Python-basierte Simulation von Interconnect-Leistung und Verbindungs-Bitfehlerraten

Das Projekt PhyBER dient der Analyse von Linkstrukturen. Es soll zur Simulation von Augendiagrammen mit statistischen Methoden auf der Basis von Streuparametern genutzt werden. Das Programm wird verschiedene Leitungskodierungen und Signalformen unterstützen. Weiterhin wird eine Kanalkodierung möglich sein. Es soll weiterhin die Möglichkeit geben, Übersprechen und Jitter zu der Analyse hinzuzufügen. Das Projekt beinhaltet Entzerrer und bietet Möglichkeiten zu deren Optimierung. Eine Schnittstelle zu Metriken wie der Channel Operating Margin (COM) [1] wird ebenfalls angeboten und kann dazu benutzt werden, die Qualität von Signalübertragungen zu bewerten. Durch einer Schnittstelle zu der Polynomial Chaos Expansion (PCE) [2] werden recheneffiziente Sensitivitätsanalysen möglich. Mithilfe von externen Python-Tools [3] können außerdem neuronale Netze trainiert und eingebunden werden und zur Vorhersage von Linkverhalten genutzt werden.

Augendiagramm ohne und mit CTLE.

Struktur des PhyBER Programms. Das statistische Augendiagramm wird extern simuliert. Nach dem Bearbeiten der Ergebnisse können diese von anderen Werkzeugen weiterverarbeitet werden

Finanzierung: Freie und Hansestadt Hamburg
Kontakt: Katharina Scharff, M.Sc., Ömer Yildiz, M.Sc., Torben Wendt, M.Sc.

Quellen:

[1] IEEE Std 802.3bj-2014 – IEEE Standard for Ethernet Amendment 2: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 100 Gb/s Operation Over Backplanes and Copper Cables, IEEE Computer Society, September 2014[2] Feinberg, J. & Langtangen, H. P. Chaospy: An open source tool for designing methods of uncertainty quantification, Journal of Computational Science, Elsevier BV, 2015, 11, 46-57[3] https://www.tensorflow.org/

Anwendung von Model Order Reduction Techniken auf die Simulation komplexer elektrischer Verbindungen

Die elektrischer Verbindungen in modernen elektronischen Systemen stellen sehr dichte und komplexe Strukturen dar, die hocheffiziente Methoden für ihre Modellierung und ihr Design erfordern. Auch bei semi-analytischen oder hybriden Simulationsansätzen bedeutet die Analyse dieser Art von Systemen oft sehr große Modelle und lange Rechenzeiten. Dieses Projekt, das in Zusammenarbeit mit dem Instituto Tecnológico de Costa Rica (ITCR) entwickelt wurde, beschäftigt sich mit der Erforschung numerischer Techniken, um die Handhabung, Verkettung und Verarbeitung solcher komplexen Modelle zu erleichtern.

Verschiedene Makromodelltechniken, wie z. B. Vector Fitting und Matrixzustandsdarstellungen, werden als zusätzliche Ressource erforscht, die die Handhabung, Verkettung und Verarbeitung von elektrischen Verbindungen unterstützen kann. Stochastische Makromodelle im Frequenzbereich, die die Deskriptor-Zustandsraum Beschreibung für ein dynamisches System mit Polynomial Chaos Expansion kombinieren, werden ebenfalls analysiert. Dies ermöglicht es, die Variabilitätsanalyse des Systems für jede Frequenz über einen gewünschten Frequenzbereich einzuschließen. Um die Anzahl der benötigten Abtastungen zu reduzieren, werden Techniken für die analytische Verkettung von Makromodellen in Deskriptor-Zustandsraum Beschreibung angepasst. Zusammen mit dem Einsatz von semi-analytischen Techniken für die Wahl der Abtastung sollte dieser Prozess die genaue Darstellung komplexer Multiport-Systeme mit unterschiedlichen zufälligen Eingangsgrößen innerhalb kurzer Zeit ermöglichen. Um die Leistungsfähigkeit dieser Techniken zu bewerten, werden sie mit rein numerischen Techniken mit realistischen Modellierungsszenarien verglichen werden.

Beispiel einer Vector-Fitting Approximation eines S-Parameter Crosstalk Modells als Funktion der Zahl der Polstellen.

