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 CSセミナー ISLAB ISLAB 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 CSセミナー 2 ISLAB 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 CSセミナー 3 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 CSセミナー 4 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 LSI CSセミナー 5 セグメント分割伝送線 （Segmental Transmission Line : STL ） ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 • 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 2012/10/18 受信側LSI CSセミナー 6 ISLAB 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 CSセミナー 7 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 CSセミナー 8 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 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 CSセミナー STLを適用し た場合 9 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 CSセミナー 10 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 CSセミナー 11 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 1. 波形シミュ レーション 時間 CSセミナー 12 ISLAB 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 CSセミナー 13 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 設計の高速化 信号品質向上 CSセミナー 14 ISLAB 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 CSセミナー 15 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 CSセミナー 16 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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] 2012/10/18 CSセミナー 17 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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、 2012/10/18 CSセミナー 18 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 1 電 圧 0 時間 [s] CSセミナー F 3F [Hz] 5F 周波数 ・・・ 19 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 3F 5F 周波数 [Hz] CSセミナー 20 ISLAB 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 CSセミナー 21 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 内部 抵抗 配線長 450mm 270mm 12pF CSセミナー 80mm 終端 抵抗 22 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 CSセミナー 23 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 内部 抵抗 配線長 450mm 270mm 12pF CSセミナー 80mm 終端 抵抗 24 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 整形前 振幅特性 • 通常配線の振幅特性 1 振 幅 [V] 0 2012/10/18 F 3F 周波数 [Hz] CSセミナー 5F 2G 25 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 CSセミナー 1ns/div 26 ISLAB クロック信号波形整形STL 振幅特 性 筑波大学 集積システム研究室 • STLの振幅特性 1 振 幅 [V] 0 2012/10/18 F 3F 周波数 [Hz] CSセミナー 5F 2G 27 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 CSセミナー 1ns/div 28 筑波大学 集積システム研究室 ISLAB 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 2012/10/18 • 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 29 CSセミナー （振幅特性しか考慮していない ISLAB 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 CSセミナー 30 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 CSセミナー 31 31 ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 CSセミナー 32 32 筑波大学 集積システム研究室 御清聴ありがとうございまし た 2012/10/18 CSセミナー ISLAB 筑波大学 集積システム研究室 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 2012/10/18 CSセミナー 36 ISLAB
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