English
version

Новости

10 января 2018

Электромагнитные перекрестные помехи: технические вызовы и тенденции

Магди Абадир, Вице-президент по маркетингу компании Helic, 10 января 2018 года — По мере развития передовых технологий и архитектур систем-на-кристалле (СнК) игнорирование электромагнитных перекрестных помех несёт всё большие риски, являясь причиной значительных задержек в своевременном выводе продуктов на рынок, а также приводит к превышению стоимости проектов над запланированными сметами. В этой статье представлено краткое изложение проблемы электромагнитных перекрестных помех в контексте современных дизайнов СнК.

Электромагнитные перекрестные помехи (ЭПП) — это нежелательное явление, возникающее, когда электрические и магнитные поля одного или нескольких сигналов (агрессоров) влияют на другой сигнал (жертву). Это явление также упоминается в литературе как ёмкостная связь (coupling) или шум (noise). Перекрестные помехи возникают посредством двух механизмов: электрическое поле вызывает ёмкостные перекрестные помехи, а магнитное поле — индуктивные перекрестные помехи.

Чтобы понять сложность анализа ЭПП, давайте рассмотрим его на контрасте с изучением ёмкостной связи в цифровых дизайнах с применением инструментов анализа шумов. Ёмкостная связь проявляется сильнее в непосредственной близости к сигнальным линиям и исчезает на больших расстояниях, поэтому инструменты анализа шумов могут игнорировать – и игнорируют – связь между сигнальными линиями, которые физически не примыкают друг к другу. Кроме того, эти инструменты полностью игнорируют индуктивную магнитную связь.

Анализ ЭПП — гораздо более сложная задача. Прежде всего, симптомы проблемы не упакованы аккуратно в одну метрику, такую как, например, ошибка синхронизации, — они проявляются в виде ухудшения каких-либо ключевых критериев производительности, которые варьируются от дизайна к дизайну. Первоначальная задача заключается в том, чтобы определить, что ошибка стала результатом ЭПП. Усложняет ситуацию то, что ЭПП включают в себя нежелательную связь между цифровыми и чувствительными аналоговыми и радиочастотными блоками, поэтому потенциальным агрессором или жертвой могут стать и те, и другие. В результате ЭПП необходимо идентифицировать и исправлять по-разному в разных проектах. До недавнего времени для нивелирования влияния ЭПП применялись различные архитектурные уловки на более высоких уровнях аппаратного или программного обеспечения, предотвращающие такие режимы работы, при которых возникают ЭПП. Однако такие уловки становятся финансово несостоятельными и технически нереализуемыми по мере того, как увеличивается сложность и скорость разработки проектов.

Основная проблема для разработчиков, связанная с ЭПП, — чрезвычайно большой объем физических структур, которые необходимо обрабатывать для создания исчерпывающе полной электромагнитной модели сигнальных цепей. Это и соседние цепи, и все прилегающие структуры, которые могут вызывать ЭПП, включая слои трассировки питания и заземления, кремниевую подложку, слои корпуса, контактные площадки (бонды и бампы) со своими слоями маршрутизации, защитные кольца, металлическая заливка (полигоны заполнения), развязывающие конденсаторы и так далее. Большинство этих структур имеют сложную физическую компоновку, и они должны быть правильно разбиты на фрагменты для измерения сопротивления, емкости, индуктивности, связывающей емкости и взаимной индуктивности.

Анализ окружения сигнала-жертвы хорошо работает только для электрической емкостной связи, а магнитное поле может перемещаться вдоль больших петель, которые формируются структурами вне непосредственной близости к сигналу-жертве и могут иногда опоясывать всю компоновку микросхемы. Поэтому мы не можем проанализировать ЭПП, ограничив наше внимание рамками небольшого контура в проекте.

В итоге модель, созданная инструментами анализа ЭПП, может быть чрезвычайно сложной, поскольку она включает в себя все цепи, где непосредственно возникают ЭПП, плюс все цепи и структуры, которые могут влиять на производительность схемы. При этом модель, дабы быть полезной для дальнейшей работы, должна удовлетворять следующим ключевым критериям: (i) легко генерироваться за разумный период времени SPICE-симулятором, (ii) подходить для всех видов нелинейных и шумовых SPICE-симуляций и (iii) легко обратно-аннотироваться в довольно сложной и иерархической проектной базе данных, пересекающей границы блоков или кремниевых матриц.

Почему растет потребность в анализе электромагнитных перекрестных помех на СнК

Возрастающий спрос на электронные системы, в которых увеличена полоса пропускания и уменьшен размер кристалла, приводит к тому, что всё больше высокоскоростных схем и каналов с высокой пропускной способностью размещаются в непосредственной близости друг от друга.

Постоянное увеличение внутренних тактовых частот (например, 5-10 ГГц) и рост скорости передачи данных (например, свыше 10 Гбит/с) стимулируют появление проблем, связанных с ЭПП. Паразитную индуктивность и индуктивную связь, которые раньше можно было безопасно игнорировать, больше игнорировать нельзя. Чем выше скорость, тем сильнее перекрестные помехи. Важно отметить, что тактовый сигнал с быстрым временем нарастания и спада содержит значительные компоненты гармонической частоты. Так, например, схема, работающая на клоке с частотой 10 ГГц, вызывает 5-ую гармонику на частоте 50 ГГц. Те, кто нацелен на достижение на кристалле тактовых частот на уровне 25 ГГц, должны думать о том, как безопасно моделировать 3-ю гармонику, которая попадает в то, что инженеры, занимающиеся микроволнами, называют «диапазон W». Поэтому высокопроизводительные проекты СнК сталкиваются с проблемами «микроволновой» природы.

