-4는 Baud Rate이절반이므로개별아이대역폭이 200% 인접해있지않은레벨간의전송시 PAM-4의대역폭이줄어듬 따라서두개방법사이에차이가있고, 실세계의제한적요소들을고려하지않으면측정결과와시뮬레이션결과가상이할수있다. 시뮬레이션또는측정결과중어느하나에기반하는결론은설계와검증단계의데이터가서로일치하지않으므로아무런의미가없다. 3. 성공적인 PAM-4 디자인 NRZ 디자인이다년간의지식이축적된것과다르게, 설계및검증팀은기존디자인을점진적으로변경하여더우수한성능을달성할수있게했다. 그러나 PAM-4의다단계신호를처리하기위해송신기와리시버구조가복잡해졌고, 이는장치와시스템수준에서설계, 시뮬레이션, 특성화, 검증작업이진행되는방법을바꾸어놓았다. 기존에는시뮬레이션 ( 설계 ) 과측정 ( 검증 ) 을서로다른개발단계를통해별개의기능팀에서진행하였고, 동일한제품이라할지라도목적을달성하기위해여러가지방법론과도구에의지하는것이일반적이었다. PAM-4 신호는채널을통해전송될때신호왜곡으로인해항상신호손실상태 (Closed eye) 가된다. 시뮬레이션과측정환경모두에서이러한왜곡을되돌리고, 신호를복구하며, 아이를열기위해이퀄라이저를사용한다. 전통적으로설계환경에는다양한 EDA 도구와호환가능한 IBIS AMI 모델을사용했다. 반면, 이퀄라이저를이용하면측정시스템내에서측정이가능하다. 또한, 실험실측정시테스트픽스처, 케이블, 연결장치, RF 스위치, 테스트장비등과같이컴퓨터시뮬레이션에는보통존재하지않는잡음이종종발생한다. 실제상황의요구조건과차이에모두부합하는제품을개발하기위해서는실제잡음을모두고려하고효율적이고정밀한시뮬레이션과측정작업흐름을위해동일한분석방법을사용하는것이필수적이다. 설계와검증단계의차이를줄이고, 팀에서동일한참조데이터와분석방법론을사용하며, 동일한언어로의사소통함으로써더신속하게제품을출시할수있다. 4. 텍트로닉스의문제해결방안 1) 문제점검증단계에서최신 PAM-4 송신기 (Tx) 가포스트실리콘 (post-silicon) 테스트를통과하지못했고, 제품사양에부합하지못했다. 해당디자인은프리실리콘시뮬레이션에기반해승인되었고, 이때는제품사양을모두만족하는것으로나타났다. 정밀분석후다음과같이결과가도출되었다. 1) 시뮬레이션중송신기의출력이계산되었으나실험실검증중에는실제테스트조건에테스트픽스처, 연결장치, 케이블등의측정이간과되었고, 그결과지나치게낙관적인시뮬레이션결과가나오는데직접적인영향을미쳤다. 2) 표준리시버 () 이퀄라이저를이용해측정하기전신호를재생시킨다 ( 대부분의테스트에서일반적인조건 ). 반면, 설계팀은 IBIS AMI 이퀄라이저모델을이용해신호의시뮬레이션을진행하 2016. 6 111
특별기고 Low jitter clock source DUT Breakout TP1 TP2 Replica TP3 그림 2. 설계자는신호무결성측정을위해디바이스시험포인트 ( 파란색 ) 에서시뮬레이션을진행하였고, 검사자는픽스처와장비 ( 빨간색 ) 를추가하여신호를측정하였다. What the design engineer SIMULATION What the design engineer MEASURES PASS FAIL 그림 3. 테스트픽스처, 장비등의추가, 그리고서로다른 측정방법사용으로인해측정결과가설계시뮬레이션과일치하지않음 고평가하였다. (EDA 사용자에게일반적 ) 실험실에서의장비 Setup 은디바이스에서신호를 뽑아낼수있도록픽스처와커넥터를연결했다. 측정을 위해전기케이블이이테스트픽스처와오실로스코프를연결하는데사용되었다. 디바이스를연결하는 0.5m의 SMA 케이블이첫고조파에약 5dB의삽입손실을초래 112 계장기술
PAM4 의측정과시뮬레이션상관관계 SIMULATION Embed S-parameter, Transfer Function De-embed S-parameter, Transfer Function MEASUREMENT Compliance Cabel, Connectors, RF Switch, Probes Oscilloscope 그림 4. 텍트로닉스의측정솔루션으로설계자는실험실에서차후에승인받을때사용할수있는동일한테스트를수행할수있다. 했고, 테스트픽스처와더많은신호를특성화하기위해사용했을수있는 RF 스위치로인해더많은손실이추가되었다. 