Учебное пособие разработал

Уменьшение искажений электрических сигналов в межсоединениях

2.1 Суть проблемы и её актуальность

С ростом быстродействия полупроводниковых приборов всё большая доля времени задержки распространения сигналов приходится на задержки в межсоединениях электронных схем, ставших существенным фактором, влияющим на быстродействие схемы в целом. Так, по данным Sematech [¹⁵], в скоростных полупроводниковых чипах задержки в межсоединениях составляют 80% цикла, тогда как задержки переключения транзисторных ключей занимают лишь 20% общего времени. В платах и блоках этот эффект проявляется ещё сильнее, поскольку их размеры больше, и длина межсоединений может составлять несколько длин волн распространяющихся по ним сигналов. С ростом электрической длины межсоединений их следует рассматривать как цепи с распределенными параметрами. Конечное время распространения электрических сигналов в таких межсоединениях приводит к искажениям формы сигналов, причинами которых являются: отражения сигналов от различных (резистивных, комплексных, в том числе нелинейных) нагрузок и неоднородностей; потери в межсоединениях; частотная зависимость потерь и задержек в межсоединениях; разброс параметров межсоединений по длине.

Одним из основных способов уменьшения времени задержки сигналов в межсоединениях является уменьшение их длины за счет повышения плотности монтажа электронных схем. Однако при этом увеличиваются электромагнитные взаимовлияния между различными межсоединениями, что особенно характерно для плотных и разветвленных межсоединений цифровых схем. Поэтому межсоединения рассматривают как связанные линии передачи с распределенными параметрами или, в общем случае, как многопроводные линии передачи. Электрические сигналы, передаваемые по таким межсоединениям, подвергаются, кроме перечисленных выше, дополнительным амплитудным и фазовым искажениям (перекрестным помехам), вызванным электромагнитными наводками от соседних межсоединений, а также различием скоростей распространения многочисленных мод, возбуждаемых в многопроводных линиях передачи.

За последние десятилетия достижения в технологии производства интегральных схем позволили резко увеличить тактовые частоты чипов и систем [¹⁶]. Для схем на комплементарных структурах металл-оксид-полупроводник (КМОП) тактовые частоты на уровне чипов возросли с 2–5 МГц в начале 80-х до диапазона 50–100 МГц в 1992 году. Тактовые частоты кремниевой эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) возросли с 50 МГц в 1975 году до диапазона 0,3–0,5 ГГц в 1992 году. В середине 90-х появились арсенидгаллиевые (GaAs) чипы с тактовыми частотами 6–8 ГГц и матрицы из более 500 вентилей на биполярных транзисторах с гетеропереходами с рабочими тактовыми частотами более 10 ГГц. С учётом гармоник высшего порядка частотные составляющие распространяющихся сигналов простираются от постоянного тока до десятков ГГц.

По планам Semiconductor Industry Association (SIA-San Jose, CA) с 1995 по 2010 годы прогресс электроники должен быть существенным [Error: Reference source not found]. Например, число выводов микропроцессорных интегральных схем увеличится с 512 до 1024. Ёмкость микросхем оперативной памяти увеличится с 64 Мбит до 64 Гбит. Тактовые частоты сигналов, распространяющихся между микросхемой и платой, возрастут со 150 МГц до 475 МГц, а внутренние частоты микропроцессоров возрастут с 330 МГц до 1,1 ГГц. Однако уже сегодня некоторые из этих рубежей преодолены. При таком повышении быстродействия сигналов и соответственной плотности межсоединений уровень перекрестных помех в межсоединениях существенно увеличится, что часто является главной причиной, препятствующей росту быстродействия и плотности монтажа электронных схем будущего.

С ростом быстродействия цифровой техники проблемы, возникавшие ранее, в основном перед разработчиками СВЧ-техники, в настоящее время возникают перед самым широким кругом разработчиков вычислительной техники и систем управления. Поэтому необходимо решать проблемы межсоединений, т.к. именно они зачастую становятся главной преградой на пути создания быстродействующей, компактной и, в то же время, помехоустойчивой и надежной аппаратуры. Неучёт факторов, составляющих проблему, при проектировании какой-либо части устройства способен стать причиной сбоев и ненадёжности в работе устройства в целом, которые трудно локализовать и устранить без больших затрат.

