Transcript セグメント分割伝送線の解空間の解析と高速設計手法の提案

筑波大学 集積システム研究室
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
2012/10/18
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ISLAB
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筑波大学 集積システム研究室
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
2012/10/18
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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
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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
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ディジタル信号波形整形の従来手
法
• 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
• 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
配線
配線
LSI
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LSI
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セグメント分割伝送線
（Segmental Transmission Line : STL
）
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• 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
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受信側LSI
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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
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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 ～ 20
cm
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STLの仕組み
キャパシタ
反射波で反射波を相殺！
→波の伝わりづらさが異な
（モジュールの電気的なモデ
ル）
モジュール
入力信号 通常の配線
W1
L1
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による反射
波
モジュール
による反射
波
W2
STL配線
L2
る
STLによるL3
反射波
着目点の波形
通常配線の
場合
歪み
改善 !
W3
W4
L4
W i : 各セグメントの幅 ( i = 1～
4)
Li : 各セグメントの長さ
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STLを適用し
た場合
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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
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GAによる設計方法
• 染色体構造
STLを適用した配線
幅 W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W8 W9 W10 W11 W12 W13 W14 W15
長さ L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10 L11 L12 L13 L14 L15
遺伝子
個体
染色体
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
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GAの実行フロー
初期個体生成
交叉
で終
繰了
り条
返件
しま
2. 適合度計算
観測波形 理想波形
適合度評価
電
圧
選択
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1. 波形シミュ
レーション
時間
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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
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本研究の目的
周波数領域でのSTL設計の
可能性の追求
「STL = フィル
タ」？
音楽プレイ
フィルタの
ヤーのイコラ
例：
イザ
最終目的 ： STL設計手法の発展


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設計の高速化
信号品質向上
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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
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周波数領域でのSTL設計方法
初期個体生成
1.AC解析
（シミュレー
ション）
交叉
で終
繰了
り条
返件
しま
適合度評価
2.適合度計算
選択
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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
振幅特性
観測点
振
幅
[V]
交流電源
周波数 F [Hz]
周波数 [Hz]
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理想的な振幅特性
• 理想配線の振幅特性
振
幅
＝
[V]
どの周波数でも電圧の増減なし
周波数 [Hz]
• 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、
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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
周波数 F=ー [Hz]
T
周期 T [s]
1
フーリエ
級数展開
電
圧
0
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1
電
圧
0
時間 [s]
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F 3F
[Hz]
5F 周波数
・・・
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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
0 1
振
幅
[V]
観測された
振幅特性
F
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3F
5F
周波数 [Hz]
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筑波大学 集積システム研究室
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
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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
スケールアップ前
→
スケールアップ後
信号周波数[MHz]
1000
÷3
330
配線長[mm]
150
×3
450
負荷容量[pF]
4
×3
12
観測点
100mm
振幅 2V
330MHz
クロック信号
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内部
抵抗
配線長
450mm
270mm
12pF
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80mm
終端
抵抗
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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
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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
スケールアップ前
→
スケールアップ後
信号周波数[MHz]
1000
÷3
330
配線長[mm]
150
×3
450
負荷容量[pF]
4
×3
12
観測点
100mm
振幅 2V
330MHz
クロック信号
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内部
抵抗
配線長
450mm
270mm
12pF
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80mm
終端
抵抗
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整形前
振幅特性
• 通常配線の振幅特性
1
振
幅
[V]
0
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F
3F
周波数 [Hz]
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5F
2G
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整形前
クロック信号波形
• 通常配線のクロック信号波形
0.24ns
0.24ns
理想配線 通常配線
1
電
圧
[V]
0.2V
0.5
0.2V
0
時間
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1ns/div
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クロック信号波形整形STL 振幅特
性
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• STLの振幅特性
1
振
幅
[V]
0
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F
3F
周波数 [Hz]
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5F
2G
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クロック信号波形整形STL 波形
• STLのクロック信号波形
0.28ns
0.56n
s
理想配線
0.28V
1
0.78V
電
圧
[V] 0.5
0.50V
STL
0
時間
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1ns/div
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考察
【結果のまとめ】
論理マージン
[V]
整形前(通常)
整形後(STL)
後/前
H
0.20
0.78
3.9倍（過剰）
L
0.20
0.50
2.5倍
－
0.28
－
立ち上がり
0.24
0.28
1.16倍
立ち下がり
0.24
0.56
2.33倍
オーバーシュート [V]
時間遅れ
[ns]
• 論理マージンが
回復
→ 奇数倍波の
振幅が向上
したため
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• 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
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（振幅特性しか考慮していない
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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
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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
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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
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御清聴ありがとうございまし
た
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クロック信号波形整形 進化プロファ
イル
進化プロファイル
9000
振幅特性の誤差
8000
7000
6000
適
合 5000
度
の
逆 4000
数
3000
2000
1000
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900
世代
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