GHz世界中的速度加劇晶體信號(hào)問(wèn)題

一個(gè)動(dòng)態(tài)是技術(shù)市場(chǎng)不斷前進(jìn),處理器和端點(diǎn)外設(shè)控制器的速度始終更快,并且GHz時(shí)鐘是常態(tài),與此同時(shí),IC通過(guò)工藝縮小和更小的特征尺寸將更多的石英晶體管封裝到相同尺寸的芯片上,較小的晶體管在較低的電壓下工作,提供較低的輸出驅(qū)動(dòng)能力,并且無(wú)法沿長(zhǎng)或高阻抗線移動(dòng)信號(hào),在碰撞過(guò)程中有兩組動(dòng)力學(xué)在主板線,電纜,連接器和芯片組上經(jīng)常被忽視的技術(shù)細(xì)節(jié)-信號(hào)完整性-比以往任何時(shí)候都更加重要.

當(dāng)時(shí)鐘和開(kāi)關(guān)速度達(dá)到數(shù)百兆赫茲時(shí),在10/100以太網(wǎng),USB2.0,SCSI,PCI等標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)現(xiàn)的數(shù)字信號(hào)表現(xiàn)得如預(yù)期,并且系統(tǒng)按照規(guī)范運(yùn)行,將撥號(hào)盤旋轉(zhuǎn)到千兆赫范圍,晶振信號(hào)完整性成為設(shè)計(jì)師的主要問(wèn)題,較小的移動(dòng)設(shè)備塞滿了最新的高速處理器和I/O接口,再加上芯片縮小的千兆赫茲處理器和外設(shè),平均信號(hào)由于損耗,交叉耦合以及低成本的PCB和連接器而受到衰減消費(fèi)者價(jià)格點(diǎn).

解決這些技術(shù)挑戰(zhàn)的靈丹妙藥是轉(zhuǎn)發(fā)器或轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器設(shè)備,添加到信號(hào)通道的這種便宜的奇跡驅(qū)動(dòng)FR4上的更長(zhǎng)跡線,通過(guò)柔性/帶狀電纜,跨越背板,并在所有高速開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)接口中滿足眼圖邊緣,讓我們首先檢查創(chuàng)建信號(hào)完整性挑戰(zhàn)的動(dòng)態(tài),然后看看轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器如何解決石英晶體振蕩器信號(hào)完整性問(wèn)題,英特爾的路線圖體現(xiàn)了快速的芯片縮減,從2007年的45納米變?yōu)榻裉斓?/span>22納米(圖1),例如,Core Duo取代了流行的Pentium處理器,采用65nm光刻技術(shù),而今天的第4代Core i7(Haswell)器件則采用22nm工藝(圖2).

如圖3所示,從32nm的平面晶體管向更快的三維22nm三柵極(FinFET)MOSFET的移動(dòng)將柵極電壓降低了20％,降至0.8V左右,英特爾極小的22nmFinFET三維工藝封裝每立方芯片毫米更多晶體管,但工作柵極電壓降低了0.2V,這降低了20％,并且I/O的振蕩器輸出驅(qū)動(dòng)能力也相應(yīng)降低,如以太網(wǎng),PCIExpress,USB 3.0,SATA3.0,SAS2.0/3.0和DDR內(nèi)存,在三年內(nèi),英特爾預(yù)計(jì)到2019年將推出7納米晶體管,它們可能只需要今天的Vdd電壓,輸出驅(qū)動(dòng)能力將受到更大影響.

影響信號(hào)完整性的另一個(gè)動(dòng)態(tài)是從桌面計(jì)算到移動(dòng)設(shè)備的平臺(tái)競(jìng)爭(zhēng),其中平板電腦,智能手機(jī),2:1(平板電腦和獨(dú)立鍵盤)和可穿戴設(shè)備正在萎縮地縮小平臺(tái)及其內(nèi)部電路板,器件比以往任何時(shí)候都更接近,帶有短截線和埋入式過(guò)孔的多層板很難鋪設(shè)高扇出SoC和外圍設(shè)備,節(jié)省空間通常會(huì)在柔性電路甚至堆疊芯片多石英晶振模塊上安裝非平凡的IC-或者哪里有空位,在移動(dòng)平臺(tái)中,盡管外部尺寸較小,但可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)而中斷的走線長(zhǎng)度,路由占據(jù)了房地產(chǎn)的后座,如果完全考慮信號(hào)完整性通常是第三優(yōu)先級(jí).

移動(dòng)設(shè)備還有另一個(gè)獨(dú)特的挑戰(zhàn),即極其密集的微型母板和子板在窄間距軌跡上傳輸千兆赫信號(hào),由于接近和皮膚效應(yīng)會(huì)發(fā)生交叉耦合,在如此小的空間中,多個(gè)分布式時(shí)鐘線將拾取噪聲,因?yàn)樵?a title="時(shí)鐘晶體" target="_blank">時(shí)鐘晶體不能總是靠近收發(fā)器IC,從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)線上的隨機(jī)抖動(dòng),這種抖動(dòng)將與數(shù)據(jù)信號(hào)同時(shí)運(yùn)行,對(duì)FR4損耗和阻抗不匹配已經(jīng)不利影響的信號(hào)完整性產(chǎn)生不利影響.