HPI-PR0290-001 C-4 超高速信号伝送技術 2013/07/02 富士通セミコンダクター株式会社 酒井 敏昭 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 1 HPI-PR0290-001 概要 1. 2. 3. 4. 5. 高速信号伝送の背景 高速信号伝送の背景 高速信号伝送の課題 伝送路での対応 回路技術での対応 まとめ Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 2 HPI-PR0290-001 概要 1. 2. 3. 4. 5. 高速信号伝送の背景 高速信号伝送の背景 高速信号伝送の課題 伝送路での対応 回路技術での対応 まとめ Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 3 HPI-PR0290-001 データ通信量の増大 データ通信量 [T-Byte/年 年] データ通信量は飛躍的 に伸び続けている。 ネット HD動画 動画 画像 メール 音声 デジタルLTE デジタル Zetta (1021) Byte Exa (1018) Byte Peta (1015) Byte メール 音声 デジタル2G デジタル 画像 メール 音声 デジタル3G デジタル 動画 画像 メール 音声 デジタル3.xG デジタル (出典 : Cisco Systems, Forecast and Methodology, 2012–2017 他) Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 4 HPI-PR0290-001 CPU周波数 周波数 [Hz], 信号線データレート [bps] PC : システム高速化と信号線データレート システム高速化と信号線データレート x12 x8 x4 10G x2-core Pentium 4 Pentium III 1G TB TB2 PCIe4 PCIe3 PCIe2 multi-core PCIeSATA 1394 Pentium Pro 100M Pentium i486 i386 10M 1985 PCI PCI SCSI 2 SCSI 1 1990 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED 1995 2000 CPU周波数は頭打ちだが、マル 周波数は頭打ちだが、マル チコア化で性能は継続して向上。 => それに伴い、信号のデータレー トも向上し続けている。 2005 2010 2015 TB:Thunderbolt 2020 page 5 HPI-PR0290-001 信号線データレート [Gbps] 高速インタフェース標準規格の動向 PC向けの高速インタフェースは、 向けの高速インタフェースは、 20Gbps位になろうとしている。 位になろうとしている。 TB2 TB1 PCIe4 SATA 6G PCIe3 USB3.x PCIe1 PCIe2 SATA 3G USB3.0 SATA 1.5G USB2.0 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 6 HPI-PR0290-001 ルータ内の信号伝送 ラインカードの”パネル ラインカードの パネル” パネル 48 x SFP+ 10Gbps x 48 = 480Gbps 4 x CFP 100Gbps x 4 = 400Gbps 32 x CFP4 100Gbps x 32 = 3.2Tbps 光ファイバ ルータ筐体 x CFP4) 8枚の場合 ラインカード(32 枚の場合 ラインカード 3.2Tbps x 8 = 25.6Tbps → 1024 リンク @25Gbps → 差動, 信号線 差動 双方向 4096信号線 バックプレーン ラインカード LSI LSI ラインカード ..... ..... LSI LSI バックプレーン LSI LSI スイッチカード スイッチカード Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 7 HPI-PR0290-001 高速インタフェース標準規格の動向 ネットワーク向けの高速インタフェースは、 更なる高速化に向かっている。 信号線データレート [Gbps] 100 CEI-56G CEI-28G TB2 10 XFI CEI-11G CEI-6G SFI-5.1 1 2000 PCIe1 PCIe2 SATA 3G TB1 PCIe4 SATA 6G PCIe3 USB3.x USB3.0 SATA 1.5G USB2.0 2005 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED 2010 2015 2020 page 8 HPI-PR0290-001 実効データ伝送量 [Gbps/リンク リンク リンク,片方向 片方向 片方向] 高速信号リンク数とバンド幅 10Tbps 100Tbps これは、損失が 大きいと厳しい。 この領域になると 発熱が厳しい。 CEI-28G x256 CEI-28G x1 PCIe4 x16 PCIe4 x1 PCIe3 x1 PCIe3 x16 現在対応可能な領域 現在対応可能な領域 (1-chip) 10Gbps 100Gbps 1Tbps これは、厳しい。 (die-to-dieの領域 の領域) の領域 差動,全 全2重 重: 4ピン ピン/リンク 差動 ピン リンク 高速信号リンク数 伝送路損失と消費電力の考慮は必須。 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 9 HPI-PR0290-001 概要 1. 2. 3. 4. 5. 高速信号伝送の背景 高速信号伝送の背景 高速信号伝送の課題 伝送路での対応 回路技術での対応 まとめ Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 10 HPI-PR0290-001 (用語説明 用語説明) とビットレート[bps]とは とは 用語説明 周波数[Hz] 周波数 とビットレート 周波数[Hz] 周波数 clock T: clock 周期 [sec] ｆ：周波数 = 1/T [Hz] T T ビットレート[bps] ビットレート data Tbit: 1 bit 時間 [sec] ビットレート = 1/Tbit [bps] Tbit x1/2 信号周波数[Hz]は、ビットレート 信号周波数 は、ビットレート[bps] は、ビットレート Tbit bps : bit per second Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 11 HPI-PR0290-001 (用語説明 用語説明) パラメータとは 用語説明 S-パラメータとは S21, S12 : 透過特性 b2 = S21a1 + S22a2 S11, S22 : 反射特性 反射特性 S21 a1 S11 b2 測定対象 (PCB,ケーブル等 ケーブル等) ケーブル等 b1 S22 a2 S12 b1 = S11a1 + S12a2 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED b1 b2 = S11 S12 S21 S22 x a1 a2 page 12 HPI-PR0290-001 (用語説明 用語説明) パラメータの例 用語説明 S-パラメータの例 x: linear y: linear 透過特性 S21: 透過特性 透過特性 S21: 透過特性 反射特性 S11: 反射特性 反射特性 S11: 反射特性 x: log y: log 反射特性 S11: 反射特性 x軸 軸: 周波数 [GHz] y軸 軸: S11, S21 いずれも、全く同じもの。 x: linear y: log 透過特性 S21: 透過特性 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 13 HPI-PR0290-001 伝送路損失の問題 伝送路損失の問題 送信側 受信側 受信側 バックプレーン コネクタ カード 受信側信号 受信側信号 受信側信号 受信側信号 送信側信号 ここで信号を受けられる (eye opening) 損失が大きいと、eye 損失が大きいと、eye openingが openingが 小さくなる。 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED 損失が更に大きいと、eye 損失が更に大きいと、eye openingが無く openingが無く なり、そのままでは信号 なり、そのままでは信号を受けられない ままでは信号を受けられない page 14 HPI-PR0290-001 ジッタ の分類と対策 分類方法は、多少違う事が有ります。 Total Jitter (TJ) Random Jitter (RJ) Deterministic Jitter (DJ) 素子起因等 Data Dependent Jitter (DDJ) Bounded uncorrelated Jitter (BUJ) 回路設計 クロストーク等 Duty Cycle Distortion (DCD) Intersymbol Interference (ISI) しきい値のずれ 伝送路の帯域不足 インピーダンス不整合 回路設計 伝送路改良 ISI補償 補償 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED Periodic Jitter (PJ) ISI対策 対策 反射対策 帯域下げる 伝送路改良 Non Periodic Jitter (NPJ) クロストーク対策 伝送路改良 クロストーク 低減(回路 低減 回路) 回路 反射低減 反射低減 (回路 回路) 回路 page 15 HPI-PR0290-001 符号間干渉 (ISI) 損失が小さければ、、、 周波数が低いとfull振幅できる。 周波数が低いと 振幅できる。 “0/1”判定 判定 容易 “0101” (325MHz,10dB) ” ”1” ” “0” ” ”1” “0/1”判定 判定 容易 ” “0” PRBS11 (5GHz,1dB) ” ”1” 損失が大きいと、、、 周波数が高いとfull振幅 周波数が高いと 振幅できない。 振幅できない。 ” ”1” “0/1”判定 判定 容易 “0101” (5GHz,10dB) ” “0” “0/1”判定 判定 困難 PRBS11 (5GHz,10dB) ” “0” 損失が更に大きいと、、、 高周波損失により、 前や更に前の信号の状態 高周波損失により、1bit前や更に 損失により、 前や更に前の信号の状態 によってレベルが変わってしまう。