“워프 속도가 필요하네, 스콧!”
제임스 T. 커크 선장의 이 명령은《스타트렉》시리즈에서 가장 유명한 대사 중 하나이다. 이 말이 떨어지면 몽고메리 스콧과 NCC-1701 엔지니어링 부서는 워프 드라이브를 고쳐 승무원을 구해내곤 했다.
물론 이는 공상과학 속 이야기이다. 하지만 워프 속도라는 개념은 더 빠른 데이터 전송 속도에 대한 끊임없는 요구를 잘 보여준다.
오늘날 실제 세계에서 글로벌 통신 네트워크의 기반은 가능한 가장 빠른 속도로 데이터를 라우팅하는 신호 채널이다. 2020년 여름 이후, 224Gbps 채널 데이터 전송 속도는 현실이 되었다.
아직 양산까지는 시간이 필요하지만, 224Gbps 반도체와 고속 인터커넥트 솔루션을 개발하기 위한 경쟁은 이미 시작되었다.
고속 인터커넥트 설계의 과제
고성능 및 고속 인터커넥트 솔루션을 제공하는 Samtec의 설계 엔지니어는 단순히 결합된 커넥터 쌍만 최적화하지 않는다.
전체 신호 경로(signal path) 를 최적화해야 한다.
아래 그림에서 볼 수 있듯이 하나의 신호 경로는 여러 구성 요소로 이루어진다.
- 송신기와 수신기
- 다이-패키징 전이 구조
- BGA(Ball Grid Array) 브레이크아웃 영역
- PCB 트레이스
- 커넥터 브레이크아웃 영역
- 커넥터 쌍
설계 단계에서 고려해야 할 주요 요소
고속 인터커넥트 설계에서는 여러 세부 사항을 함께 고려해야 한다.
- 특정 애플리케이션에 가장 적합한 PCB 라미네이트는 무엇인가?
- 어떤 PCB 스택업 설계가 가장 합리적인가?
- PCB 트레이스는 미드보드 스트립라인을 사용할 것인가, 상단·하단 레이어의 마이크로스트립을 사용할 것인가?
- 어떤 커넥터 핀 배열이 적합한가?
크기도 중요한 설계 제약 조건이다.
폼팩터는 계속 작아지고 있으며, 이에 따라 커넥터 피치도 점점 더 조밀해지고 있다. 피치가 작아지면 크로스토크와 삽입 손실 같은 문제가 발생할 수 있다.
이는 주로 하나의 차동 쌍과 다음 차동 쌍 사이의 거리가 가까워지고, 라우팅 공간이 줄어들며, 접지 핀 수가 감소하기 때문이다.
224Gbps 인터커넥트 성능과 설계 트레이드오프
모든 엔지니어링 의사결정에는 항상 트레이드오프가 존재한다.
아주 작은 설계 요소도 신호 채널과 224Gbps 인터커넥트 성능에 영향을 줄 수 있다.
예를 들어 PCB 라미네이트가 MEGTRON 6에서 MEGTRON 7으로 바뀌면 유전율, 즉 Dk가 낮아질 수 있다. 그렇다면 이러한 변화가 전체 신호 채널과 커넥터 성능에 어떤 영향을 줄까?
도움이 될 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다.
이처럼 수많은 설계 결정이 멀티 기가비트급 채널 데이터 전송 성능에 영향을 준다. 따라서 올바른 기술적 접근 방식을 찾는 것이 중요하다.
다행히 최신 MCAD/ECAD 소프트웨어는 반복적인 제품 개발과 최적화를 위해 여러 번의 설계 및 시뮬레이션 사이클을 수행할 수 있도록 지원한다.
Samtec과 HFSS를 활용한 고속 인터커넥트 설계 최적화
Samtec의 기계 엔지니어는 먼저 업계 표준 MCAD 도구를 사용해 차세대 인터커넥트 솔루션을 설계한다.
설계자는 복잡한 3D 구조를 구상하고, 생성하고, 검증하고, 반복적으로 개선한다. 이러한 접근 방식은 실제 물리적 거동을 예측하는 데 도움이 된다.
이후 기계 모델은 Ansys HFSS와 같은 ECAD 도구로 가져와진다. HFSS에서는 고주파 전자기장을 기반으로 3D 구조를 분석하고 최적화할 수 있다.