Null- und Polstellenkonstellation in der komplexen Ebene eines Vector-Fitting Makromodells als Funktion der Zahl der Polstellen (dem S-Parameter Modell eines High-Speed Kanals entnommen).

Finanzierung: Instituto Tecnologico de Costa Rica (ITCR)
Kontakt: Luis Ernesto Carrera Retana, M. Sc., Prof. Renato Rimolo-Donadio

Datenverbindungen bei 50-100 Gbps

Die Datenraten von digitalen Verbindungen steigen immer weiter an. Dabei treten Effekte auf, die eine fehlerfreie Übertragung erschweren oder sogar unmöglich machen. Durch die geringen Abstände zwischen Leitungen kommt es zu Übersprechen. Zudem entstehen durch Diskontinuitäten auf den Leitungen Reflexionen, die sich mit dem Signal überlagern.

Das Ziel ist die Charakterisierung und der Entwurf von Datenverbindungen, die hohe Datenraten erlauben. Durch die Verwendung von unterschiedlichen Codierungen lassen sich Signale erzeugen, die eine geringere Bandbreite aufweisen und dadurch unempfindlicher gegenüber Störungen bei hohen Frequenzen sind. Für die Untersuchung der Signalintegrität werden neben verschiedenen kommerziellen Tools auch im Institut entwickelte Programme verwendet, die eine schnelle Generierung von Augendiagrammen erlauben.

Finanzierung: Freie und Hansestadt Hamburg
Kontakt: Katharina Scharff, M.Sc.

Der Datenfluss und die Zusammenwirkung der in diesem Projekt verwendeten Tools. Random Jitter (RJ), Sinusoidal Jitter und duty cycle distortion werden wie gezeigt am Transmitter hinzugefügt. Es wird einem Spannungshub von 1V mit einer Anstiegszeit von 44 ps angelegt. Quelle: TET, TUHH

Augendiagramm einer 4-wertigen Pulsamplitudenmodulation (PAM4). Quelle: TET, TUHH

Stochastische Randintegralmethodik für die Berechnung zweidimensionaler elektromagnetischer Wellenausbreitung

David Dahl. DFG-Projekt 01.08.2015 – 31.07.2018

Das Projekt soll die so genannte Randintegralmethode zur Berechnung zweidimensionaler elektrotechnischer Aufbau- und Verbindungsstrukturen wie z.B. Leiterplatten und planaren optischen Substraten unter Einbeziehung stochastischer Randbedingungen und Simulations-Parameter mathematisch analysieren, numerisch effizient umsetzen und an ingenieurwissenschaftlich relevanten Beispielen demonstrieren. Zur Berücksichtigung stochastischer Bedingungen und Parameter soll die aus anderen Bereichen bekannte Polynomial Chaos Expansion (PCE) verwendet und hier zum ersten Mal auf eine Randintegralmethode für die Elektrodynamik angewendet werden. Dazu soll ein teilweise schon vorhandener Programmcode auf Fortran-Basis um Methoden erweitert werden, die statistische Variationen in der Anregung, dem geometrischen Aufbau und den Materialeigenschaften berücksichtigen können. Im Detail geht es einerseits um die mathematische Analyse der stochastischen Randintegralmethodik, die Demonstration des Verfahrens an geeigneten Beispielen und die Eingrenzung der numerischen Möglichkeiten. Andererseits geht es um die Erweiterung der Methode und des existierenden Programmcodes für stochastische Problemstellungen aus der Hochfrequenztechnik und der planaren integrierten Optik. Eine Demonstration des Potentials der Methodik soll durch Anwendung des entwickelten Codes auf ingenieurwissenschaftlich interessante Strukturen aus der digitalen Datenübertragungstechnik, der Hochfrequenztechnik und der planaren integrierten Optik erfolgen. Durch die Zusammenarbeit des Institutes für Theoretische Elektrotechnik und des Institutes für Mathematik der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) in diesem Projekt wird hierbei mathematisch/numerische Grundlagenforschung in einem ingenieurwissenschaftlich relevanten und anspruchsvollen Anwendungsfeld ermöglicht.

Die Randintegralmethode kann zur Modellierung von Verteilungsnetzen in Leiterplatten verwendet werden. Die PCE dient beispielsweise der Analyse von Einflüssen durch Variation der Eigenschaften der Entkopplungskondensatoren.