特にデータパ によってレベルが変わってしまう。特にデータパ ターンでは、損失が大きいと 判定が困難／ ターンでは、損失が大きいと”0/1”判定が困難／ では、損失が大きいと 不可になる。 不可になる。 ISI : Inter Symbol Interference Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED ” ”1” “0/1”判定 判定 不可 PRBS11 (5GHz,20dB) “0” ” page 16 HPI-PR0290-001 概要 1. 2. 3. 4. 5. 高速信号伝送の背景 高速信号伝送の背景 高速信号伝送の課題 伝送路での対応 回路技術での対応 まとめ Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 17 HPI-PR0290-001 1 伝送路での対策 伝送路での対策 (材料) 材料) PCB配線 配線の損失 コネクタ, 等は含まず。) 配線の損失 (コネクタ コネクタ via等は含まず。 等は含まず。 800mV 30cm 低損失 30cm legacy 96mV short reach) 短距離(SR: 短距離 なら、”legacy”でも使える。 でも使える。 なら、 loss [dB] 48mV 1m 低損失 6dB 11mV 10Gbps 32mV 8mV 1m legacy 損失が多き過ぎ 使用困難 80mV 28Gbps long reach)では、 長距離(LR: では、 長距離 10Gbpsだと、 だと、”legacy”でも使えた でも使えた だと、 が28Gbpsでは使い物にならない。 では使い物にならない。 0.5mV 26dB コストが上がるが、低損失基板が必須。 frequency [GHz] Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 18 HPI-PR0290-001 2 伝送路での対策 伝送路での対策( 対策(例) 反射対策例 信号 角の部分の寄生容量が他 の部分より大きい為、イン ピーダンスの不整合が発 生し、反射を起こす。 45 ° 設計ルールで対応可能 設計ルールで対応可能 他にも、ミアンダ配線を避ける、差動 配線のバランスを取る、インピーダン ス整合を行う等々。 反射 90度の 90度の折り曲げを行わない 度の折り曲げを行わない。 折り曲げを行わない。 角を削る。 寄生容量が付き、かつ開放端 で反射が起きるスタブ部分を バックドリルで削る。 コストが上昇するが、 コストが上昇するが、 周波数が高くなると必須。 欠点 コストが上昇 スタブを避ける為、貫通VIAの無い構造の基板を の無い構造の基板を使う。 スタブを避ける為、貫通 の無い構造の基板を使う。 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 19 HPI-PR0290-001 2 伝送路での対策 伝送路での対策( 対策(例) クロストーク対策例 外来ノイズ 相互 インダクタンス 結合容量 - 差動対間の間隔を広げる。 - 差動対間にシールドを入れる。 - 上下をシールドする。 欠点 - 配線密度の低下 - 基板層数の増加 - コストの上昇 差動対 差動対 GND plane via GND pattern Channel Channel コネクタ部分に コネクタ部分にも対策必要 部分にも対策必要。 も対策必要。 GND plane Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 20 HPI-PR0290-001 1 2 伝送路での対策で全て出来れば良い 伝送路での対策で全て出来れば良いが、、、 の対策で全て出来れば良いが、、、 伝送路の損失を抑えようとすると、 - PCBで損失の小さいもの で損失の小さいもの(低誘電率材料 で損失の小さいもの 低誘電率材料)は高価 低誘電率材料 は高価 - ケーブルで損失の小さいものは高価 - コネクタで損失の小さいものは高価 コネクタで損失の小さいものは高価 - そして、損失を下げられる限度もある。 そして、損失を下げられる限度もある。 伝送路の設計技術の進歩で昔よりは改善されている。 伝送路の設計技術の進歩で昔よりは改善されている。 しかし、コストを(余りに しかし、コストを 余りに)上げる 余りに 上げるような方法 上げるような方法は取り難い。 ような方法は取り難い。 回路技術での補償が必須。 回路技術での補償が必須。 - “ある程度 ある程度”の ある程度 の範囲であれば、コストを上げないで済む。 : power integrity)の考慮も必須。 電源品質(PI の考慮も必須。 電源品質 伝送速度が上がると、より厳しくなる。 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 21 HPI-PR0290-001 概要 1. 2. 3. 4. 5. 