（信号与信息处理专业论文）基于ate93000高速数字通信测试技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着集成电路朝着高密度、高速度、高可靠性的方向发展，电路间的数据传 输已显得十分重要，由于传统并行接口技术受串扰和时钟同步问题的困扰己不能 满足日益增长的高速数据传输要求，以s e r d e s 接口为主的串行通信技术利用差分 对传输方式和时钟数据恢复方法巧妙地解决了并行接口技术中面临的串扰和时钟 同步问题，从而使数据传输速率得到极大地提高，逐步成为一种通用的高速i o 接 口标准。对这类芯片测试技术的研究也就显得具有现实意义。但随着半导体的技 术的高度发展，片上晶体管的集成度达到较高的水平，越来越多的口核被集成到 同一片上。给测试带来更加严峻的挑战和迫切的要求。另外，加上工艺本身不完 备带来的问题，为保证芯片高质量测试，必须进行全速测试，这就对测试机台和 测试板l o a d b o a r d 的设计和制造提出更高要求。 针对上述问题，本论文对基于a t e ( a u t o m a t i ct e s te q u i m e n t ) i 贝t j 试机台v e r i g y 9 3 0 0 0 测试具有高速s e t d e s 接口的芯片技术进行了研究。 论文首先介绍了国内外集成电路产业及其测试产业的发展状况，并讨论高速 s e r d e s 接口广泛应用及对a t e 测试挑战。介绍了抖动、噪声测量及分析理论中的 基础知识和根源机理，并从概率密度函数方面分析了抖动、噪声及误码率b e r 之 间的关系。然后论文从频域方面对p l l 系统单元进行分析，并具体分析s e r d e s 链 路中各个子系统、信道的特性及它们中抖动、噪声和信号完整性产生的机理。随 后，论文针对a t e9 3 0 0 0 测试系统架构及其p s 3 6 0 0 、p sf i x 板卡性能参数做了简 要的概述，并对其s m a r t e s t 软件环境进一步介绍。接下来针对测试板l o a d b o a r d 的设计进一步研究分析。 最后，在2 5 g b p s 速率下，利用a t e 测试机台对高速s e r d e s 接口测试技术进 行了研究分析，且制定相应的测试方案。并对抖动i 眼图、抖动容限、及其它测 试数据进行分析比较，对于高速s e r d e s 接口测试进行了总结，并对下一步的工作 指明了方向。 关键词：s e r d e s 接口，a t e ( a u t o m a t i ct e s te q u i m e n t ) 测试机台，i c 测试方案， a t e9 3 0 0 0 测试系统 ， 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei c d e v e l o p p i n gt o w a r d t h ed i r e c t i o no fh i g h d e n s i t y , h i g h s p e e d ， 1 1 i g h - r e l i a b i l i t y , d a t a t r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h ec i r c u i t sb e c o m e sv e r y i m p o r t a n t s u b j e c t i n gt oc r o s s t a l ka n dc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ，t h et r a d i t i o n a lp a r a l l e li n t e r f a c e t e c h n o l o g yn ol o n g e rm e e tt h eg r o w i n gd e m a n df o rh i g h - s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n t h e s e r i a lc o m m u n i c a t i o n st r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g yb a s e d o ns e r d e si n t e r f a c eu s e s d i f f e r e n t i a lp a i r sa n dc l o c kd a t ar e c o v e r ym e t h o dt or e s o l v et h ep r o b l e mo fc r o s s t a l k a n dc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ，w h i c ht r o u b l et h ep a r a l l e li n t e r f a c et e c h n o l o g y w i t hg r e a t l y i m p r o v i n g t h er a t e so fd a t at r a n s f e r ，t h es e r