In der planaren Optik kann die Randintegralmethode zur effizienten Berechnung von photonischen Kristallen verwendet werden, mit welchen beispielsweise optische Wellenleiter hergestellt werden können.

Kombinierte Bewertung von Interconnect und Entzerrung für Datenverbindungen auf mehrlagigen Leiterplatten

Promotion Torsten Reuschel. 01.10.2013 – 15.10.2018

Steigende Datenraten und schwindende Toleranzgrenzen stehen im direkten Gegensatz zum Detailreichtum digitaler Hochgeschwindigkeitsdatenverbindungen, welche sich unter
anderem aus dem passiven Kanal, Entzerrern sowie der Signalkodierung in Form von physikalischen Symbolen zusammensetzen. Dieses Werk stellt neue, recheneffiziente Methoden für den Entwurf und die Prüfung von Datenverbindungen vor. Hierfür wird eine Systemperspektive eingeführt, welche vorherrschende physikalische Parameter des Kanals mit Kennwerten der eingesetzten Entzerrer vereint. Diese Sichtweise erlaubt eine
systematische Auslotung von Randbedingungen und wird durch eine Studie über fortgeschrittenen Methoden der Quantifizierung von Parameterunsicherheiten im Entwurf von Datenverbindungen ergänzt.

Verteilung des Übersprechens (Crosstalk) in einem großen Via-Array bei unterschiedlichen Frequenzen. Berechnet mit dem institutseigenen Werkzeug Multilayer Substrate Simulator. (Quelle: TET, TUHH).

Exemplarischer Interconnect zwischen zwei großen Via-Arrays; gezeigt ist nur die Anordnung der Streifenleitungen in der obersten Kavität. Das Augendiagramm wird mittels statistischen Methoden zeiteffizient ermittelt. (Quelle: TET, TUHH).

Relevante Publikationen:

Dr.-Ing. Torsten Reuschel
Combined Assessment of Interconnect and Equalization in Data Links on Multilayer Printed Circuit Boards
Dissertation

Torben Wendt, Torsten Reuschel, Christian Schuster
Direct Prediction of Linear Equalization Coefficients Using Raised Cosine Pulse Shaping in Frequency Domain
22nd IEEE Workshop on Signal and Power Integrity SPI 2018, Mai, Brest, France

Torsten Reuschel, Ömer Yildiz, Jayaprakash Balachandran, Cristian Filip, Nitin Bhagwath, Bidyut Sen, Christian Schuster
Efficient Sensitivity-Aware Assessment of High-Speed Links Using PCE and Implications for COM
DesignCon, Santa Clara, CA, USA, Januar 2018

Torsten Reuschel, Jan Birger Preibisch, Katharina Scharff, Renato Rimolo-Donadio, Xiaomin Duan, Young H. Kwark,
Christian Schuster
Efficient Prediction of Equalization Effort and Channel Performance for PCB-Based Data Links
IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, Vol. 7, No. 11, 2017

Torsten Reuschel, Jan Birger Preibisch, Christian Schuster
Efficient Design of Continuous Time Linear Equalization for Loss Dominated Digital Links
IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Lake Maggiore (Baveno), Italy, May 7-10, 2017

Katharina Scharff, Torsten Reuschel, Xiaomin Duan, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster
Exploration of Differential Via Stub Effect Mitigation by Using PAM4 and PAM8 Line Coding
IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Lake Maggiore (Baveno), Italy, May 7-10, 2017

B.Rohrdantz, T.Jaschke, T.Reuschel, S.Radzijewski, A.F. Jacob,
An Electronically Scannable Reflector Antenna Using a Planar Active Array Feed at Ka-Band
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol. 65,no.5,pp.1650-1661, March, 2017

Yu Zhao, Rainer Grünheid, Gerhard Bauch, Torsten Reuschel, Christian Schuster
Redundant and Non-Redundant Spectrum Shaping Schemes for Reflection-Limited Chip-to-Chip Communication
International ITG Conference on Systems, Communication and Coding (SCC), Hamburg, Germany, February 6-9, 2017