高速信号伝送の背景 高速信号伝送の背景 高速信号伝送の課題 伝送路での対応 回路技術での対応 まとめ Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 22 HPI-PR0290-001 3 4 5 伝送路損失の補償 伝送路損失の補償 送信側 受信側 パッケージ/ パッケージ コネクタ Tx 伝送路 パッケージ/ パッケージ コネクタ PCB, cable Rx 伝送路での信号品質劣化 伝送路での信号品質劣化 減衰(損失 減衰 損失)、符号間干渉、反射、クロストーク。。。 損失 、符号間干渉、反射、クロストーク。。。 反射 アナログ回路 損失 損失/反射 反射 アナログ回路 損失 1. リニア・イコライザ *1 2. DFE *2 プリエンファシス 周波数 *1 : CTLE (Continuous Time Linear Equalizer 連続時間線形等化器)とも言う。 連続時間線形等化器 とも言う。 *2 : DFE (Decision Feedback Equalizer 判定帰還型等化器) 判定帰還型等化器 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 23 HPI-PR0290-001 3 5 4 伝送路損失の補償 伝送路損失の補償 こういう補償が出来れば。 この程度しか補償できないと。 補償特性 補償特性 補償後の特性 補償後の特性 伝送路特性 伝送路特性 良好な伝送ができる。 少しマシだが、ショボショボ な伝送しか出来ない。 でも、、、 伝送路特性がいつも 判っている訳では無い。 伝送路特性が判ってい ても補償が出来るとは限 らない。 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED 高度な補償をしようとし ても、消費電力や面積 の制約で出来ない。 伝送路の特性(種類 伝送路の特性 種類)が 種類 が 非常に多い。温度や湿 度で変化する事もある。 各種の補償(回路 各種の補償 回路)技術を適用し、 回路 技術を適用し、 もっとマシな伝送を目指す。 page 24 HPI-PR0290-001 3 プリエンファシス( プリエンファシス(送信側) 送信側) ここを補償する。 data プリエンファシス回路 Vi a0 Vo Z-1 a1 + 伝送路 適度に補償 Z-1 a2 Vo(t0) = a0 * Vi(t0) +a1 * Vi(t-1) +a2 * Vi(t-2) 補償し過ぎ 伝送路特性が既知: それに従った係数を設定。(pre-set) 伝送路特性が既知 それに従った係数を設定。 伝送路特性が不明: 伝送路特性が不明 受信側からのフィードバック情報を元に 係数を決める。(10G-KR等 等) 係数を決める。 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 25 HPI-PR0290-001 3 プリエンファシスの例 PE なし 信号の周波数成 分 送信側 パワー 電圧 電圧 受信側 時間 時間 PE あり 周波数 高周波側で減衰している。 => eyeが小さくなる。 が小さくなる。 送信側 電圧 電圧 パワー 受信側 時間 周波数 高周波成分を強調 高周波成分を強調 時間 PE : Pre-Emphasis Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED 高周波側で減衰が小さい。 高周波側で減衰が小さい。 => eyeが大きくなる。 が大きくなる。 page 26 HPI-PR0290-001 3 プリエンファシスの プリエンファシスの課題/ 課題/限界 ■高データレートでは， 高データレートでは，高周波成分の強調 元々目一杯の振幅。) 高データレートでは，高周波成分の強調は難しい 高周波成分の強調は難しい。 は難しい。(元々目一杯の振幅。 元々目一杯の振幅。 ■実際には 実際には低周波成分を減衰 実際には低周波成分を減衰させ，相対的に高周波成分を強調 低周波成分を減衰させ，相対的に高周波成分を強調。 させ，相対的に高周波成分を強調。 (これを特にデエンファシスとも呼ぶ。 これを特にデエンファシスとも呼ぶ。) これを特にデエンファシスとも呼ぶ。 ”目一杯 目一杯”の 目一杯 の 高周波成分の強調 信号振幅 電圧 伝送路特性 減衰後の 信号振幅 伝送後の 特性 周波数 低周波成分を減衰 伝送路特性 伝送後の 特性 時間 周波数 減衰量は損失と共に増加 減衰量は損失と共に増加 信号振幅が小さくなる(損失が大きい時に顕在化 信号振幅が小さくなる 損失が大きい時に顕在化) 損失が大きい時に顕在化 - 余りに小さくなると受信できなくなる。(限界 余りに小さくなると受信できなくなる。 限界) 限界 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 27 HPI-PR0290-001 4 リニアイコライザ (受信側) 受信側) Rx入力 入力 Tx出力 出力 イコライザ イコライザに入るノイズ もそのまま増幅してしまう。 out 伝送路 out in in Offset cancel Vc1 Vb Vc2 イコライザ特性 伝送路での高周波損失 をイコライザで補償 イコライザ出力 電圧 伝送路特性 電圧 伝達特性 イコライザ入力 周波数 時間 時間 符号間干渉(ISI)によりアイ によりアイ開口部が無い 符号間干渉 によりアイ開口部が無い 信号でも、受信側でイコライザ を 信号でも、受信側でイコライザ(CTLE)を でも、受信側でイコライザ 適切に使う事により受信可能。 