Растёт интерес учёных к проблеме межсоединений. Показательным примером этого роста являются публикации в Трудах Международного Вроцлавского Симпозиума по Электромагнитной Совместимости. Так, в 1992 году проблема межсоединений печатных плат была представлена лишь одним докладом [¹⁷], соавтором которого является автор этой работы, в разделе «VIII. Методы уменьшения электромагнитных помех». В 1994 году семь докладов по межсоединениям печатных плат выделены в отдельный раздел «XVII. ЭМС в печатных платах». В 1996 году в разделе «VII. ЭМС в печатных платах» представлено восемь докладов и обширный пленарный доклад [¹⁸], который сделал W. John (Германия). Им же во время симпозиума организован однодневный семинар «Проектирование печатных плат, отвечающее требованиям ЭМС (Компьютерное моделирование – Анализ – Измерения)», включающий девять разделов.

Практически в каждом номере известных международных журналов «IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques» и «IEEE Transactions on Circuits and Systems» имеются публикации по данной проблеме. Работы опытных исследователей представлены в тематических выпусках этих и других периодических изданий [¹⁹–²⁰²¹²²,]. Из публикаций последних лет выделяется ряд исследований по разработке методов анализа отклика и вычисления параметров межсоединений самой различной сложности, проводимых группами исследователей под руководством таких учёных, как O.A. Palusinski, R. Mittra, K. Tripathi (США), M.S. Nakhla (Канада), R. Pregla (Германия), M. Horno (Испания). Исследованиями по электромагнитному и схемному моделированию межсоединений успешно руководит D. De Zutter (Бельгия). На компьютерную реализацию современных теоретических достижений в моделировании межсоединений быстродействующих электронных схем делают акцент G. Pan, K. Olson, B.K. Gilbert (США). Большой теоретический вклад в решение проблемы анализа МПЛП сделал F.-Y.Chang (США). Последовательно проводятся исследования, которыми руководят R.F. Harrington, T.K. Sarkar (США) и A.R. Djordjevic (Югославия).

Наконец, последними по очереди, но не по важности следует отметить работы отечественных учёных. Действительно, численный метод, разработанный русским учёным Б.Г. Галёркиным ещё в начале прошлого века, стал одним из самых широко распространённых методов решения сложнейших задач электродинамики, в том числе и анализа межсоединений. Теоретические работы В.И. Коваленкова [²³, ²⁴] по анализу связанных линий передачи во многом предопределили появление важных теоретических исследований по анализу многопроводных линий передачи, выполненных П.И. Кузнецовым и опубликованных в сборнике статей [²⁵], который дважды переиздавался в США [²⁶] и стал предметом многочисленных ссылок современных исследователей межсоединений. Работы известного отечественного математика академика Л.В. Канторовича [²⁷, ²⁸] оказали значительное воздействие на развитие численных методов. Например, R.F. Harrington [²⁹] сообщает об их существенном влиянии на его работы по приложению метода моментов к задачам вычисления электромагнитного поля [³⁰, ³¹]. Ряд работ академика А.Н. Тихонова по методам решения некорректных задач [³²] позволил разработать эффективные модели численного электродинамического анализа различных структур [³³], в том числе произвольных трёхмерных [³⁴], успешно используемых в системе электродинамического моделирования [³⁵]. Важные для теории многопроводных линий передачи выводы телеграфных уравнений из уравнений Максвелла представлены, например, в работах [³⁶, ³⁷]. Исследования многопроводных структур успешно развивались отечественными учёными, прежде всего применительно к созданию устройств СВЧ-техники: на основе планарных многопроводных линий [Error: Reference source not found, ³⁸]; с применением более сложных многосвязных полосковых структур с неравной физической длиной связанных линий в области их связи [³⁹]; с использованием возможности контролируемого распространения электромагнитных волн в объёмных структурах [⁴⁰]. Однако исследовались межсоединения и быстродействующих цифровых схем: для случая одиночных линий с распределёнными по длине нагрузками [⁴¹]; для двух связанных линий [⁴²]; для многопроводных межсоединений в однородной [⁴³] и неоднородной диэлектрической среде [⁴⁴]. Интересные аспекты межсоединений для пикосекундных сигналов показаны в [⁴⁵]. Большой вклад в исследования межсоединений печатных плат обобщен в работе [⁴⁶]. Различные вопросы ЭМС печатных плат рассмотрены в [⁴⁷]. Универсальные и высокоэффективные модели межсоединений разработаны в [⁴⁸].

