Signal Integrity - overview

방학에 Serdes와 관련해서 계속 공부를 하고 있다. 물론 내가 열심히 않하고 좀 노는게 문제이다...

그래서 idec 강의를 신청해서 저번주에는 'Xmodel을 활용한 고속 Transmission line interface'에 대한 수업을 들었고 이번에는 '초고속 시스템 설계 및 신호/전력 무결성' 에 대한 수업을 신청하게 되었다.

 

이 수업이 내가 가장 존경하던 송대건 교수님께서 진행을 하는 수업이어서 굉장히 가고 싶었지만, 한편으로는 부산대까지 가야하는 거리상의 문제와 나를 아는 교수님이기에 뭐랄까 부담이 있어서 고민을 했었다.

그래서 처음에 신청을 했다고 취소를 했었는데, 아무리 봐도 수업 내용이 흥미가 가는 내용이어서 다시 신청을 했다 ㅋㅋㅋ

 

그렇게 부산대를 1박 2일을 투어하는 수업이 되게 되었다. 

결론부터 얘기를 해보자면, 수업이 굉장히 재미있었고 다른 학교를 돌아다니면서 구경을 하는 것도 재미있었다. 다만, 혼자가니까 좀 심심했다 ㅋㅋㅋ

 

아무튼 내가 고속 interface와 serdes에 대한 연구를 하시는 교수님께 석사생활을 하러 가기에 이러한 수업이 굉장히 도움이 될 것 같아서 부산까지 찾아가게 되었다.

 

부산대학교까지 동대구역에서 출발해서 SRT를 타고 15900원, 시내버스 1500원 (1호선을 타서 부산역에서 부산대역까지 30분이면 도착을 하고, 부산대역에서 부산대학교 내부까지 운행을 하는 셔틀버스가 바로 앞에 있어서 쉽게 이용할 수 있었다. 특히 버스 간격도 10분조차 안돼서 굉장히 편리하고 신기했다) , 숙소 22500원 (일부러 싼 곳에 잡았는데 조금 더 가격 비싼데서 잘걸 ㅋㅋㅋ), 다시 귀가 교통비 ITX 11100원, 시내버스 1500원, 식사 3끼 (부산대 근처 라멘집, 국밥집, 부산대 학식) 3만원 가량 해서 총 9만원정도 쓴 것 같다.

 

뭐 어찌됐든 처음에 수업을 하러 들어가니, 교수님의 자료로 엮은 책을 나눠주셔서 이 책으로 수업을 진행했다. 

교수님께서 나를 보시더니 왜 왔냐고 하길래 ㅋㅋㅋㅋ 당황해서 분위기 전환하러 왔다고....ㅎㅎ

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수업의 시작은 항상 교수님의 썰을 풀면서 아이스브레이킹으로 진행이 된다. 그리고 나서 천천히 수업을 진행했는데, 시스템에 관한 것이 중심이 되었다. 시스템의 학문은 칩 level과 다르게 완성된 학문이라고 불린다고 한다. 거의 대부분의 문제에 답은 이미 정해져 있다고 한다. 하지만 '허생전' 을 예로 들면서, Trade off의 이야기를 얘기해주셨다. 즉, 모든 것에 해답은 있지만 Cost와 같은 문제로 기업 입장에서는 맘에 들지 않는다는.... (아 특히 이 수업은 기업분들도 와계셨다)

칩은 CPU와 같은 Core를 얘기한다고 보면 되고, System을 이를 동작을 잘하게끔 이어 붙이는 것을 생각하면 쉽다고 하셨다. 그리고 빵판에 회로를 연결하는 것과의 차이는 Ghz급으로 넘어가면 동작이 안되는 것과 제작비의 문제가 있었다.

 

v=f*ㅅ(ramda... 파장) 의 식에 의해서 초고속의 1Ghz의 경우에 30cm를 traveling하는데 1ns 가 걸린다. 이를 따져보면 물리적크기로 저항을 보면 양단의 전압이 다른 것이 되는데 (파장의 의미로 보면) 이렇다면 회로이론적으로 해석이 불가능하다. 즉 chip 설계에 있어서 정확성은 맥스웰 방정식을 써야하는 것이다. 

그렇게 나오는 것이 ㅅ/10 이다. 저 크기보다 작다면 회로이론으로 근사화가 가능하다는 것이다.

(이후에 이 내용에 대해서 한 번 더 다루게 된다)

 

cf) waveguide라는 것이 있는데, 이는 초고속 신호의 전달을 좋게 해주는 보조품이다. 하지만 이는 cost와의 싸움으로 많이 쓰기 어렵다.

 

Package에 관한 이야기로 넘어가서 역시 교수님의 드립과 함께 시작되었다 ㅋㅋㅋ (이런 드립이 굉장히 아이스브레이킹의 갑인듯?) 미국의 유명한 택배회사의 package가 아니라는 ㅋㅋㅋ

Packaging은 PCB connection을 위한 wiring과 interface를 위해서 중요하고 물리적인 보호용으로 쓰인다. packaging 방식에는 Leadframe과 같은 가장 일반적인 형태가 있고, wire bond나 flip chip과 같은 방식이 있다.

flip chip의 경우는 solder를 이용해서 붙이는 형식으로 connection이 짧아서 장점이기에, 고속에서 쓰이게 된다. 하지만 역시 cost의 문제가 있다.