適切に使う事により受信可能。 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED イコライザ特性の選択は、周波数が低い場合 には”pre-set(既定値 既定値)”で済むが、高い場合に には 既定値 で済むが、高い場合に は”adaptive(適応 適応)”に行う必要がある。 適応 に行う必要がある。 CTLE : Continuous Time Linear Equalizer page 28 HPI-PR0290-001 DFEの原理 の原理 5 sampler CTLE 伝送路 DFE (decision) Vi + Vo この部分の遅延時 間が設計的には厳 しい。 Rx入力 入力 Vo(t0) = Vi(t0) +a1 * d(t-1) +a2 * d(t-2) +a3 * d(t-3) フィードバック係数は、受 信データのeye 信データの openingを元に動的 を元に動的(基 を元に動的 基 本は自動)に決める。 本は自動 に決める。 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED a1 a2 Z-1 Z-1 Z-1 a3 page 29 HPI-PR0290-001 DFE (1-tap, impulse応答 応答) 応答 5 Vi + Vo Z-1 a1 Z-1 a2 Z-1 a3 Vo(t0) = Vi(t0) +a1 * d(t-1) 信号より『 信号より『前』の部分は補 償出来ない。 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 30 HPI-PR0290-001 DFE (3-tap, impulse応答 応答) 応答 5 Vi + Vo Z-1 a1 Z-1 a2 Z-1 a3 Vo(t0) = Vi(t0) +a1 * d(t-1) +a2 * d(t-2) +a3 * d(t-3) ISI(符号間干渉 符号間干渉)は、 符号間干渉 は、tap は、 数を増やせば、より補償 出来る。 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 31 HPI-PR0290-001 DFE (5-tap, impulse応答 応答) 応答 5 Vi + Vo Z-1 a1 Z-1 a2 Z-1 a3 Z-1 a4 a5 Z-1 Vo(t0) = Vi(t0) +a1 * d(t-1) +a2 * d(t-2) +a3 * d(t-3) +a4 * d(t-4) +a5 * d(t-5) 5-tapでも でもISIは、残存。 でも は、残存。 tap数をもっと増やせば、 数をもっと増やせば、 補償出来る。 => 電力や面積と残存ISI 電力や面積と残存 との兼ね合いで決める。 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 32 HPI-PR0290-001 DFE (5-tap, impulse応答 応答) 応答 5 Vi + Vo 前ページの範囲 Z-1 a1 Z-1 a2 Z-1 a3 Z-1 a4 a5 Z-1 Vo(t0) = Vi(t0) +a1 * d(t-1) +a2 * d(t-2) +a3 * d(t-3) +a4 * d(t-4) +a5 * d(t-5) Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 33 HPI-PR0290-001 DFE (5-tap, impulse応答 応答) 応答 5 Vi + Vo 前ページの範囲 Z-1 a1 Z-1 a2 -1 Z こんな所にまだ反射 の影響が残っている。 a3 Z-1 a4 a5 Vo(t0) = Vi(t0) +a1 * d(t-1) +a2 * d(t-2) +a3 * d(t-3) +a4 * d(t-4) +a5 * d(t-5) .... +am * d(t-m) am Z-1 Z-1 でも、ここら辺は補償の 必要は無さそう。 => 無駄に、電力と面積 を喰いそう。 tap数をどんどん増やせば良い 数をどんどん増やせば良い? 数をどんどん増やせば良い Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 34 HPI-PR0290-001 5 DFE (5-tap+floating-tap, impulse応答 応答) 応答 Vi + Vo Z-1 a1 Z-1 a2 -1 Z こんな所にまだ反射 の影響が残っている。 a3 Z-1 a4 Vo(t0) = Vi(t0) +a1 * d(t-1) +a2 * d(t-2) +a3 * d(t-3) +a4 * d(t-4) +a5 * d(t-5) +am * d(t-m) a5 am Z-1 Z-m 可変 delay(Z-m)の の”floatingtap”で対応する。 で対応する。 でも、ここら辺は補償の 必要は無さそう。 => ここは、飛ばして必 要な所だけを補償する。 必要なら”floating-tap”の数を増やす。 の数を増やす。 必要なら それでも、消費電力、面積、寄生容量等で限界はある。 