Jan Birger Preibisch, Jayaprakash Balachandran, Torsten Reuschel, Katharina Scharff, Bidyut Sen,
Christian Schuster
Exploring Efficient Variability-Aware Analysis Method for High-Speed Digital Link Design Using PCE
UBM DesignCon Conference, Santa Clara, CA, USA, 31. Januar 31 – 2. February, 2017

David Dahl, Torsten Reuschel, Jan Birger Preibisch, Xiaomin Duan, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang,
Christian Schuster
Efficient Total Crosstalk Analysis of Large Via Arrays in Silicon Interposers
IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 6, no. 12, December 2016

Torsten Reuschel, J. Meischner
Ansatz zur Verbesserung des Vorstellungsvermögens elektromagnetischer Felder der Studierenden im Modul „Theoretische Elektrotechnik I: Zeitunabhängige Felder“
Praxisprojekte des Qualifizierungsprogramms „Forschendes Lernen an der TUHH“, Ausgabe 2. Hamburg, Germany: Zentrum für Lehre und Lernen, Technische Universität Hamburg, Nov. 2016, pp.23-27.

Alexander Vogt, Torsten Reuschel, Heinz-Dietrich Brüns, Sabine Le Borne, Christian Schuster
On the Treatment of Arbitrary Boundary Conditions Using a Fast Direct H-Matrix Solver in MoM
IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 64, no.8, August 2016

Torsten Reuschel, Miroslav Kotzev, David Dahl, Christian Schuster
Modeling of Differential Striplines in Segmented Simulation of Printed Circuit Board Links
IEEE Signal and Power Integrity Conference (SIPI 2016), Ottawa, ON, Canada, July 25-29, 2016

David Dahl, Torsten Reuschel, Xiaomin Duan, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang, Christian Schuster
On the Upper Bound of Total Uncorrelated Crosstalk in Large Through Silicon Via Arrays
IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Turin, Italy, May 8-11, 2016

Jan Birger Preibisch, Torsten Reuschel, Katharina Scharff, Christian Schuster
Impact of Continuous Time Linear Equalizer Variability on Eye Opening of High-Speed Links
IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 58, no. 1, Februar 2016

Torsten Reuschel, Sebastian Müller, Christian Schuster
Segmented Physics-Based Modeling of Multilayer Printed Circuit Boards Using Stripline Ports
IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Turin, Italy, May 8-11, 2016

Young H. Kwark, Torsten Reuschel, Renato Rimolo-Donadio, Dierk Kaller, Thomas-M. Winkel, Hubert Harrer,
Christian Schuster
Systematic Analysis of Electrical Link Bottlenecks and Strategies for Their Equalization
DesignCon, Santa Clara, CA, USA, 19. -21. Januar 2016.

Sebastian Müller, Torsten Reuschel, Renato Rimolo-Donadio, Young H. Kwark, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Energy-Aware Signal Integrity Analysis for High-Speed PCB Links
IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol.57, no.5, Oktober 2015

Torsten Reuschel, Sebastian Müller, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Investigation of Long Range Differential Crosstalk on Printed Circuit Boards
IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Ghent, Belgium, May 11-14, 2014

Elektromagnetische Modellbildung und Optimierung von Silizium-Durchkontaktierungen

Promotion David Dahl. 01.10.2012 – 13.12.2017

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Simulation und den Entwurf von Durchkontaktierungen in Siliziumsubstraten (TSVs), wie sie in der Aufbau- und Verbindungstechnik für integrierte Schaltkreise Anwendung finden. Numerische Verfahren von vergleichsweise hoher numerischer Effizienz werden entwickelt und angewendet, um realistische Anordnungen mit großen Anzahlen von TSVs simulieren zu können. Die vorgestellten Methoden werden mit alternativen Ansätzen korreliert und aus Parametervariationen werden Designempfehlungen abgeleitet. Des Weiteren werden mehrere Messstrukturen mit TSVs entwickelt und Messergebnisse für diese mit Simulationsergebnissen vergleichen.

Schematischer Aufbau eines Teils eines Silizium-Interposers, in welchem TSVs eine Verbindung zwischen Ober- und Unterseite herstellen. Die metallischen Zylinder von typischerweise kreisförmigem Querschnitt sind vom leitfähigen Siliziumsubstrat durch eine Siliziumdioxidschicht elektrisch isoliert. Wie im Bild angedeutet, werden zwei hauptsächliche Arten der Propagation in dieser Struktur untersucht. (Quelle: TET, TUHH).