 

BGA (ball grid array)의 형태가 이제 bump를 사용해서 연결을 하는 형태이다.

 

특히 package를 하고 보면 I/O pin들이 엄청 많은 것을 볼 수 있는데, size가 크고 signal과 power가 같이 있다. 이런 inout pin들이 많기에 고속에 있어서 주의할 점이 많다.

 

고주파(고속) 신호전달로 가면 앞서 말했듯이 Maxwell 방정식으로 접근을 해야한다. 이 뜻은 EM wave를 바라봐야한다는 것이다. 즉 PCB 판에서 EM wave가 propagation하는 것이다. 

그래서 channel의 특성이 다르고 Transmission line에 타입에 따라서 waveguide 종류가 있다. 다양하게 존재하며 산업에서는 cost 측면과 설계가 제대로 되었는지 확인하기 쉽게 하기 위해서 u-stripline을 주로 사용한다고 한다.

 

이제는 중요한 return path에 대해서 배우게 되었다. GND가 그냥 있다고 생각하면 안되고 신호가 반대편에서 잘 돌아올 수 있는 path가 필요하다. 그래야지 신호가 깨지지 않고 전달이 된다. 

 

TL의 종류에 따라서 loss가 또 다른데, u-stripline의 경우 신호 전달에 있어서 EM wave가 매질의 차이가 이써서 loss가 stripline보다 크다고 한다. 

그리고 이런 TL을 circuit model로 simplify 할 수 있는데, E/H field를 회로로 V/I field로 접근이 가능하다. 그러면서 고속 Transmission line 에서는 impedance의 개념이 들어오게 된다. 그렇게 종류에 따라서 회로가 있다. Zo의 값으로 V/I 가 잘 지나게 스펙을 짜는 것이 중요한데, 이것이 바로 impedance matching이다. 

즉 고속에서는 wire를 그냥 R이 0으로 볼 수 없고 E/H 의 개념으로 접근을 해야하지만 V/I의 관점으로 간략화시키면 Zo로 특성을 나타낼 수 있다. 그에 맞춰서 설계를 해야하는 것이다.

 

또한 Telegrapher's Equation으로 Conductor를 무한한 two port의 요소로 segment로 쪼개서 맥스웰을 대신할 RLGC회로 방정식을 구현했다. 이의 조건으로 역시 ㅅ/10가 붙는다.

그렇게 식을 풀면 결과적으로 Zo의 식이 나오는데, 특성 임피던스로 이는 결국 V/I의 비 인 셈이고, L/C의 비 인 셈이다.

50옴이라는 것이 결국에는 전류와 전압비가 50인 것을 나타내는 것이다.

 

그렇게 고주파 이론으로 Zo와 reflection에 대해서 살펴본다. Transmission line으로 보게 되면 신호가 반사를 하는 것이 존재한다. 반사를 하지 않기 위해서는 반사계수가 0이어야하고 두 신호선이 임피던스가 같아야한다.

이를 위해서 나온 개념이 termination load로 Zo와 매칭해야하는 것이다.

 

반사를 고려해서 V의 전달에 대해서 diagram으로 나타낸 Lattice diagram도 존재한다.

 

또한 termination 측에 기생성분의 C와 L에 의해서 Response가 달라지게 되는데, 이는 Xmodel의 글에서 잘 살펴볼 수 있다.

 

https://kurodonggri.tistory.com/8

 

driver에서 보통 impedance를 맞춰서 V/I의 전류전압비를 매칭하는 것인데, 이게 규격으로 보통 50옴으로 설정이 되어있다고 한다. 회사마다 또 다르지만 보통 50ohm으로 규격의 차이라고 볼 수 있다. (이를 상쇄할 방법은 없을까 싶기도 하고)

그래서 channel을 통해서 Rx chip으로 신호가 가는데 (사실상 inverter 형태로 신호 전달로 full swing) termination으로 전류가 잘 빠지게 저항이 필요하다는 것이 impedance matching의 얘기이다.

 

어찌됐든 R이 있다는 것은 전류로 인해서 power 소모가 있다는 것인데, 이에 대한 loss도 고려사항이다.

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교수님이 한 썰 중에서 '소크라테스 소통법' 이라면서 교육방침이라던 아내의 얘기를 해주셨는데, 이 방식이 서로의 interactive로 질문을 주고 받고 서로 예의를 지키면서 이유를 통해서 답을 이끌어내는 방식이라고 한다. 나는 우리나라와 달리 미국 같은 곳의 이런류의 수업이 굉장히 부러우면서도, 쉽게 하지 못하는 나이기에 바꾸고 싶다고 생각을 한다. 

질문과 대화가 그냥 자연스럽게 나오도록 노력하고 싶다.

 

첫 1시간의 내용은 이렇게 간단하게 signal integrity의 흐름으로 가장 중요한 impedance matching과 초고속 interface의 전달에 있어서 주의할 점을 알아보게 되었다.

 

cf. 모든 자료의 출처는 '경북대학교 송대건 교수님' 이십니다.