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周波数領域による セグメント分割伝送線の 設計と評価

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周波数領域による セグメント分割伝送線の 設計と評価. 筑波大学　システム情報工学研究科 コンピュータサイエンス専攻　１年 201220622 井上栄史 指導教員：安永守利 教授. 発表の流れ. 研究背景 セグメント分割伝送線（ STL ）の仕組み 本研究の目的 周波数領域での STL 設計方法 周波数領域での STL 設計の適用 （クロック信号波形整形） まとめと今後の課題. 発表の流れ. 研究背景 セグメント分割伝送線（ STL ）の仕組み 本研究の目的 周波数領域での STL 設計方法 周波数領域での STL 設計の適用 （クロック信号波形整形）

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周波数領域による セグメント分割伝送線の 設計と評価

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  1. 周波数領域によるセグメント分割伝送線の設計と評価周波数領域によるセグメント分割伝送線の設計と評価 筑波大学　システム情報工学研究科 コンピュータサイエンス専攻　１年 201220622 井上栄史 指導教員：安永守利 教授 CSセミナー

  2. 発表の流れ • 研究背景 • セグメント分割伝送線（STL）の仕組み • 本研究の目的 • 周波数領域でのSTL設計方法 • 周波数領域でのSTL設計の適用（クロック信号波形整形） • まとめと今後の課題 CSセミナー

  3. 発表の流れ • 研究背景 • セグメント分割伝送線（STL）の仕組み • 本研究の目的 • 周波数領域でのSTL設計方法 • 周波数領域でのSTL設計の適用（クロック信号波形整形） • まとめと今後の課題 CSセミナー

  4. 研究背景 • LSI内部の動作周波数数GHzプリント基板の動作周波数数百MHz • 配線長　プリント基板　>LSI→　より低い周波数で　ディジタル信号 = 波　→　配線に接続されたLSIやモジュールに　　　　よって波形が歪む　　→　周波数向上が困難 CSセミナー

  5. ディジタル信号波形整形の従来手法 • Stub Series Terminated Logic 法 • 接続配線に直列抵抗 • 電圧を抑えるだけ→　複雑な歪みに無効 • 負荷トレース法 • 接続部で局所的波形整形 • 波長が短い→　整形不可 配線 配線 LSI LSI CSセミナー

  6. セグメント分割伝送線（Segmental Transmission Line : STL） • 我々の研究室が提案している波形整形手法 • 配線を複数の部分（セグメント）に分割 • 異なる長さと幅を与える 整形点（配線上で任意に設定） 配線 送信側LSI 受信側LSI CSセミナー

  7. 発表の流れ • 研究背景 • セグメント分割伝送線（STL）の仕組み • 本研究の目的 • 周波数領域でのSTL設計方法 • 周波数領域でのSTL設計の適用（クロック信号波形整形） • まとめと今後の課題 CSセミナー

  8. STLの仕組み PC内部のマザーボード（プリント基板） メモリモジュール 配線 0.1 ～ 1 mm 20 ～ 10 cm 30 ～ 20cm CSセミナー

  9. STLの仕組み 反射波で反射波を相殺！ 　キャパシタ（モジュールの電気的なモデル） →波の伝わりづらさが異なる 着目点の波形 モジュールによる反射波 通常の配線 入力信号 通常配線の場合 歪み改善 ! モジュールによる反射波 STL配線 STLを適用した場合 STLによる反射波 Wi : 各セグメントの幅 ( i = 1～4 ) Li : 各セグメントの長さ W3 W4 W2 W1 CSセミナー L3 L2 L4 L1

  10. STLの仕組み 反射波で反射波を相殺！ • うまく相殺するような、セグメントの幅と長さの組み合わせを求める • ［問題点］　組み合わせが膨大 • （例）セグメント数 =15　幅の種類 =20　　　長さの種類 =10　　とすると、組み合わせ総数 =(20×10)15≒ 3×1034 　→ 遺伝的アルゴリズム（Genetic Algorithm :GA）を使用して解探索 CSセミナー

  11. GAによる設計方法 • 染色体構造 STLを適用した配線 個体 染色体 遺伝子 Wi :i番目のセグメントの幅 ( i = 1～15 ) Li :i番目のセグメントの長さ CSセミナー

  12. GAの実行フロー 初期個体生成 波形シミュレーション 適合度計算 交叉 終了条件まで繰り返し 観測波形 理想波形 適合度評価 電圧 選択 時間 CSセミナー

  13. 発表の流れ • 研究背景 • セグメント分割伝送線（STL）の仕組み • 本研究の目的 • 周波数領域でのSTL設計方法 • 周波数領域でのSTL設計の適用（クロック信号波形整形） • まとめと今後の課題 CSセミナー

  14. 本研究の目的 周波数領域でのSTL設計の可能性の追求 最終目的 ： STL設計手法の発展 • 設計の高速化 • 信号品質向上 音楽プレイヤーのイコライザ 「STL= フィルタ」？ フィルタの例：　 CSセミナー