d e si n t e r f a c e t e c h n i q u e sb e c o m ea u n i v e r s a l h i g h s p e e d i oi n t e r f a c es t a n d a r d h o w e v e r , t h e r a p i de x p a n s i o n o f s e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g ym a k e st h ei n t e g r a t i o no ft r a n s i s t o r so nc h i pa c h i e v eah i g h e r l e v e l ，ag r o w i n gn u m b e ro fi pc o r eh a sb e e ni n t e g r a t e di n t oo n ec h i p ，w h i c ha l s op o s e sa g r e a t e rc h a l l e n g e st ot h ei ct e s t i n g i na d d i t i o n , t h ei m p e r f e c to fp r o c e s si t s e l fa l s ob r i n gp r o b l e m s ，i no r d e rt oe n s u r e l l i g h q u a l i t y o fc h i p - t e s t i n g ，a t - s p e e dt e s tm u s tb ec a r r e d o u t ，s ot h e s eb r i n g h i g h - d e m a n df o rt h et e s tm a c h i n ea n dt h el o a d b o a r dd e s i g na n dm a n u f a c t u r e t or e s o l v et h o s ep r o b l e m e s ，t h i sp a p e rd o e sar e s e a r c hb a s e do na t e v e r i g y9 3 0 0 0 o nt h et e s t i n gt e c h n o l o g yo fs e r d e si n t e r f a c e t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fi ci n d u s t r ya n di t st e s t i n g i n d u s t r y , d i s c u s s e s aw i d er a n g ea p p l i c a t i o no fh i g l l s p e e ds e r d e si n t e r f a c ea n d c h a l l e n g ef o ra t et s t i n g d e s c r i b e st h et h e o r yk n o w l e d g eo fj i t t e r , n o i s em e a s u r e m e n t a n da n a l y s i s a n a l y s i st h er e l a t i o n s h i po fj i t t e r , n o i s ea n db i te r r o rr a t ef r o mt h e p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n a n da l s oa n a l y s i st h ep l ls y s t e mf r o mt h ef r e q u e n c y d o m a i n ，t h e na n a l y s i st h eh i g h s p e e ds e r i a ll i n ka r c h i t e c t u r e ，o p e r a t i n gm e c h a n i s m ， v a r i o u ss u b s y s t e m s ，c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h er e s u l t i n gm e c h a n i s mf r o mt h e i r j i t t e r , n o i s ea n ds i g n a li n t e g r i t y 1 a t e ro n ，t h ea t e 9 3 0 0 0t e s t i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r ea n d p s 3 6 0 0 ，p sh xb o a r dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa r eb r i e f l ys u m m a r i z e d ，a n di t s s m a r t e s ts o