Интеграция системы-на-кристалле (СнК) предусматривает расположение сложных высокоскоростных цифровых схем, аналоговых и радиочастотных блоков очень близко друг к другу. Это создает множество возможностей для возникновения ЭПП внутри этих сложных компонентов, а также в других различных блоках. Сегодня большинство инструментов САПР ориентированы на определенный тип разработки — цифровую, аналоговую, радиочастотную и другие. Однако ЭПП не укладываются в границы или типы различных конструктивных компонентов или типы аналитических тестов, которые разработчик обычно регулярно запускает.

Влияние перекрестных помех еще больше усугубляется уменьшением уровней напряжения сигнала, обусловленным тенденциями снижения энергопотребления в современных СнК.

В дополнение к технологическим тенденциям, которые мы обсуждали, существует множество новых архитектурных и прикладных направлений разработки, которые вносят свой вклад в усугубление проблемы ЭПП.

Последовательные шины, такие как Ethernet, Fibre Channel и PCI Express, имеют преимущества, связанные с надёжностью технологии последовательной передачи данных, с присущей ей дифференциальной передачей сигнала с подавлением помех и встроенным тактированием с подавлением джиттера. Для достижения высоких скоростей передачи данных эти шины используют несколько последовательных каналов, которые работают параллельно. Например, 100-гигабитный Ethernet использует до 10 каналов со скоростью 10 Гбит/с каждый или четыре канала со скоростью 25 Гбит/с. Когда так много высокоскоростных серийных полос находятся в одной системе, каждая полоса может стать потенциальным агрессором или потенциальной жертвой, и это — настоящий «перекрестно-помеховый кошмар».

Есть много других архитектурных тенденций, которые увеличивают вероятность возникновения ЭПП:

— наличие нескольких высокоскоростных аналоговых блоков, таких как фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) и генератор, управляемый напряжением (ГУН), на одной и той же СнК;

— наличие нескольких высокоскоростных тактовых сетей на одном кристалле: не все тактовые генераторы должны работать на очень высокой частоте, нам известны случаи, когда генератор-жертва работал на частоте 10 ГГц, а агрессором был второй генератор тактовой частоты, работающий на частоте 2 ГГц;

— радиочастотные или высокоскоростные аналоговые блоки, примыкающие к высокоскоростными цифровыми блокам (эта ситуация очень распространена в большинстве высокопроизводительных приемопередатчиков): проблема ЭПП усугубляется, потому что все они делят между собой цепи заземления и общую кремниевую подложку, которую нельзя заводить на землю, и кремниевая подложка становится основным каналом распространения шума между блоками;

— вставка охранных колец и линий скрайбирования на микроэлектронном производстве;

— проекты с низким энергопотреблением, в которые заложены очень малые границы сигнал-шум;

— наличие чувствительных сигналов контроля/сброса, которые могут быть ошибочно даны сбоями, вызванными ЭПП;

— использование интегрированных технологий корпусирования разветвлением на пластине (fan-out wafer-level, silicon interposer): размещение множества кристаллов очень близко друг к другу увеличивает вероятность возникновения ЭПП.

В итоге, с развитием передовых технологий и архитектур систем-на-кристалле (СнК) игнорирование электромагнитных перекрестных помех несёт всё большие риски, приводя к значительным задержкам в выводе продуктов на рынок, а также к превышению стоимости проектов над запланированными сметами.

О компании Helic

Helic Inc. занимается разработкой революционных технологий автоматизации проектирования электронных устройств для радиочастотных интегральных схем и высокоскоростных систем на кристалле. Компания Helic предлагает клиентам комплексный набор решений, включающий в себя инструменты проектирования, СФ-блоки и поддержку приложений, что резко сокращает цикл разработки микросхем для беспроводной связи, построения широкополосных сетей, персональных компьютеров, планшетов и других сегментов рынка. Helic предлагает технологию для быстрого моделирования электромагнитных характеристик, синтеза радиочастотных компонентов и анализа целостности сигнала для интегральных схем и систем в корпусе (SiP). Решения компании Helic применяются в большинстве компаний полупроводниковой промышленности мира.

Клиентами Helic являются более 60 компаний (в их числе — 15 из первой двадцатки крупнейших компаний полупроводниковой промышленности в мире) и более 1500 пользователей, которые проектируют микросхемы для самых различных целей — от стандартов мобильной связи (1—2,1 ГГц), Bluetooth и WiFi (2,4—5,8 ГГц) до Gigabit Ethernet, от многоядерных процессорных и графических систем до устройств, работающих на миллиметровых волнах.

Штаб-квартира Helic расположена в Санта-Кларе (Калифорния, США). Офисы разработки Helic базируются в Греции и Ирландии, а офисы продаж и маркетинга — в Остине (Техас, США), Японии, Корее, Израиле, Тайване и Германии.

В России и странах СНГ Helic представляет компания НАУТЕХ.

Оригинал этой статьи

Теги
Мы в соцсетях