Das physikbasierte Via-Modell nimmt metallische Berandungen zu beiden Seiten der Interposer-Struktur an. Nahfeldeffekte werden von konzentrierten Elementen (hier Kapazitäten) dargestellt, während die Ausbreitung in der Kavität aus Substrat und den Metallisierungen durch die Parallel-Platten-Impedanz dargestellt wird. (Quelle: TET, TUHH).

Relevante Publikationen:

David Dahl, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang, Christian Schuster
Effect of 3D Stack-Up Integration on Through Silicon Via Characteristics
IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Lake Maggiore (Baveno), Italy, May 7-10, 2017

David Dahl, Torsten Reuschel, Jan Birger Preibisch, Xiaomin Duan, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang,
Christian Schuster
Efficient Total Crosstalk Analysis of Large Via Arrays in Silicon Interposers
IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 6, no. 12, Dezember 2016

Torsten Reuschel, Miroslav Kotzev, David Dahl, Christian Schuster
Modeling of Differential Striplines in Segmented Simulation of Printed Circuit Board Links
IEEE Signal and Power Integrity Conference (SIPI 2016), Ottawa, ON, Canada, July 25-29, 2016

Xiaomin Duan, Mathias Boettcher, David Dahl, Christian Schuster, Christian Tschoban, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang
High Frequency Characterization of Silicon Substrate and through Silicon Vias
Electronic Components and Technology Conference (ECTC), Las Vegas, NV, US, May 31 – June 3, 2016

David Dahl, Torsten Reuschel, Xiaomin Duan, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang, Christian Schuster
On the Upper Bound of Total Uncorrelated Crosstalk in Large Through Silicon Via Arrays
IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Turin, Italy, May 8-11, 2016

Xiaomin Duan, David Dahl, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang, Christian Schuster
A Rigorous Approach for the Modeling of Through-Silicon-Via Pairs Using Multipole Expansions
IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 6, no. 1, Januar 2016

Xiaomin Duan, David Dahl, Christian Schuster, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang
Efficient Analysis of Wave Propagation for Through-Silicon-Via Pairs using Multipole Expansion Method
IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Berlin, Germany, May 10-13, 2015

Andreas Hardock, David Dahl, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster
Efficient Calculation of External Fringing Capacitances for Physics-Based PCB Modeling
IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Berlin, Germany, May 10-13, 2015

David Dahl, Xiaomin Duan, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang, Christian Schuster
Efficient Computation of Localized Fields for Through Silicon Via Modeling Up to 500 GHz
IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 5, no. 12, Dezember 2015

David Dahl, Sebastian Müller, Christian Schuster
Effect of Layered Media on the Parallel Plate Impedance of Printed Circuit Boards
IEEE Electrical Design of Advanced Packaging and Systems (EDAPS) Symposium, India, Bangalore, December 14-16, 2014

David Dahl, Anne Beyreuther, Xiaomin Duan, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang, Christian Schuster
Analysis of Wave Propagation along Coaxial Through Silicon Vias Using a Matrix Method
IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Ghent, Belgium, May 11-14, 2014

David Dahl, Xiaomin Duan, Anne Beyreuther, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang, Christian Schuster
Applying a physics-based via model for the simulation of Through Silicon Vias
IEEE Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems (EPEPS), San Jose, CA, USA, October 27-30, 2013

David Dahl, Xiaomin Duan, Anne Beyreuther, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang, Christian Schuster
Application of the Transverse Resonance Method for Efficient Extraction of the Dispersion Relation of Arbitrary Layers in Silicon Interposers
IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Paris, France, May 12-15, 2013

Software-Benchmarking in der Signal- und Power-Integrität

Industrieprojekt. 01.03.2012 – 31.12.2014

Das Institut für Theoretische Elektrotechnik evaluierte die SEMCAD-Software der SPEAG, ein Feldlöser auf Basis eines FDTD-Algorithmus, in Hinblick auf typische Probleme der Signal- und Power-Integrität beim Entwurf von digitalen Systemen. Die Schmid & Partner Engineering AG (SPEAG) ist ein Zürcher Unternehmen, welches moderne Simulations-Tools und Messgeräte für elektromagnetische Messung in Nah- und Fernfeld und Anwendung vom statischen bis in den optischen Frequenzbereich entwickelt und herstellt. Die SPEAG konzentriert sich dabei auf Auswertung und Optimierung von elektromagnetischen Feldern in komplexen Umgebungen, wie zum Beispiel nahe oder im menschlichen Körper. Der typische Anwendungsbereich umfasst elektromagnetische Sicherheit und Design-Optimierungen von Mobiltelefonen, Magnetresonanztomographie sowie von medizinischen Implantaten.