f t w a r ee n v i r o n m e n ti sd e s c r i b e d n e x t ，t h ed e s i g no fl o a d b o a r di sf u r t h e r r e s e a r c h e da n d a n a l y s i e d f i n a l l y , a tt h e2 5 g b p sr a t e ，t h et e c h n o l o g yf o rh i g h - s p e e ds e r d e si n t e r f a c eu s i n g a t et e s t e ri sr e s e a r c h e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gt e s tp r o g r a m sa r ed e v e l o p p e d t h e j i t t e r , e y ed i a g r a m s ，j i t t e rt o l e r a n c e ，a n do t h e rt e s t i n gd a t aa r ea n a l y s i s e d t h ep a p e ra l s o 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t m a k e sar e v i e wf o rh i g h s p e e ds e r d e si n t e r f a c et e s t i n ga n dp r o s p e c t so ff u t u r ew o r k k e y w o r d s ：s e r d e si n t e r f a c e ，a t et e s t e r , i ct e s tp r o g r a m ，a t e9 3 0 0 0 t e s ts y s t e m i i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 集成电路及其发展趋势 1 1 1 集成电路 集成电路是利用半导体制作工艺，把许多晶体管及电阻器、电容器等元器件 集成到一小块单晶硅片上，并按照多层布线或隧道布线的方法将元器件组合成完 整的电子电路，也被称为“i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 【。 1 1 2 集成电路产品分类 集成电路产品常以内含晶体管等电子元件的数目来分类，可分为：小型集成 电路( s s i ) ，晶体管数1 0 - - 1 0 0 ；中型集成电路( m s i ) ，晶体管数1 0 0 - - - 1 0 0 0 , 大规 模集成电路( l s i ) ，晶体管数1 0 0 0 - - - 1 0 ，0 0 0 0 ；超大规模集成电路( v l s i ) ，晶体管 数在1 0 ，0 0 0 0 门以上【1 】。随着集成电路技术进入新阶段，市场开始转向追求体积更 小、成本更低、功耗更少的产品，因此出现了将多个甚至整个系统集成在一个芯 片上的产品系统芯片( s o c ，s y s t e mo nc h i p ) 。 1 1 3 集成电路产业链 集成电路产业链除了包括设计、芯片制造和封装测试三个分支外，还有集成 电路设备制造、关键材料生产等相关产业。如果按照集成电路产业链上下游产业 划分，可大致划分为集成电路设计产业和制造产业，而制造业又会衍生一些代工 产业。目前美国仍在集成电路产业中占主导地位，全球前二十i c 设计公司大都在 美国。亚洲地区主要以集成电路代工业为主，其中韩国和台湾地区和是世界集成 电路代工企业最重要的分布地i 。 1 2 集成电路产业发展现状与展望 1 2 1 全球集成电路产业发展现状 当今的集成电路产业以美国、日本、韩国和台湾地区发展最成功。其中美、 日等国家控制产业链的上游，掌握着设计、加工、设备等相关的关键技术。随着 电子产品的广泛应用，集成电路市场在其促进下将会呈现飞速发展的趋势。受去 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 年的金融危机的影响，2 0 0 9 年全球半导体市场规模同比下滑9 ，但伴随世界经 济逐渐回暖，2 0 1 0 年的集成电路市场将会出现好转现象，在0 9 年的水平上可能会 达到1 5 的增长i 。 近几年来，随着集成电路产业飞速地发展，新技术、新产品不断出现。世界 集成电路生产进入纳米阶段。目前，全球多条9 0 纳米1 2 英寸的生产线用于规模 化生产，基于6 5 4 5 纳米水平线宽的生产技术已基本成形。如：中芯国际已提 供6 5 r i m 的m p w 流片，台积电可提供4 5 n m m p w 流片了，i n t e l 公司的c p u 芯片 也已经采用4 5 纳米的生产工艺。目前，世界最高水平的单片集成电路芯片上所容 纳的元器件数量已经达到8 0 多亿个【1 1 。 1 2 2 集成电技术发展趋势 1 集成电路设计。近几年，全球集成电路技术已迈入纳米技术阶段，业界高端 集成电路主流技术的线宽是0 0 9 0 1 8 微米，高端集成电路前沿技术的线宽是 0 0 4 5 - - 0 9 0 微米。