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 35 HPI-PR0290-001 3 4 5 6 補償回路 : アナログ と デジタル 受信側 : アナログ補償 送信側 : アナログ補償 CTLE DFE digital tap数を増やそうとすると、色々 数を増やそうとすると、色々 と難しくなる。 - 消費電力,面積 消費電力 面積,寄生容量 面積 寄生容量 pre-emphasis 伝送路 analog 制御 driver 主信号より『 も 主信号より『前』のISIも 補償出来る。 受信側 : アナログ補償 アナログ補償 + デジタル補償 送信側 : アナログ補償 CTLE FFE pre-emphasis 伝送路 高速 ADC driver DFE 制御 受信側 : アナログ補償 + デジタル補償 デジタル補償 送信側 : アナログ補償 CTLE FFE pre-emphasis 伝送路 高速 ADC driver digitalの方が扱いやすい。 の方が扱いやすい。 tap数も増やせる。 数も増やせる。 DFE 制御 プロセステクノロジが進む と、digital部分は小さくで 部分は小さくで と、 きる.(消費電力も減る。 きる 消費電力も減る。) 消費電力も減る。 『ADC + 完全デジタル補償』 完全デジタル補償』もあり得るが、消費電力／面積の点で アナログ補償(CTLE)を付けた方が、当面は有利。 を付けた方が、当面は有利。 アナログ補償 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 36 HPI-PR0290-001 7 多値化技術 多値化技術 PAM : Pulse Amplitude Modulation タイミング方向 (周波数 周波数 x1/2) 2PAM (2値 値) 4PAM (4値 値) 11 1 10 01 00 周波数が がx1/2で、損失が で、損失がx1/3(-9.5dB) 周波数 で、損失が 以下なら、4PAMが が有効(なはず 以下なら、 有効 なはず)。 なはず 。 振幅方向 (電圧 電圧 x1/3) - 5Gbpsから提案され始めた。 から提案され始めた。 - 25〜 〜28Gbpsの規格でもまだ使われてない の規格でもまだ使われてない。 の規格でもまだ使われてない。 - 25Gbpsの のLR(long reach)で検討中。 で検討中。 - 回路量、消費電力、相互接続性等も課題。 回路量、消費電力、相互接続性等も課題。 受信側は、アナログ補償 受信側は、アナログ補償 + + デジタル補償 高速ADC 高速 で構成。 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED CTLE FFE 高速 ADC DFE 制御 伝送路損失 0 周波数 x1/2 4PAM 損失 x1/3 (9.5dB) f/2 2PAM f 周波数 page 37 HPI-PR0290-001 7 8 さらに多値の伝送 レベルを増やすと、周 波数が下がり、損失も 下がる。 損失 2値 値 但し、電圧方向はどんど ん厳しくなる。(限界 ん厳しくなる。 限界) 限界 (2PAM) 8値 値, 16値等になると、送 値等になると、送 信側の構成も変わる。 4値 値 (4PAM) 1 f/8 f/4 f/2 f 周波数 2 3 レベル (bit) 4 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED 16値 値 8値 値 (16PAM) (8PAM) page 38 HPI-PR0290-001 7 8 受信側 : アナログ補償 + デジタル補償 デジタル補償 送信側 : アナログ補償 CTLE 4PAMであれば、送信 であれば、送信 側はアナログ補償でも 可。(周波数にもよる。 可。 周波数にもよる。) 周波数にもよる。 FFE pre-emphasis 伝送路 高速 ADC driver 送信側 : デジタル補償 受信側 : アナログ補償 + デジタル補償 デジタル補償 CTLE FFE 高速 DAC DFE 制御 FFE 伝送路 高速 ADC 送信側 : デジタル補償 DFE 制御 受信側 : デジタル補償 FFE 変調 FFE 復調 高速 DAC 8PAM等になると、送 等になると、送 信側でもデジタル補償 が必要。 伝送路 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED 高速 ADC DFE 更に、周波数が高くな る、変調が高度になる と、受信側も全部デジ タル補償に。 制御 page 39 HPI-PR0290-001 8 9 さらに、その先は？ 1. 変調方式(無線で使われている技術等 変調方式 無線で使われている技術等) 無線で使われている技術等 - QPSK, QAM, DMT... 多重度を上げて周波数を下げ、損失を減らす。 多重度を上げて周波数を下げ、損失を減らす。 遅延時間 遅延時間(レイテンシ 時間 レイテンシ)、実現させる為の レイテンシ 、実現させる為の回路量、消費電力 、実現させる為の回路量、消費電力 64QAM 16QAM 4QAM 2. エラー訂正技術(FEC) エラー訂正技術 “素”の が悪くても構わない。 良くできない。) “素”のBERが悪くても構わない ”の が悪くても構わない。(良くできない。 良くできない。 