Hoge signaalintegriteit maakt terabits per seconde mogelijk
In de ‘connected’ samenleving transporteren we steeds meer informatie en dat moet ook nog eens steeds sneller. Ontwikkelingen als de toenemende digitalisering en de bijbehorende security, smart industry, en de enorme groei van cloudtoepassingen en datacenters genereren een toenemende behoefte aan hoge datasnelheden. Ook andere trends, zoals meer online communicatie en thuiswerken zorgen voor meer honger naar bandbreedte. Maar de grenzen van de fysieke mogelijkheden zijn in zicht en natuurwetten laten zich niet dwingen. Hoe bewaken we de signaalintegriteit en realiseren we toch hoge snelheden – binnen acceptabele projectbudgetten?
Datatransport begint en eindigt elektrisch
Veruit de beste manier om snel grote hoeveelheden data te transporteren is met licht. Communicatie via glasvezelkabels biedt duizelingwekkende snelheden, in testsituaties zelfs al honderden Terabits per seconde, en het energieverlies in glasvezels is minimaal. Licht is daardoor de ideale overbrenger. De reis van data begint en eindigt echter altijd elektrisch – tientallen centimeters met allerlei hobbels en overgangen. En dat is waar de bottleneck van bandbreedte ligt.
Terabit Ethernet
Ethernetstandaarden boven de 100 Gbit/s worden algemeen aangeduid met “Terabit Ethernet”. Deze bit rates worden bereikt door het product van drie factoren: baudrate, bit stacking en meerdere lanes. Ter illustratie: een vrachtwagen vol dubbelzijdig bedrukt papier bevat ongeveer 25 miljard cijfers. Met 160 km/u komt er elke seconde één vrachtwagen voorbij: een baudrate van 25 Gbaud. Door niet alleen de cijfers 0 en 1 (NRZ), maar ook 2 en 3 (PAM4) te gebruiken, kunnen we twee bits tegelijk versturen: 50 Gbit/s per rijstrook. Met een achtbaansweg komen we dan op 400 Gbit/s totaal – momenteel de snelste Ethernetstandaard.
High-speed transport van data via elektrische verbindingen heeft vele uitdagingen. Idealiter verstuur je nullen en enen door lage respectievelijk hoge spanning op een draad te zetten. Aan het andere uiteinde van de draad staat precies dezelfde spanning en zo komt alle informatie heelhuids aan – idealiter. De werkelijkheid is een stuk weerbarstiger. Hoe sneller de bits achter elkaar komen, hoe meer het signaal zich gaat gedragen als een elektromagnetische golf. Bochten, laagwissels en connectors zorgen voor echo’s of reflecties, waardoor opeenvolgende bits elkaar verstoren. De snelle spanningswisselingen voor de nullen en enen gaan gedeeltelijk verloren in de vorm van warmte. Bovendien kunnen ze naburige sporen verstoren met overspraak of crosstalk. Al deze effecten zorgen ervoor dat het voor de ontvanger steeds moeilijker wordt om het onderscheid tussen nullen en enen te maken. De combinatie van deze (en meer) eigenschappen bepaalt de Signal Integrity (SI) van een verbinding.
Het ontwerp van een high-speed systeem heeft op allerlei manieren positieve en negatieve invloed op de SI. Denk bijvoorbeeld aan de lengte, de vorm en de onderlinge afstand van de sporen, de gebruikte connectoren, de mix van serieel en parallel, en de kwaliteit van de voedingsspanning (Power Integrity of PI). En dan hebben we het nog niet over omgevingsfactoren tijdens gebruik, zoals temperatuur (ook het systeem zelf genereert warmte) en vochtigheid. Of het feit dat geen chip of printplaat precies hetzelfde is. In totaal zijn er meer dan twintig ontwerpbare onderdelen die van invloed kunnen zijn op de SI en de PI. Dat zijn veel knoppen om aan te (leren) draaien – en elke individuele knop is al een promotieonderzoek waard!