我国芯片主流量产工艺采用o 1 3 微米和0 1 8 微米，小部分公司 采用9 0 h m 工艺，个别公司设计能力达到6 5 n m 工艺水平【2 】。在未来几年里，集成 电路将进入3 2 纳米或更先进的2 2 纳米技术代。面向系统级芯片( s o c ) 的设计 方法日益成熟，芯片集成度将达到l o 的9 一1 0 次方，电子设计自动化( e d a ) 技 术广泛应用，口复用技术将进一步完善【l j 。 2 芯片制造。现阶段国际高端集成电路晶片直径主要为1 2 英寸，随着1 6 英寸 晶片将面世，晶片的大型化将大幅度提高生产效率和成品率。纳米级光刻工艺广 泛使用，全新的器件结构、全新的材料产生将带动新工艺诞生【l 】。 3 封测。对于封装而言，目前出现的新型封装方式将成为主流方式，多芯片组装 ( m c m ) 和系统级封装( s 口) 将成为实用技术，封装与组装逐步融合。在测试方 面，以内建测试单元为代表的可测性设计更广泛应用，更先进的高速度、高密度、高 通用性的测试系统趋于成熟，测试在集成电路制造中的比重将大幅度增大，集成电 路测试成为独立的领域【l 圳。 1 3 我国集成电路产业主要情况及发展展望 1 3 1 我国集成电路产业基本情况 我国于1 9 6 5 年研制出第一块双极型集成电路以来，经过几十年的发展，已基 本形成了设计业、芯片制造业及封装测试业三业并举的发展格局，并形成了以长 江三角洲、京津地区和珠江三角洲为中心的产业区和多个国家集成电路产业化基 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 地。制造业的技术工艺和设计和封装技术水平已达到或接近国际水平，但整体水 平离国际水平还有很大差距【。特别是自2 0 0 8 年来受全球半导体产业衰退和全球 经济危机的冲击，国内i c 产业也受到很大的影响，据2 0 1 0 年中国半导体市场年 会发表数据，2 0 0 9 年中国集成电路市场规模约为5 6 7 6 亿元，市场下滑5 。此次 衰退对国内i c 产业的影响也高于以往。受内需市场和投资因素对i c 设计企业的 拉动影响，国内集成电路产业正在逐步走出低谷f 4 】。但就国内集成电路产业还有许 多面临问题需要解决：资源利用率有待提高；芯片设计与市场需求脱节；制造技 术以代工为主业、缺乏自身自我品牌创新能力不强；产业链整体弱小、支撑辅助 行业发展滞后等【lj 。 1 3 2 国内集成电路产业发展趋势分析 虽然当前全球半导体市场跌宕起伏，但在中国经济持续增长这一大背景下， 全球半导体厂商继续来华投资的趋势不会有较大变化。目前中国半导体元件产品 的供应量仅能满足中国市场不到1 4 的需求，预计到2 0 1 3 年这种供需间的差距将 达到2 1 7 亿美元。这种巨大的供需间差距必然会给中国半导体产业带来挑战与机 遇。虽然全球半导体产业正在经历2 0 0 0 年网络泡沫之后的又一轮回调，但第三代 移动通信( 3 g ) 的启动和三维融合、移动电视新技术分出现必然会给通信集成电 路技术的发展带来新的发展机遇。国内集成电路产业平稳较快发展的大趋势更不 会改变。因此对于国内集成电路产业应该抓住机遇，拓展内需，加快家电和3 g 等 配套集成电路技术的研发和生产，不断提高创新能力，努力实现企业在某些领域 技术和产品的领先地位；加快整合转型，完善集成电路产业体系，促进产业集聚 和企业做大做强。另外，国家应加大对集成电路产业政策扶持力度，帮助i c 产业 重新回到平稳、较快发展的轨道上睁1 。 1 3 3 国内i c 封装测试行业现状 封测行业作为集成电路产业链中的一个重要的分支，在整个产业链中占有很 大比例。信息产业部统计数据显示，国内封装测试业、设计业、芯片制造业在产 业链中的比例分别为4 9 1 、1 7 7 、3 3 2 。其销售收入一度占到整个产业的7 0 以上，但国内本土封测行业发展水平和国际主流技术相比，仍有很大差距。这主 要表现在封测技术、人才、规模、效益等方面【6 j 。 目前，国内封装测试企业主要分布在长三角地区、珠三角地区和京津环渤海 湾地区等地区，其中长三角地区封测业占到全国的7 5 左右。江苏是封测产业集中 度最高的省份，约有封测企业近8 0 家，占全国封测业的5 9 6 ，其次为上海、广东、 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 成都等地区。但本土封测行业处于规模小、封测能力弱、效益低的局面。根据2 0 0 8 年对中国大陆前十大封测企业，效益调查数据显示，前十大封测企业中只有两家本 土封测企业【6 1 。除了长电、富士通等几家企业发展规模达到一定水平外，其他大部 分企业年产量还不满一亿块，有点企业甚至不足千万块。 不过，近几年来随着国内半导体行业的发展，国内本土封装测试企业的快速 成长以及国外半导体公司向国内大规模地转移封装测试能力，再加上国家对封测 产业调整和振兴规划正式出台，国内半导体封装测试行业也逐渐充满活力【6 】。 1 4s o c 测试及测试设备简介 集成电路制造工艺的进步使芯片晶体管的集成数量按照摩尔定律增长，进而 逐渐拉大芯片制造能力与设计能力之间的差距，为减小制造与设计之间的差距， 一种基于p 核的s o c 设计方法一经提出就已被广泛地应用到集成电路设计中。 所谓m 核，常指的是与工艺无关的软核，就是一段具有特定电路功能的硬件描述 语言程序，可以移植到不同的半导体工艺中去生产集成电路芯片。