QPSK : Quadrature Phase Shit Keying QAM : Quadrature Amplitude Modulation DMT : Discrete Multi-Tone FEC : Forward Error Correction Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED BER @ FEC出力 出力 遅延時間、回路量、消費電力、データレートが 遅延時間、回路量、消費電力、データレートが(少し 電力、データレートが 少し) 少し 上がる。 BER @ FEC入力 入力 page 40 HPI-PR0290-001 8 信号1 信号1対で100Gbps 対で100Gbps以上の伝送 100Gbps以上の伝送 Tx parallel data Tx serial data constellation adding iFFT DAC mapping cyclic prefix >50GSa/s DMT : Discrete Multi-Tone ADSL で使われているモノと同じ変調方式。 >100Gbps 但し、1000倍以上の動作速度。 倍以上の動作速度。 但し、 equalization + constellation demapping FFT removing ADC cyclic prefix >50GSa/s Rx parallel data >100Gbps ADC/DACの超高速動作 の超高速動作(50~65GSa/s)が が の超高速動作 必要。 Rx serial data 64QAM 伝送路特性 パワー 周波数 信号を各サブキャリアに 割り振る。 4QAM パワー サブキャリア 16QAM 周波数 伝送路によっては特定周波数 の特性が悪い場合がある。 周波数 特性が悪い場合: 数を下げる。 特性が悪い場合 bit数を下げる。 特性が良い場合: 数を上げる。 特性が良い場合 bit数を上げる。 伝送路により、調整を行う。 出典 : IEEE802.3bm task force “Discrete Multi-tone Technology for 100G Ethernet (100GbE)”等を参考に作成。 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 41 HPI-PR0290-001 DMT: 1対で 対で100Gbps以上の伝送可能 以上の伝送可能 対で データレート [Gbps] 8 28G VSR 相当伝送路 64GSa/s CMOS DAC 64GSa/s CMOS ADC サブキャリア数 QAM64 QAM128 QAM32 10Gbps向けの安価な光 向けの安価な光 モジュールで>100Gbps モジュールで の送受信も可能に。 bit数 数 特性が余り良くないサブキャリ アは低いbit数で変調。 アは低い 数で変調。 光ファイバ （SMF,2km) E/O変換 変換 Tx parallel data Tx serial data constellation mapping iFFT adding cyclic prefix DAC >50GSa/s 特性がダメなサブキャリア は使わない。 反射、共振等のある周 波数を回避出来る。 equalization + constellation demapping FFT removing cyclic prefix ADC >100Gbps >100Gbps >50GSa/s Rx parallel data Rx serial data O/E変換 変換 出典 : IEEE802.3bm task force “Discrete Multi-tone Technology for 100G Ethernet (100GbE)”等を参考に作成。 サブキャリア Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED www.fujitsu.com/global/news/pr/archives/month/2013/20130314-02.html page 42 HPI-PR0290-001 エラー訂正 9 伝送速度が上がり、伝送路の損失が大きくなる。 => 伝送路／補償回路の改良を行っても、BERを下げきれない。 を下げきれない。 伝送路／補償回路の改良を行っても、 但し、 (1) latency(遅延時間 遅延時間)が増える。 遅延時間 が増える。 (2) data rateが が(少し 少し)増える。 少し 増える。 (3) 回路量が増える。消費電力が増える。 対策は、 (1) ロジックのクロックを上げる。回路の改良。 (2) それ以上の利点有り。 (3) プロセステクノロジの進歩と共に軽減。 BER @ FEC出力 出力 伝送するデータに誤り訂正符号を付加する。 FEC : Forward Error Correction 単純な Reed Solomon code 10-4程度のBERが が10-15に改善 程度の BER @ FEC入力 入力 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 43 HPI-PR0290-001 電気伝送と光伝送 10 50mm ラインカード 1.4dB 1.9dB 2.3B 3.4dB 500mm LSI 13.5dB 低損失 18.6dB ~500mm 22.9dB legacy ~125mm 31.4dB 光モジュール ラインカード 光モジュール アレイ ~50mm 光ファイバ LSIの近傍 の近傍(~50mm)で、光 で、光 の近傍 で、光電気変換を行えば、損失 の大きいボード上での引き回しが短くなり、損失が減る。 - 高価な基板材料が必要無い。 - 高い周波数への対応も可能。 LSI さらに、パッケージ(PKG)内部での変換、チップ上 内部での変換、チップ上 さらに、パッケージ (cip-on-chip)での変換を行えば損失は小さくできる。 での変換を行えば損失は小さくできる。 光変換後は、多重化(DWM)等が使える。 等が使える。 光変換後は、多重化 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 44 HPI-PR0290-001 10 電気伝送と光伝送の動向 光伝送 データセンタ間 0.1km~10km 10G 40G 100G 400G フロア間 0.1km~10km 10G 40G 100G 400G ラック間 5m~100m 3.125G 5~6G 10G 20G 25G 100G 電気伝送 境界領域 シャーシ内 1m~10m 3.125G 5~6G 10G 20G 25G 50G バックプレーン 50cm~1m 3.125G 5~6G 10G 20G 25G 50G 3.125G 5~6G 10G 15~20G 28G 56G チップ間 1~50cm 2005 2010 2015 [IEEE ISSCC 2006 ATAC Design Forum Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED を参考に作成] page 45 HPI-PR0290-001 伝送速度向上の対策 1 基板材料改良 2 設計基準, 改良, 設計基準 VIA改良 改良 コネクタ改良 3 プリエンファシス 4 CTLE (アナログ アナログ) アナログ 5 DFE (アナログ アナログ) アナログ 6 ADC + FFE (デジタル デジタル)+ デジタル) デジタル DFE (デジタル デジタル 7 多値化 8 変調方式 9 誤り訂正符号化 10 タップ数増 “pre-set” “adaptive” タップ数増 タップ数増 “floating-tap” タップ数増 PAM4 DMT FEC 光伝送との組み合わせ データレート [Gbps] Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED PAM8 2.5~3.2 近傍 5~6.4 10~11 25~28 56 PKG chip WDM >100 page 46 HPI-PR0290-001 伝送路損失と補償 800mV PE + CTLE 252mV CAUI 28G-VSR 28G-SR 80mV 45mV 10GKR 25G-LR 25mV 802.3bj 100GKR4 (w/ FEC) 14mV 8mV 損失が多き過ぎ 使用困難 (x1/2 of data rate [Gbps]) 出典 : IEEE802.3ap-2007, ba-2010, OIF-CEI-3.0 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED 20120221_25Gbps1_Diminico.pdf Baseline Proposal for 100G Backplane Specification: dudek_01_0112 を参考に作成 page 47 HPI-PR0290-001 概要 1. 2. 3. 4. 5. 高速信号伝送の背景 高速信号伝送の背景 高速信号伝送の課題 伝送路での対応 回路技術での対応 まとめ Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 48 HPI-PR0290-001 まとめ ◆ハイエンドシステムでは、バンド幅への要求が引き続き向上 ハイエンドシステムでは、バンド幅への要求が引き続き向上 し、高速伝送の速度向上要求が強い。 ◆25Gbpsレベルの レベルの伝送は、信号 伝送は、信号補償技術と伝送路技術の進 レベルの 伝送は、信号 補償技術と伝送路技術の進 歩に伴い実用化されている 歩に伴い実用化されている。 伴い実用化されている。 ◆各種 各種の補償技術、符号化 各種の補償技術、符号化、誤り の補償技術、符号化、誤り訂正等 、誤り訂正等の採用で電気伝送の 訂正等の採用で電気伝送の 限界は上げられる。 ◆損失が大きい伝送路では、電気伝送の限界が見えだしてい 損失が大きい伝送路では、電気伝送の限界が見えだしてい る。 ◆電気伝送と光伝送と 電気伝送と光伝送との選択は、コストや消費 電気伝送と光伝送との選択は、コストや消費電力等での の選択は、コストや消費電力等でのトレ 電力等でのトレ ードオフ。その境界は変わりつつある。 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED page 49 HPI-PR0290-001 Copyright 2013 FUJITSU SEMICONDUCTOR LIMITED 50
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