In der Abbildung unterhalb wird ein Benchmark für ein elektrisches Package gezeigt. Ein Modell einer Ball Grid Array (BGA)-Fassung (socket) besteht aus etwa 28 Millionen Gitterzellen. Reflektion, Transmission sowie die Parameter des Übersprechens wurden im Frequenzbereich bis 40 GHz aus Zeitbereichsdaten extrahiert. Es kann beobachtet werden, dass das Übersprechen sein Maximum in einem Frequenzbereich zwischen 10 und 15 GHz erreicht.

SEMCAD-Modell eines BGA (ball grid array)-Sockels.

Zugehörige Streuparameter, welche in der SEMCAD-Simulation erhalten wurden.

Eine zweiter Benchmark wurde mit dem unten im Detail gezeigten Silizium-Interposer durchgeführt, welcher zwei Silizium-Durchkontaktierungen (through silicon vias, TSVs) aufweist und dessen Modell aus etwa einer Million Gitterzellen besteht. Ergebnisse im Zeitbereich bei Anregung mit zwei digitalen Pulsen werden in der folgenden Abbildung gezeigt. Es kann beobachtet werden, dass die TSVs im Wesentlichen induktive Reflektion zeigen und Übersprechen während der Anstiegs- und Abfallszeiten des Anregungssignals verursacht wird.

SEMCAD-Modell eines Silizium-Interposers mit Silizium-Durchkontaktierungen.

Zeitbereichsergebnisse der SEMCAD-Simulation.

Entwurf von 50+ Gbps High Speed Serial Links für digitale Systeme

Industrieprojekt. 01.08.2014 – 31.10.2014

Der Entwurf von High Speed Serial Link für digitale Systeme nähert sich in seinen Datenraten schnell dem Bereich 25-50 Gbps und wird diesen in der nächsten Dekade wohl noch überschreiten. Diesen Trend kann man u.a. festmachen an der kürzlich gestarteten 56 Gbps Common Electrical Interface (CEI) Initiative des Optical Internetworking Forum (OIF). Mit dem Anstieg der Datenrate werden Probleme in den Feldern der Signal-Integrität (SI), der Power-Integrität (PI) und der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) weiter ansteigen und dementsprechend Aufmerksamkeit verlangen, wenn Systeme nicht in ihrer elektrischen Integrität gefährdet werden sollen (siehe Abbildung unten).
In diesem Forschungsprojekt in Zusammenarbeit mit der HUAWEI Forschung Europa hat das Institut für Theoretische Elektrotechnik den Stand der Technik, die technischen Herausforderungen und die notwendigen Schritte für die elektrische Integrität bei solchen Datenraten recherchiert und untersucht. Dabei wurden insbesondere folgende Aspekte betrachtet:

– wesentliche Elemente erfolgreicher Entwurfsstrategien für Links,
– notwendige CAD-Werkzeuge für den Entwurf von Links,
– besondere Probleme und Herausforderungen bei 50+ Gbps Übertragung,
– passende Aufbau- und Verbindungstechnik für 50+ Gbps Übertragung,
– wichtigste Forschungsthemen der nächsten Zukunft.

Die Ergebnisse wurden in einem White Paper zusammengefasst und bei HUAWEI präsentiert.

Das Konzept der elektrischen Integrität für digitale Systeme: Typischerweise werden drei Aspekte der elektrischen Integrität unterschieden (links): Power-Integrität, Signal-Integrität und elektromagnetische Verträglichkeit. Obwohl alle drei über verschiedene Zielstellungen und Methoden verfügen, sind diese Aspekte eng miteinander verknüpft. Die schematische Darstellung (rechts) illustriert die Zielvorstellungen der verschiedenen Aspekte, die verkürzt wie folgt beschrieben werden können: Die Power-integrität stellt eine stabile Spannungsversorgung sicher, die Signal-Integrität stellt die Qualität von transmittierten Signalen sicher und die elektromagnetische Verträglichkeit stellt ein niedriges Niveau elektromagnetischer Interferenzen sicher.