利用这些p 可 以把复杂的功能( 系统) 集成到同一个芯片上。即在同一块芯片上可以包含有处理器 ( c p u ) 、数字模块( d i g i t a lf u n c t i o n ) 、模拟模块( a n a l o gf u n c t i o n ) 、模数混合模块，、 射频模块( r fm o d u l e ) 以及各种外围配置等等。这就是s o c ( 系统单芯片 s y s t e m o n - c h i p ) 。但s o c 的出现也给设计、工艺集成、器件、结构、测试以及其 他领域带来了一系列的挑战【7 l 。 随着s o c 芯片结构的复杂化，功能模块的多样化，也给s o c 芯片的测试也带来 更多挑战，诸如测试资源和成本的兼顾。另外，和传统集成电路的垂直设计模式相 比，s o c 设计是一种可以选择不同m 核来构建芯片系统的水平设计模式。这种模 式大大缩短s o c 的设计周期，但同时也给s o c 测试带来严峻的挑战：首先，为保 护知识产权，p 核供应商不会提供太多口核的结构信息，这就导致p 核测试变成 黑盒测试。另外，口核的多样性也带来测试的难度。再者，由于s o c 芯片的功能 与应用具有复杂性和多边性的特点，因此对a t e ( a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ) 的测 试资源的要求也比较高，而a t e 所能提供的测试通道、通道深度和测试时间都是 有限的。这也是在未进行s o c 之测试前必须考虑的问题【8 1 。 s o c 测试须根据不同种类的口核来制定测试方法，目前常用的s o c 测试技 术有：数字逻辑核测试、模数混合电路测试、存储器核测试、射频测试等。相应 地，a t e 测试机台也必须具备测试这些功能的资源，同时测试机台的每个测试通 应该是相互独立的单元，以便能够解决各种不同的测试功能，为客户提供多种测 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 试方案。目前，业界主流测试系统多采用开放式结构，可以根据测试需要的不同 来选择相应的硬件模块( m o d u l e ) 来搭建测试系统，也就是常说的开放式模块化架 构。这种结构具有：系统灵活，系统升级方便，而且升级后，测试工程师也能较快 地熟悉新系统环境等优点【7 】。 目前的市场上主流的测试设备厂商中，以泰瑞达( t e r a d y n e ) 、惠瑞捷( v e r i g y ) 、 爱德万( a d v a n t e s t ) 、科利登( c r e d e n c e ) 为最具代表性。下面简要介绍下几家主 流测试设备商及其代表测试设备。 泰瑞达( t e r a d y n e ) 泰瑞达是全球最大的自动测试设备供应商之。产品应用于半导体，板测试， 声频和宽频电话网络领域。测试产品覆盖半导体芯片如处理器、客户特殊逻辑， 记忆体，混合讯号i c ，及s o c 。泰瑞达针对混合信号及s o c 产品开发的测试平 台有f l e x 、t i g e r 、和c a t a l y s t ，j 7 5 0 。各平台的测试能力也是相互交叉的，只是 目标侧重点有所不同，其代表测试平台有j 7 5 0 和f l e x 9 1 。 惠瑞捷( v e f i g y ) v e f i g y 中文名为惠瑞捷，自安捷伦科技公司测试部分离出来，重点放在半导体 行业的存储和系统芯片市场上，设计、开发、制造、销售先进的测试系统和解决 方案，并提供相关服务。目前，惠瑞捷可扩充的平台系统已被业界领先半导体公 司所采用，用来设计检验、检定和大批量制造测试。该公司目前在国内主推的测 试设备为v 5 0 和v 9 3 0 0 0 。本文应用的测试平台就是该公司的9 3 0 0 0 机台系统。 其具体参数后面将有更详细的介绍【9 】。 爱德万测试( a d v a n t e s t ) 爱德万测试是一家主要从事大规模集成电路自动测试设备及光电测量仪器的 研发、制造、销售和服务的全球性集团公司，产品线遍及s o c 、m e m o r y 、m i x e d s i g n a ld e v i c e s 和l c dd r i v e r 等i c 测试机台及h a n d l e r ，并提供先进的测试技术及 完整解决方案。并在美国、欧洲、亚洲成立了多个子公司，就近向半导体行业提 供完善的整体解决方案及售后服务。现在北京、上海、苏州三地分别有注册公司 ( 分公司) 和技术服务中心。爱德万公司面向s o c 的测试平台主要为t 6 5 0 0 系列 和t 2 0 0 0 两个系y o t 9 1 。 科利登( c r e d e n c e ) 科利登系统公司是全球领先的半导体业界自动化测试设备提供商之一，为客 户提供测试项目的开发服务、软件调试、工程验证的测试解决方案，帮助客户以 更低的测试成本、更快的速度使产品进入市场。通过提供前沿技术降低总的测试 成本，科利登为世界范围的集成器件制造商( i d m ) 、圆片加工厂、外包封装测试 供应商和无生产线的芯片设计公司提供具有竞争力的成本和性能优势。科利登公 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 司面向s o c 产品测试的是s a p p h i r e 系列，包括s a p p h i r ed 1 0 、s a p p h i r ed 一4 0 。