  15. 発表の流れ • 研究背景 • セグメント分割伝送線（STL）の仕組み • 本研究の目的 • 周波数領域でのSTL設計方法 • 周波数領域でのSTL設計の適用（クロック信号波形整形） • まとめと今後の課題 CSセミナー

  16. 周波数領域でのSTL設計方法 初期個体生成 AC解析（シミュレーション） 適合度計算 交叉 終了条件まで繰り返し 適合度評価 選択 CSセミナー

  17. AC解析とは • 交流入力に対する出力電圧を調べること • 周波数ごとに電圧振幅を求める • 振幅特性で適合度評価→　周波数領域での設計ができる 振幅特性 振幅 観測点 振幅[V] 交流電源 周波数 F [Hz] 周波数 [Hz] CSセミナー

  18. 理想的な振幅特性 • 理想配線の振幅特性どの周波数でも電圧の増減なし • 入力信号波形　そのまま出力 • AC解析結果と理想特性との誤差が小さいほど優秀な解！ しかし、 振幅[V] ＝ 周波数 [Hz] CSセミナー

  19. 振幅特性を部分的に考慮 • 全ての周波数で振幅比１　→　困難 • 共振のため • クロック信号は、クロック周波数の奇数倍サイン波のみの合成！ 1 T 周波数 F=ー [Hz] 周期 T [s] フーリエ級数展開 1　電圧　0 1　電圧　0 時間 [s] F3F5F ・・・ 周波数 [Hz] CSセミナー

  20. クロック信号波形整形の適合度計算 • クロック周波数の奇数倍波での振幅特性の誤差の和→　小さいほど優秀！ 理想特性との誤差 10 振幅[V] 観測された振幅特性 F3F5F 周波数 [Hz] CSセミナー

  21. 発表の流れ • 研究背景 • セグメント分割伝送線（STL）の仕組み • 本研究の目的 • 周波数領域でのSTL設計方法 • 周波数領域でのSTL設計の適用（クロック信号波形整形） • まとめと今後の課題 CSセミナー

  22. クロック信号波形整形　実験対象 • 1GHzメモリバス配線→　3倍にスケールアップして設計・評価 観測点 配線長450mm 100mm 270mm 80mm 内部抵抗 終端抵抗 　振幅 2V 330MHz クロック信号 12pF CSセミナー

  23. スケールアップとは • 波長、配線長、負荷容量を相似拡大→　低い周波数で動作を再現 なぜなら、 • ギガヘルツ程度の高い周波数→　現有機器では十分な精度の実測が困難 • 今後の基板製作・実測評価を念頭に設計段階からスケールアップ実施 CSセミナー

  24. クロック信号波形整形　実験対象 • 1GHzメモリバス配線→　3倍にスケールアップして設計・評価 観測点 配線長450mm 100mm 270mm 80mm 内部抵抗 終端抵抗 　振幅 2V 330MHz クロック信号 12pF CSセミナー

  25. 整形前　振幅特性 • 通常配線の振幅特性 1 振幅[V] 0 F3F5F 2G 周波数 [Hz] CSセミナー

  26. 整形前　クロック信号波形 • 通常配線のクロック信号波形 理想配線 通常配線 0.24ns 0.24ns 1 電圧 [V] 0.2V 0.5 0.2V 0 1ns/div 時間 CSセミナー

  27. クロック信号波形整形STL　振幅特性 • STLの振幅特性 1 振幅[V] 0 2G F3F5F 周波数 [Hz] CSセミナー

  28. クロック信号波形整形STL　波形 • STLのクロック信号波形 0.56ns 0.28ns 理想配線 0.28V 1 0.78V 電圧 [V] 0.5 0.50V STL 0 1ns/div 時間 CSセミナー

  29. 考察 • 論理マージンが回復→　奇数倍波の 振幅が向上 したため • オーバーシュート発生→　高周波の振幅が高すぎるため • 時間遅れ悪化→　位相特性（波の速さのずれ）を 無視しているため（振幅特性しか考慮していないため） CSセミナー

  30. 発表の流れ • 研究背景 • セグメント分割伝送線（STL）の仕組み • 本研究の目的 • 周波数領域でのSTL設計方法 • 周波数領域でのSTL設計の適用（クロック信号波形整形） • まとめと今後の課題 CSセミナー

  31. まとめ • 周波数領域でのSTL設計を初めて試みた • 振幅特性の誤差を適合度評価に使用した • 1GHzメモリバス配線のクロック信号波形整形に適用した • 論理マージン　2.5倍向上 • オーバーシュート　0.28V発生 • 時間遅れ　2.33倍悪化 • 周波数領域でのSTL設計が可能である見通しを得た • 振幅については良く回復 CSセミナー 31

  32. 今後の課題 • 今回述べたクロック信号波形整形の性能向上を試みる • 振幅特性評価を改善する • 位相特性も使用する • これまでの時間領域設計と比較する • 信号品質、実行時間など CSセミナー 32

  33. 御清聴ありがとうございました CSセミナー

  34. クロック信号波形整形　進化プロファイル CSセミナー

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