Modellierung von Via-Arrays für die Anwendung in schnellen energieeffizienten digitalen Systemen

Promotion Sebastian Müller. 01.04.2010 – 31.07.2014

Die vorgelegte Arbeit betrachtet die Anwendung quasianalytischer (sogenannter “physics-based”) Viamodelle zur genauen und effizienten Modellierung von Via-Arrays in mehrlagigen Leiterplatten. Die Arbeit beinhaltet drei Hauptaspekte: eine Untersuchung und Verbesserung der Modellgenauigkeit, eine Untersuchung und Verbesserung der Modelleffizienz und eine Anwendung des Modells im Rahmen eines systematischen Vergleichs verschiedener Designalternativen für Verbindungen mit hohen Datenraten auf Leiterplatten. Eine Verbesserung der Modellgenauigkeit wird vor allem durch eine verbesserte Nahfeldmodellierung erreicht, die die Simulationsergebnisse insbesondere für Frequenzen oberhalb von 20 GHz verbessert. Mit dem verbesserten Modell wird die genaue Simulation großer Via-Arrays für Viaabstände bis hinab zu 60 mil im Frequenzbereich bis 50 GHz möglich. Verschiedene Verbesserungen im Hinblick auf die Modelleffizienz führen zu einer Reduzierung der Rechenzeiten, die eine schnelle Untersuchung von Designalternativen für kleinere Via-Arrays auf einem einfachen PC ermöglicht. Am Ende der Arbeit wird eine Vorgehensweise für eine systematische Bewertung von Designalternativen vorgestellt. Die Vorgehensweise erlaubt einen quantitativen Vergleich von Designalternativen, der die Auswirkung von Designänderungen auf Signalintegrität und Energieeffizienz im gesamten System berücksichtigt.

(Quelle: TET, TUHH).

(Quelle: TET, TUHH).

Relevante Publikationen:

Sebastian Müller, Xiaomin Duan, Christian Schuster
Energy-aware analysis of electrically long high speed I/O links
Computer Science – Research and Development, vol 29, no. 2, May 2014

Sebastian Müller
Correction to Complete modeling of large via constellations in multylayer printed circuit boards
IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Tevchnology, vol 4, no. 4, April 2014

Sebastian Müller, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Einfluss der Routinglage in Via-Arrays auf die Signalqualität bei hohen Datenraten
EMV Düsseldorf, Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit, Düsseldorf; Germany, March 11-13, 2014

Sebastian Müller, Torsten Reuschel, Renato Rimolo-Donadio, Young H. Kwark,Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Energy-aware signal integrity analysis for high-speed PCB links
submitted to IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2014

Sebastian Müller, Andreas Hardock, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster
Analytical Extraction of Via Near-Field Coupling Using a Multiple Scattering Approach
IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Paris, France, May 12-15, 2013

Sebastian Müller, Fabian Happ, Xiaomin Duan, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster
Complete Modeling of Large Via Constellations in Multilayer Printed Circuit Boards
IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 3, no. 3, March 2013

Sebastian Müller, Xiaomin Duan, Miroslav Kotzev, Yao-Jiang Zhang, Jun Fan, Xiaoxiong Gu, Young Kwark, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster
Accuracy of Physics-Based Via Models for Simulation of Dense Via Arrays
IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 54, no. 5, October 2012

Sebastian Müller, Renato Rimolo-Donadio, Xiaomin Duan, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Analytical Calculation of Conduction and Displacement Current Contributions in PCB Return Current Paths
Asia-Pacific EMC Symposium (APEMC), Singapore, May 21-24, 2012

Sebastian Müller, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster
Anwendung quasianalytischer Via-Modelle zur schnellen Simulation dichter Via-Arrays
Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit, Düsseldorf; Germany, February 7-9, 2012

Sebastian Müller, Xiaomin Duan, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster
Recent Developments of Via and Return Current Path Modeling (Invited)
International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), Torino, Italy, September 12-16, 2011