由 于销售策略的问题，在国内的装机量较少【9 1 。 1 5 高速接口电路广泛应用及a t e 测试挑战 从上世纪8 0 年代以来，网络通信技术取得了巨大进步，使人们的生活得到巨 大的改变，在电子和通信领域，一个突出的特点，就是数据传输量的日益增加， 这也对芯片数据传输技术提出更高的要求。传统的并行数据传输技术由于要面对 多负载驱动和多路选择的问题，同时由于并行接口中的数据线多且采用单端传输 方式，这就很容易产生信号反射，信号间串扰较大等信号完整性问题。随着信号 传输速率达到g h z 以上，这种信号质量问题的很难保证数据能正确接受判断。另 外，并行接口常采用时钟同步传输技术，随着时钟频率的不断增加，由于传输延 迟，抖动等因素的影响，使得在设计时序方程时，很难同时满足系统时序的要求， 这时传统并行传输技术就面临数据传输难以跨越的沟壑。 然而，串行传输技术以其连接简单、速度快、。硬件消耗小等特点成为高速数 据传输的研究热点方向。其中过去用于光纤通信s e r d e s 串行通信技术逐渐成为高 速接口技术的主流。其主要有串行器、解串器组成，是一种时分多路复用、点对 点的通信技术，即在发送端将多路低速并行信号转换成高速串行信号，经过传输 在接收端将高速串行信号重新转换为低速并行信号【l0 1 。这种技术可以提高传输媒 体的信道容量，减少器件的引脚数量，并采用差分信号传输代替单端信号传输， 大大提高信号在传输过程中的抗噪声、抗干扰能力，同时采用时钟恢复技术，解 决了约束数据传输速率的信号时钟偏移问题，极大地提高了数据传输率，逐渐成 为一种通用的i o 接1 ：3 标准【u 】。 目前，基于s e r d e s 的高速串行通信技术已广泛地应用到很多领域。其最早应 用于广域n ( w a n ) 通信。国际上存在两种广域网标准：一种是s d h ，主要应用于 欧洲；另一种是s o n e t ，主要应用于北美。这两种标准制并订了不同层次的传输 速率。由s e r d e s 技术支持的广域网已成为国际互联网络的骨干网【1 0 1 。 s e r d e s 技术也应用于局域n ( l a n ) 通信中。由于s e r d e s 技术主要用于实现i s o 七层参考模型的物理层，s e r d e s 也被归类为物理层( p h y ) - 器r 件。以太网是局域网 中最流行的一种，其数据传输速率不断提高。i e e e 组织在早年制定的万兆以太网 标准，使局域网传输速率达到广域网的水平，并制订了提供广域网和城域网两者 之间对接的串行w a np h y 1 0 】。 s e r d e s 技术也被广泛地在高速信息存储领域，目前基于s e r d e s 技术的信息存 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 储方式有三种：网络连接存储( n a s ) 、直接连接存储( d a s ) 以及专用存储区域网 ( s a n ) 针对这三种信息存储方式，采用s e r d e s 的串行s a t a 、串行s c s i 、以及 光纤信道( f i b r ec h a n n e l ) 等标准【l u 1 。 计算机和通信技术的融合又为s e r d e s 技术的应用开辟了新的领域。s e r d e s 技 术的应用由光纤通信发展到计算机通用i o 接口，其传输媒体也由光纤发展到铜 线。一些较常用的总线接口技术有i n f i n i b a n d 、r a p i d i o 、p c ie x p r e s s 等，这些接口 技术各有特点，并应用到不同的领域【1 0 】。 i n f i n i b a n d 是一个基于交换的串行i o 互连体系结构，采用电缆或背板作为传 输媒体来提供点到点连接。i n f m i b a n d 数据传输速率为2 5 g b i t s ，每条链路可支持 1 x 、4 x 、1 2 x 路物理线路，所以每条链路速率可达到2 5 、1 0 或3 0 g b i t s s 。由于 它是一种底板级交换系统，可以避免总线技术常见的瓶颈现象。i n f i n i b a n d 面向的 是数据中心和应用服务供应商( a s p ) ，采用这种技术解决方案可以减少处理服务 器的数量和存储瓶颈。i n f i n i b a n d 的缺点主要是延迟太长，成本较高，用户较少， 只有少数的i n f i n i b a n d 硬件设备制造商采用这种接口技术【1 2 1 。 r a p i d i o 是物理层采用串行差分模拟信号传输、基于包交换的互连技术。被 广泛地应用于计算机、通信和网络芯片以及嵌入式系统中芯片间的数据信息的传 输。采用一个或者多个高速串行通路( 目前定义了1 x 和4 x ) 来建立全双工点对点 链接，以1 2 5 、2 5 0 或者3 1 2 5g b a u d 为业界标准编码数据速率，峰值带宽达到 2 0g b p s 。采用串行时钟和数据传输，以降低引脚数目，延长信号传输距离，具有 低延迟、低损耗的优点。比较适合于芯片之间和背板间互联应用。 