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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

御清聴ありがとうございました CSセミナー

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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