Проблема неискажённой передачи электрических сигналов в межсоединениях возникает практически на всех структурных уровнях вычислительной техники и систем управления: в микросхемах (межкристальные соединения в многокристальных чипах, корпус СБИС с большим числом выводов); в субблоках (печатные платы, платы с тонкопроволочным монтажом и прочие монтажные платы); в блоках (многоконтактные соединители и объединительные панели); в шкафах (многопроводные жгуты и кабели). Однако особенно острой эта проблема оказывается для монтажных плат, поскольку, отличаясь сложной топологией и высокой плотностью, их межсоединения могут достигать длины в несколько десятков сантиметров. По этой причине, несмотря на универсальность ряда вопросов, рассмотренных в работе, в ней делается акцент на межсоединения именно монтажных плат.

Важным этапом совершенствования межсоединений, позволяющим получить высокие характеристики с наименьшими затратами, является моделирование различных процессов, связанных со всем жизненным циклом межсоединений, от их производства до утилизации, например технологических процессов, а также происходящих при работе межсоединений химических, механических и тепловых процессов. Однако, в первую очередь, важно моделировать электромагнитные процессы, связанные с распространением электрических сигналов в межсоединениях, поскольку именно оно определяет основное функциональное назначение межсоединений.

Используют экспериментальное и теоретическое моделирование. Экспериментальное возникло сравнительно давно и при отсутствии развитых математических методов и средств вычислительной техники часто было единственно возможным, вполне доступным и удовлетворительным для несложных межсоединений видом моделирования. Однако с ростом плотности и быстродействия межсоединений появилась необходимость моделирования всё более сложных и тонких процессов. Это привело к усложнению и удорожанию изготовления экспериментальных макетов, необходимости точного и дорогого измерительного оборудования, росту требований к квалификации исследователя-экспери-ментатора. Поэтому возросло значение теоретического моделирования межсоединений. Широкое распространение и резкий рост производительности вычислительной техники, а также возможность быстрого получения вычисленных характеристик для любых параметров межсоединений, изменяющихся в самых широких диапазонах, сделали теоретическое моделирование несравнимо эффективнее экспериментального. Кроме того, появилась возможность эффективного решения не только задачи анализа, но и синтеза, и оптимизации межсоединений. Поэтому основное внимание в данной работе уделяется вопросам теоретического моделирования.

Отметим, что в ряде случаев остаются ограничения на применение теоретического моделирования, связанные со сложностью определённых видов межсоединений и недостаточными ресурсами компьютеров. Тогда наиболее эффективным, а часто и единственно возможным, остаётся экспериментальное моделирование. Кроме того, известное преимущество экспериментального моделирования перед теоретическим, остающееся в силе по сей день, заключается в том, что именно практика является окончательной проверкой теории. Таким образом, свои достоинства и недостатки имеет каждый вид моделирования, и в конкретном исследовании они могут взаимно дополнять друг друга. Поэтому в данной работе рассматриваются вопросы не только теоретического, но и экспериментального моделирования межсоединений.

Отработанные методики экспериментального моделирования, теоретически разработанные методы, алгоритмы и реализованные на их основе программы вычислительного моделирования межсоединений способны стать мощным инструментом для дальнейшего совершенствования межсоединений. Графики зависимостей характеристик межсоединений от параметров конфигурации позволяют судить о потенциальной возможности получения требуемых характеристик и сравнивать характеристики исследуемых межсоединений с характеристиками известных. В результате открываются дополнительные возможности уменьшения искажений электрических сигналов в межсоединениях.

<< предыдущая страница следующая страница >>