p c ie x o r e s s 是一种基于s e r d e s 的串行双向通信技术，可以很好地解决计算机 f o 数据传输瓶颈问题，其数据传输速率为2 5 g 通道，可构成x 1 、x 2 、x 4 、x 8 ， x 1 2 ，x 1 6 和x 3 2 链路宽度，以实现较高的带宽。支持芯片与芯片和背板与背板之 间的通信。作为计算机接口技术从并行向串行的标志性转变，p c ie x o r e s s 计算机 接口将会取代p c i 和p c i - x 而成为外围设备的通用高速接口标准，进而提高计算 机与外围设备数据传输。表1 1 描述了常见的基于s e r d e s 的高速串行接口标准特点 及其应用领域【h l 。 表1 1 常见高速串行接口 标准组织 接口速率 主要应用领域 美国国家标准局( a n s i ) ；国际电2 5 g b p s ( 0 c - 4 8 ) ，s o n e t s d h ， 信同盟( 1 1 u t ) 1 0 g b p s ( 0 ( 3 1 9 2 ) ，广域网( w a n ) ， 4 0 g b p s ( 0 c 一7 6 8 ) 城域网( m a n ) 7 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 i e e e 8 0 2 31 0 g 以太网联盟1 2 5 g b p s ( g b e ) 以太网，局域网 ( 1 0 g e a )3 1 2 5x4 g b p s ( x a u i )( l a n ) ，城域网 l o g b p s ( 1 0 g b e ) ( m a n ) a n s i 下属信息技术标准国际委员1 5 g b p s 直接连接存储 会( i n c i t s ) ，t i o 一串行连接 3 0 g b p s ( s a s s a t a ) ：( d a s ) ，网络连接 s c s i ( s a s ) ，1 0 6 3 g b p s 。2 1 2 5 g b p s 存储( n a s ) ，储域 t l l - 光纤信道( f c ) ，t 1 3 一串行 4 2 5 g b p s ，1 0 g b p s ( f c ) 网( s a n ) a t a ( s a t a ) i n f i n i b a n d 协会2 5 g b p s ( x l ，x 4 ，x 1 2 )服务器、存储设备 r a p i d i o 行业协会 1 2 5 g b p s ，2 5 g b p s ，嵌入式系统互连 3 1 2 5 g b p s 接口 光互连论坛( o i f )2 4 8 8 3 1 2 5 g b p s ，芯片与芯片及背 4 9 7 6 6 + g b p s板的公共接口 外围设备接口特别兴趣小组2 5 g b p s ( p c i e x p r e s s计算机、服务器、 ( p c i - s i g )xl x 2 x 4 x 8 x1 2 x 3 2 )工作站、通信及嵌 入式系统 由于基于串行接口的集成芯片已越来越多用到现实生活中，而且并朝着更高 的速率发展，传输速率提升的背后带来的是设计传输路径的难度增加和测试传输 系统的全新挑战。数g b p s 传输速率的串行接口要在a t e 上进行测试会带来很多 挑战，除了对a t e 测试机台一定的硬件要求外，高速信号完整性、时钟复原、时 序不一致等是这类高速芯片测试所要解决的难点问题，另外，如何保障测试用的 l o a d b o a r d 设计使其上面传输高速信号有较好的信号质量，在数g h z 传输速率下， 能以最小j i t t e r 及最小衰减的性能在与芯片之间传送接收，又如何在高数据速率下 测试s e r d e s 芯片性能指标( 包括抖动产生、抖动容忍、抖动转移以及系统误码率 ( b e r ) 等) 来衡量芯片的质量等是本论文研究的主要内容。 1 6 主要工作与创新 基于s e r d e s 高速串行接口的集成芯片越来越多地应用到各个领域，对这类的 芯片进行测试也就显得迫切了，但是对于传输速率达到数g h z 的芯片在a t e 上进 行测试，无论从测试条件和测试成本都有相当大的挑战。这包括：测试机台配置、 测试用的l o a d b o a r d 和s o c k e t 以及测试机时的成本。在参与某公司一款具有验证 8 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 性质类高速芯片测试基础上，对高速s e r d e s 接口芯片的测试测试理论和方法进行 了研究。在此过程中，主要实现了一下工作目标t 第一，在机台方面，了解和掌握a t e 机台9 3 0 0 0 的相关的硬件资源和相关软 件的使用。结合机台资源，并根据芯片的特点和测试计划来研究相关的测试方法。 第二，在理论方面，了解和掌握s e r d e s 接口的原理和结构特点，并对决定s e r d e s 接口性能的锁相环、时钟恢复电路以及其它因素做进一步研究。理解抖动、噪声 和信号完整性等基础知识，并对抖动根源机理、抖动分析及之间的相互关系，以 及抖动、眼图和误码率之间的联系做了相关的研究。 第三，在硬件设计方面，结合a t e9 3 0 0 0 测试机台的特点，对测试板l o a d b o a r d 的设计进行具体研究。包括：p o g o 通孔的设计、差分线和b g a 封装下走线、电源 完整性以及封装焊盘、连接器、r e l a y 、s o c k e t 的因素做了具体的研究分析。 