Case: Meedenken over IC packaging
Amsterdam Scientific Instruments maakt camerasystemen met sensor-chips op basis van CERN technologie. Om het actieve oppervlak van de sensor te vergroten schakelen ze van wire bonding over op Through Silicon Vias (TSV’s). Dit stelt ook eisen aan de chip packaging en de signaal-distributie in de chip package: een enkele rij via’s moet met dunne spoortjes worden verbonden met een vierkant Ball Grid Array (BGA). De Signal Integrity (SI) van de data moet kloppen, net als de Power Integrity (PI) van de voeding en de warmte huishouding (thermal management). Alles met een enkellaags ontwerp, vanwege de technologische eisen. Technolution verifieerde het ontwerp op SI en PI.
“We hebben nu de zekerheid waar we naar op zoek waren. De samenwerking met Technolution was efficiënt: er waren al snel eerste resultaten. Alles wat verder relevant leek hebben we iteratief gesimuleerd.”
Simuleren, meten en demonstreren
Bij Technolution Advance in Gouda ontwikkelen we al jaren high-speed toepassingen voor onze klanten. We combineren deze waardevolle praktijkervaring met eigen onderzoek naar de optimalisatie van de SI/PI van elektrische dataverbindingen. De nieuwe kennis en inzichten die dit oplevert, delen wij weer met onze klanten, zodat zij voorop blijven lopen in hun innovaties.
Voor het onderzoek naar high-speed verbindingen werken we onder meer met simulaties. Deze bieden inzicht en de mogelijkheid om gevoeligheidsanalyses te doen die onmogelijk zijn in metingen. Aan de hand van de wetten van Maxwell over elektromagnetisme kan een simulator uitrekenen wat het gedrag van een printplaat en connectoren zal zijn. Modellen van chips bepalen of bits intact aankomen op hun bestemming. Dankzij deze simulaties kunnen we van tevoren, pre-layout, bepalen wat een goede architectuur is en welke connectoren en welk type printmateriaal we moeten gebruiken. Ook achteraf, post-layout, gebruiken we simulaties om te controleren of de gerealiseerde architectuur nog steeds voldoende SI biedt. Met metingen controleren we of onze simulaties de juiste fysieke factoren meenemen, waardoor de betrouwbaarheid van de simulaties na elke meting groeit.
Om de theorie grondig te toetsen, ontwikkelen wij demonstratieprojecten. We werken hiervoor onder meer met een FPGA-gebaseerde demonstrator die tot 50 Gbit/s per ‘lane’ kan transporteren. De FPGA kan de SI op de chip visualiseren met een oogpatroon. Daarnaast ontwerpen we een ‘breadboard’, een grote printplaat met bijna 200 verschillende structuurtjes waarvan we de invloed op de SI willen onderzoeken. Het breadboard kunnen we koppelen aan de FPGA, zodat we daadwerkelijk de end-to-end SI kunnen meten. Als de simulatie correct is, komt het oogpatroon van de meting overeen met dat van de simulatie. Hiermee bepalen we onze best practices, die in een klantproject snel ingezet kunnen worden.
De juiste benadering
Bij Technolution Advance ondersteunen we opdrachtgevers en partners en denken we mee over de realisatie van betrouwbare oplossingen voor high-speed data. Als expert in high-speed elektronica, FPGA-ontwikkeling, embedded systemen en applicatiesoftware ontwikkelen we medische, cryptografische en diagnostische systemen voor Ethernet, PCIe, DDR, HDMI en andere seriële high-speed interfaces. In onze ervaring is het bij elk high-speed ontwikkelproject essentieel om Signal Integrity en Power Integrity vanaf het begin de juiste aandacht te geven, net als elektromagnetische compatibiliteit en produceerbaarheid. Met de juiste aanpak is het mogelijk om elektrische verbindingen te realiseren met terabitsnelheden.
Bij de zoektocht naar zulke hoge snelheden is het belangrijk om te zoeken naar een goede balans tussen theoretische modellering met simulaties aan de ene kant, en een pragmatische, resultaatgerichte aanpak aan de andere kant. Wij delen onze kennis en ervaring op dit gebied graag met klanten en partners in een context van co-creatie voor het gehele ontwikkeltraject. Van de spreekwoordelijke achterkant van het bierviltje tot het bepalen van de compliance-teststrategie van complexe apparatuur met high-speed dataverbindingen.