“Star Trek” 작품에서 유명한 대사 중 하나인 이 명령으로 Montgomery Scott과 NCC-1701의 엔지니어링 부서는 승무원을 구하기 위해 워프 드라이브를 수리할 수 있다. 공상 과학 소설이지만 워프 속도의 개념은 더 빠른 데이터 속도에 대한 끊임없는 수요를 보여준다.
오늘날의 현실 세계에서 글로벌 통신 네트워크의 토대는 가능한 가장 빠른 속도로 데이터를 라우팅하는 신호 채널이다. 2020년 여름 이후로 224Gbps 채널 데이터 속도가 현실이 되었다. 시간이 흐른 지금은 224Gbps 반도체와 고속 인터커넥트 솔루션을 개발하기 위한 경쟁이 한창이다.
고속 인터커넥트 설계 과제
광범위한 고성능 및 고속 상호 연결 솔루션을 제공하는 Samtec의 설계 엔지니어는 짝지어진 커넥터 쌍과 함께 전체 신호 경로를 최적화해야 한다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이 신호 경로에는 송수신기 및 수신기, 다이-패키징 전환, BGA(Ball Grid Array) 브레이크 아웃 영역, PCB(인쇄 회로 기판) 트레이스, 커넥터 브레이크 아웃 영역 및 커넥터 쌍 자체 등 많은 구성 요소가 있다.
일반적인 224Gbps 신호 채널의 구성 요소
또한 다음과 같은 몇 가지 설계 세부 사항을 고려해야 한다.
• 특정 용도에 가장 적합한 PCB 라미네이트
• 가장 타당한 PCB 스택 업 디자인
• PCB 트레이스의 유형(미드 보드 스트립 라인 OR 상단/하단 레이어 마이크로스트립)
• 알맞은 커넥트 핀아웃의 종류
크기는 또 다른 설계 제약 조건이다. 폼 팩터가 계속 감소하고 있으므로 커넥터 피치는 더 조밀 해지고 있다. 피치가 작을수록 누화 및 삽입 손실과 같은 문제가 발생한다. 이는 주로 하나의 차동 쌍이 다음 쌍에 근접하고 라우팅 공간이 줄어들고 접지 핀이 감소했기 때문이다.
엔지니어링 결정과 마찬가지로 절충안은 항상 존재한다. 사소한 세부 사항은 신호 채널 및 224Gbps 상호 연결 성능에 영향을 미친다. 예를 들어 PCB 라미네이트가 MEGTRON6에서 MEGRTON7로 변경되면 유전율(Dk)이 감소할 수 있다. 이 부분이 전체 신호 채널 및 커넥터 성능에 도움이 될 수도 있고 아닐 수도 있다.
설계 결정 횟수는 초당 수 기가비트 채널 데이터 속도 성능에 영향을 미친다. 결과적으로 올바른 기술적 접근 방식을 정교하게 다듬는 것이 중요하다. 다행히, 최신 MCAD/ECAD 소프트웨어는 반복적인 제품 개발 및 최적화를 위해 여러 설계 및 시뮬레이션 주기를 지원한다.
Samtec + HFSS 고속 상호 연결 설계 최적화
Samtec의 기계 엔지니어는 먼저 업계 표준 MCAD 툴을 사용하여 차세대 인터커넥트 솔루션을 설계한다. 설계자는 복잡한 3D 구조를 개념화, 생성, 검증 및 반복하는데, 이 접근 방식은 실제 물리적 행동을 예측하는 데 도움이 된다. 기계 모델은 Ansys HFSS 와 같은 ECAD 도구로 포팅되어 고주파 전자기장을 가진 3D 구조를 분석하고 최적화한다.
Ansys HFSS의 최첨단 메쉬 솔버의 유연성 덕분에 Samtec은 고성능 인터커넥트 설계를 최적화할 수 있다. 정밀 MCAD 툴과 마찬가지로 HFSS 내에서 구성 요소 및 채널 와이드 모델을 조정하면 최적화된 성능을 얻을 수 있다.
조정할 수 있는 설계 변수에는 어떤 것이 있을까? 커넥터 접촉 지오메트리(핀 너비 및 두께, 플라스틱 너비 및 두께)를 단순화하여 신호 경로 성능을 개선할 수 있다. 커넥터 내 핀 길이가 작을수록 신호가 이동해야 하는 거리가 최소화된다. 엔지니어는 커넥터 BOR을 최적화할 수 있으며 금속 핀, PCB 트레이스, 바이아 등의 재료 유전체 값은 모두 즉석에서 조정할 수 있다.
As a design example, Samtec used Ansys HFSS to maximize signal integrity (SI) performance of the 0.80 mm NovaRay® Extreme Density Array product family. The flexibility of Ansys HFSS enabled analysis of multiple pinout types based on the desired result. The first pinout eased the design of the BOR. The second improved SI performance at higher data rates. Notice the illustrations below. Adjusting vias, PCB stack-up and other design features enables holistic channel data rates analysis.
설계 예로 Samtec은 Ansys HFSS를 사용하여 0.80mm NovaRay® Extreme Density Array 제품군의 신호 무결성(SI) 성능을 극대화했다. Ansys HFSS의 유연성 덕분에 원하는 결과를 기반으로 여러 핀아웃 유형을 분석할 수 있었다. 첫 번째 핀아웃은 BOR의 설계를 완화시켰고, 두 번째는 더 높은 데이터 속도에서 SI 성능을 개선했다. 바이아, PCB 스택업 및 기타 설계 기능을 조정하면 전체적인 채널 데이터 속도 분석이 가능하다.
Samtec NovaRay® Extreme Density Arrays의 Ansys HFSS 모델
Ansys HFSS의 정확성은 더 나아가 상호 연결 제품 설계를 가능하게 한다. 솔버 정확도는 제조 공차보다 훨씬 낮은 오류 수준에 도달할 수 있으므로 가상 프로토타이핑이 가능하며 선입선출(FIFO) 원칙이 적용된다. 그리고 정확한 설계 입력은 제품 설계 개선으로 이어진다.
Samtec의 관점에서 Ansys HFSS는 결정적인 솔버이다. 설계를 매번 처음부터 시작하지 않고도 작은 조정을 처리할 수 있다. HFSS는 작은 변화로 망가지지 않기 때문에 이러한 기능과 신뢰성은 Samtec이 커넥터 설계 과정을 더 잘 이해하는 데 도움이 된다. 또한, 설계 입력 조정은 출력 이상을 최소화한다.
Samtec은 HFSS를 벤치마크 3D EM 솔버로 간주한다. 엔지니어는 HFSS 출력에 의존할 수 있고 결과적으로 Samtec은 HFSS 정확도를 활용하여 최대 110GHz의 주파수에서 측정과 예측 가능한 상관 관계를 제공한다. Samtec NovaRay® SI Evaluation Kit에서 측정된 차동 삽입 손실(IL)과 시뮬레이션 된 차동 삽입 손실 사이의 상관 관계를 확인해보면 IL < 3db at 50 GHz는 NovaRay가 224 Gbps의 작동 경로를 제공한다는 신빙성을 부여한다.
Samtec NovaRay SI 평가 키트의 상관 차동 IL
Samtec의 설계 기술과 Ansys HFSS의 유연성 및 정확성의 조합은 224Gbps 상호 연결 솔루션이 곧 출시됨을 증명한다.
출처 : Ansys 224Gbps or Bust: How Samtec Leverages Ansys HFSS for High-Speed Interconnect Design