第四，在机台调试部分，通过o f f l i n e 工作完成调试前的准备工作后，利用a t e 9 3 0 0 0 测试机台和测试板l o a d b o a r d 对芯片的各个口核参数进行验证测试，尤其 是对s e r d e si p 核的抖动、眼图、抖动容限等参数进行深入地测试分析。 该公司p 5 0 芯片是一款具有技术探索性质的验证性芯片。主要目的是验证 t s m c6 5 g p 工艺、f l i p c h i p 封装、高速d d r 2 d d r 3 、高速s e r d e s 、高速m e m o r y 等关键技术及i p 。t s m c6 5 g p 工艺和f l i p c h i p 封装技术使芯片上集中更多的口， 芯片的功能也大大增加，但随着器件尺寸减小和数目不断增加，晶体管的关键参 量如( 阈值电压、漏电流、有效晶体管的长度等) 都会因此变化加剧。进而在高 频时会增加定时失效数，另外，随着器件的集成度不断增高，器件间的串扰、反 射、同步等信号完整性问题也变得更严重，这也给测试技术和成本带来更多挑战， 本文在对芯片中众多口核进行验证外，主要针对s e r d e si p 高速接口在2 5 g b p s 和 5 g b p s 传输速率上的参数特性进行验证分析。 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章高速数据传说中抖动、噪声分析 第二章高速数据传输中抖动、噪声分析 目前，基于s e r d e s 的高速接1 2 1 的传输速率都达到2 5 g b p s 、5 g b p s 甚至更高。 当数据以这样高的速率传输时，会给传输系统带来很大的挑战，反射、趋肤效应、 介质损耗、码间串扰、串扰、过孔的s t u b 效应等因素带来的影响会变得凸显起来， 严重影响数据的信号质量问题。对于这些影响数据传输的因素分析，高速串行系 统常采用两种办法，一种方法是从幅度方面分析，通过查看接收端信号眼图的情 况来判断系统性能。以这种方式去描述传输通道性能是很好的方法，但对于整个 串行通信的过程分析却有着很大的约束性。在高速串行数字通信系统中，误码率 是整个数据传输系统最关心的指标，但仅从眼图观察不到详细的误码率信息。另 外，误码率还与数据传输链路中的各个单元电路的性能有关，而仅从接收端的眼 图信息是不能得到详细的分析方法【l 。 另一种方法是从时间角度分析，抖动是产生误码率主要的根源，通过在时域 中采用统计直方图、浴盆曲线等方法研究信号抖动的性质和分布，从而对高速串 行系统的各个环节对误码率的影响进行定性的分析。本章将结合两种方法对抖动 及噪声的源、抖动、噪声、b e r ( 误码率) 之间的关系作相应的分析。 2 1 抖动、噪声的概述 2 1 1 抖动、噪声及信号完整性的定义 当通信系统中的数据时钟速率达到g h z 级，抖动和噪声对通信系统性能的影 响就显得越重要。在信号从发送到接收的整个过程，都会因一些无用的信号成分 注入而会得到一个和理想信号有偏差的实际信号。 实际信号与理想信号的偏差可以从两个方面来考虑：时间偏差和幅度偏差。 对于信号幅度偏差可以定义为噪声，时间的偏差定义为时间抖动( j i t t e r ) ，例如： 对于频率为1 g h z 的时钟信号，其周期长度应该是i n s ，也就是每隔0 5 n s 就应该 有个条不要。然而在实际电路中信号周期长度总有一些变化，导致下一个沿的到 达时刻不确定。这种不确定就是抖动。 幅度偏差( n o i s e ) 可以在任何时候都影响系统的性能；抖动仅在系统的跳变沿影 响系统的性能。 信号完整性可定义为实际波形偏离理想波形的情况。信号完整性既包含噪声 又包含时序抖动的影响，但信号完整性的一些特征如过冲、下冲及振铃现象并不 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章高速数据传说中抖动、噪声分析 能单纯地从噪声或抖动方面来分析。 2 1 2 抖动、噪声产生的原因及之间的关系 抖动和噪声产生的原因有很多因素，但对就通信系统特性来说，抖动和噪声 可以分为两类：本征和非本征的。 本征抖动噪声主要是光电设备和半导体材料中与电子、空穴等物理特性相关 的噪声，主要包括热噪声、散粒噪声等， 信系统中这些噪声会转化为时序抖动， 这些噪声可以减小但不可以避免：在通 可以幅度的形式来表示这一变化进行描 述，假设信号幅度为a o ( t ) 信号叠加幅度为n ( t ) 的噪声，那信号的输出形式 可以表示为a ( t ) = a o ( t ) + x n ( t ) ，相应的时间抖动可以借助于线性小信号扰 动理论近似表示为： a t ( t ) = 州掣a t 】= 竿 ( 1 ) 七 其中，k - ( d a o ，( t ) ) 为波形的斜率。由公式可以看出幅度噪声n 随波形的 d f 斜率增加，相应的时序抖动减小，因此在数字通信中，为保证较小的时序抖动， 倾向采用比较快的上升下降沿信号。 非本征的噪声和抖动主要和设计加工有关，可以采用合理的方法进行控制和 减小，常见的噪声和抖动包括周期性调制噪声( p j ) 、码间干扰( i s i ) ，占空比失 真( d c d ) ，及电磁场辐射、阻抗不匹配等非理想干扰【1 3 】。这些噪声的分析将在后面 分析。