더욱이표준이퀄라이저는설계된 IBIS AMI 모델과다르게신호를처리한다. (1) 과 (2) 에의해디바이스는시험중아이높이와대역폭사양을만족시키지못했다. 2) 솔루션사전실리콘설계와분석단계에서텍트로닉스의최신분석및측정솔루션을통해고객이동일한테스트를다시진행했고, 차후에실험실에서승인을획득했다. 1 직렬데이터링크분석 (SDLS, Serial Data Link Analysis) Visualizer : 실시간오실로스코프의고속통신프로토콜용링크분석솔루션으로, 측정및시뮬레이션데이터활용시다음과같은특성이있다. 가상프로빙과 DSP 디임베딩 / 임베딩기술을이용해시각화할수있는필요한데이터를검색정밀한결과를얻기위해테스트설정 ( 케이블, 프로브, 픽스처등 ) 에의한영향을제거 / 포함하고있고, SDLA 는많은 P76xx, P75xx, P73xx 시리즈프로브모델과 DPO/DSA/MSO70K 시리즈오실 로스코프를자동으로식별하는기능제공 EDA 설계결과와호환가능한표준 모델과 ISIS-AMI 지원 2 DPOJET / PAM4 Analysis : 자동화된신호측정과특성화를수행한다. NRZ(DPOJET) 와 PAM- 4(PAM4 Analysis) 신호방식의정밀하고포괄적인지터와아이다이어그램분석을제공하고, 신호무결성조사를간소화하며, 고속시리얼디지털커뮤니케이션시스템설계를최적화한다. 프리셋구성과고급사용자를위한전체주문제작이가능한옵션을제공함으로써기존의수립된, 그리고새로등장하는표준 ( 전기와광학 ) 의폭넓은선택을지원한다. 3) 시뮬레이션 / 측정상관관계텍트로닉스솔루션의시뮬레이션 / 측정상관관계를입증하기위해 Cadence와 Sigrity TM SI/PI 분석도구를이용해작업을수행하였고, 그림 5와같이임베딩 (embedding) 과디임베딩 (De-embedding) S-매개변수가 Sigrity에포함되어있기때문에 는 IBIS-AMI 모델을통해시뮬레이션과측정경로모 2016. 6 113
특별기고 SIMULATION MEASUREMENT Compliance Cabel, Connectors, RF Switch, Probes Oscilloscope 그림 5 두에대해 Sigrity 기능을전달하여 이퀄라이져를수행할수있었다. 송신기속성데이터전송속도 : 25.78125GBd 신호방식 : PAM-4 Tx 이퀄라이저 5-tap FIR( 전조 1, 후조 3) 데이터패턴 : PRBS7 채널속성 IEEE 802.3bs 400 Gb 라이브러리 medium Reach/chip-to-chip 채널, 단일커넥터 삽입손실 : 18.2 db @ Fundamental 리시버속성자동이득제어 (AGC, Automatic Gain Control) 어댑티브 2극연속시간선형이퀄라이저 (CTLE, Continuous Time Linear Equalizer) 15-tap, Decision Feedback Equalizer (DFE) 아래그림은설계 / 시뮬레이션단계 (Design/Simu Lation phase) 와검증 / 특성화단계 (Validation/Charac terization phase) 간의결과적상관관계를보여준다. Before RX RX equalized 그림 6-a. 전후이퀄라이저를이용한아이다이어그램 114 계장기술
PAM4 의측정과시뮬레이션상관관계 Before RX RX equalized 그림 6-b. 전후측정아이다이어그램. PRELIMINARY CORRELATION Simulation Measurement 14.68 ps 49.35 mv 13.98 ps 13.74 ps 40.73 mv 26.23 mv 12.12 ps 32.03 mv Simulation Measurement 58.96 mv 60.830 mv -1.914 mv 846.3 V -58.95 mv -58.56 mv 그림 6-c. 시뮬레이션과측정시아이높이와대역폭 5. 요약 해야한다. 시뮬레이션 / 측정상관관계를파악하려면송신기 (Tx), 리시버 (), 채널의정확한모델링이필요하다. 또한표준채널, 케이블, 픽스처, RF 스위치등실제실험실시나리오에서신호에영향을받는모든것을고려 연결된각요소가받는영향을정량화하고, 모델을이용해시뮬레이션과측정작업흐름모두에이수치를포함시키면, 설계단계와검증단계사이의차이를줄일수있다. 결함을조기에발견하고해결할수있는것이다. 2016. 6 115