Ansys HFSS의 최신 메시 솔버가 제공하는 유연성은 Samtec이 고성능 인터커넥트 설계를 최적화하는 데 중요한 역할을 한다.
정밀 MCAD 도구와 마찬가지로, HFSS 안에서 구성 요소와 채널 전체 모델을 조정하면 성능을 최적화할 수 있다.
HFSS에서 조정 가능한 설계 변수
HFSS에서는 여러 설계 변수를 조정할 수 있다.
대표적인 예는 다음과 같다.
- 커넥터 접점 형상
- 핀의 폭과 두께
- 플라스틱 구조의 폭과 두께
- 커넥터 내부 핀 길이
- 커넥터 BOR(Breakout Region)
- 금속 핀의 재료 특성
- PCB 트레이스
- 비아
- 재료 유전율
커넥터 내부의 핀 길이를 줄이면 신호가 이동해야 하는 거리를 최소화할 수 있다.
또한 엔지니어는 커넥터 BOR을 최적화할 수 있다. 금속 핀, PCB 트레이스, 비아 등 재료의 유전 특성도 설계 과정에서 즉시 조정할 수 있다.
Samtec NovaRay 제품군의 HFSS 설계 사례
설계 사례로, Samtec은 0.80mm NovaRay® Extreme Density Array 제품군의 신호 무결성, 즉 SI 성능을 극대화하기 위해 Ansys HFSS를 활용했다.
Ansys HFSS의 유연성 덕분에 원하는 결과에 따라 여러 핀 배열 유형을 분석할 수 있었다.
첫 번째 핀 배열은 BOR 설계를 더 쉽게 만들었다.
두 번째 핀 배열은 더 높은 데이터 전송 속도에서 SI 성능을 개선했다.
아래 그림에서 볼 수 있듯이 비아, PCB 스택업 및 기타 설계 특징을 조정하면 전체 채널 데이터 전송 속도를 종합적으로 분석할 수 있다.
Ansys HFSS의 정확도와 가상 프로토타이핑
Ansys HFSS의 정확도는 인터커넥트 제품 설계를 개선하는 데에도 도움이 된다.
솔버 정확도는 제조 공차보다 훨씬 낮은 수준의 오차까지 도달할 수 있으며, 이를 통해 가상 프로토타이핑이 가능해진다.
여기에는 FIFO 원칙이 적용된다.
정확한 설계 입력은 더 나은 제품 설계로 이어진다.
Samtec의 관점에서 Ansys HFSS는 결정론적 솔버(deterministic solver) 이다.
설계는 처음부터 다시 시작하지 않고도 작은 조정을 처리할 수 있다. HFSS는 작은 변경이 발생해도 해석이 불안정하게 무너지지 않는다.
이러한 기능과 신뢰성은 Samtec이 커넥터 설계 프로세스를 더 잘 이해하는 데 도움을 준다. 설계 입력을 조정함으로써 출력 결과의 이상 현상을 최소화할 수 있다.
110GHz까지 측정 결과와 상관성을 확보하는 HFSS
Samtec은 HFSS를 벤치마크급 3D EM 솔버로 보고 있다.
엔지니어는 HFSS 결과를 신뢰할 수 있다.
그 결과 Samtec은 HFSS의 정확도를 활용해 최대 110GHz 주파수까지 측정값과 예측 가능한 상관성을 확보하고 있다.
아래 그림은 Samtec NovaRay® SI Evaluation Kit에서 측정된 차동 삽입 손실과 시뮬레이션 결과의 상관성을 보여준다.
삽입 손실이 50GHz 이상에서 3dB 미만이라는 점은 NovaRay가 224Gbps 동작으로 나아갈 수 있는 가능성을 보여준다.
224Gbps 인터커넥트 솔루션을 향한 도전
Samtec의 설계 기법과 Ansys HFSS의 유연성 및 정확도가 결합되면서, 224Gbps 인터커넥트 솔루션은 점점 현실에 가까워지고 있다.
말 그대로 워프 속도에 가까워지고 있는 셈이다.
인터커넥트 제품 설계 워크플로우에 대해 더 자세히 알고 싶다면, 녹화 웨비나 Practical Ports for Perfect Performance를 참고할 수 있다.
출처 : Ansys 224Gbps or Bust: How Samtec Leverages Ansys HFSS for High-Speed Interconnect Design
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