Sebastian Müller, Xiaomin Duan, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Non-Uniform Currents on Vias and Their Effects in a Parallel-Plate Environment
IEEE Electrical Design of Advanced Package & Systems Symposium (EDAPS), Singapore, December 7 – 9, 2010

Sebastian Müller, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Effect of Mixed-Reference Planes on Single-Ended and Differential Links in Multilayer Substrates
IEEE Workshop on Signal Propagation on Interconnects (SPI), Hildesheim, Germany, May 9-12, 2010

Sebastian Müller, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Schnelle Simulation verlustbehafteter Verbindungsstrukturen auf Leiterplatten auf der Grundlage quasianalytischer Via-Modelle und der Leitungstheorie
Internationale Fachmesse für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV Düsseldorf) March 09.-11., 2010

Sebastian Müller
Including multiconductor transmission lines in a quasi-analytical model for multilayer structures
Diplomarbeit

Untersuchung des Einflusses von Schwankungen der Versorgungsspannung auf die maximalen Datenraten von schnellen digitalen Verbindungen in modernen Server-Systemen

Industrie Projekt. 18.06.2010 – 17.06.2013

Schnelle digitale Verbindungen in IBM’s Serever-Systemen zeigen heutzutage Datenraten von 10 Gigabit pro Sekunde (Gbps) und mehr. Diese Verbindungen sind wesentlich für die insgesamte Systemleistung und werden sorgfältig in Bezug auf Signalintegrität und Bit-Fehlerraten entworfen. Der Entwurfsprozess geht dabei iterativ vor, wobei I/O Schaltkreis-Entwickler und Package-Entwickler gemeinsam die Verbindungsleistung unter Verwendung geeigneter Modelle für die Komponenten des Kommunikationssystems optimieren. Mit steigenden Datenraten (mehr als 12 Gbps in der nächsten Generation) werden sich die zugrundeliegenden Stör-Kopplungsmechanismen ändern und eine Nächste-Nachbarn-Analyse weniger aussagkräftig machen. Auch verlassen sich neuere Architekturen in zunehmenden Maße auf differentielle Signalführung, um die Störfestigkeit zu erhöhen. Mit ansteigenden Datenraten werden deshalb neu Kopplungsmechanismen auftauchen, von denen viele Abhängigkeiten von Skew, Schwankungen der Versorgungsspannung und Diskontinuitäten im Rückstrompfad zeigen werden.

IBM Watson Supercomputer auf Basis des Power7 (Bildquelle: IBM)

Transistoren auf einem IBM Power6 Chip (Bildquelle: IBM)

Der heutige Entwurfsprozess für schnellen digitalen Verbindungen konzentriert sich auf die Leistung der Signalleitung. Der Entwurf des Spannungsversorgungssystems ist üblicherweise davon losgelöst und sein Einfluss auf die Signalqualität und die maximal erreichbare Datenrate wird nicht regelmäßig überprüft oder quantitativ erfasst. In diesem gemeinsamen Forschungsprojekt des Institutes für Theoretische Elektrotechnik und einer Abteilung der IBM Deutschland Research & Development GmbH wurdr der Einfluss von Schwankungen der Spannungsversorgung auf die maximalen Datenraten von schnellen digitalen Verbindungen IBMs untersucht. Das Team entwickelte hierbei erfolgreich ein Modell für die Aufbau- und Verbindungstechnik der Spannungsversorgung und eine Methode um so genannten simultaneous switching noise bei Kanalkapazitätsberechnungen zu berücksichtgen.

Simuliertes Augendiagramm einer schnellen
digitalen Verbindungen.

Simuliertes Augendiagramm unter dem Einfluss einer schwankenden Versorgungsspannung.

Relevante Publikationen:

R. Rimolo-Donadio, X. Duan, Y. Kwark, X. Gu, C. Baks, S. Müller, T.-M. Winkel, T. Strach, L. Shan, H. Harrer,
C. Schuster
Signal and Power Integrity (SPI) Co-Analysis for High-Speed Communication Channels
UBM DesignCon Conference, Santa Clara, CA, USA, Januar 28 – 31, 2013

T.-M. Winkel, H. Harrer, T. Strach, R. Rimolo-Donadio, Y. Kwark, X. Duan, C. Schuster
Framework for Co-Simulation of Signal and Power Integrity in Server Systems
IEEE Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems (EPEPS), Tempe, AZ, USA,
Oktober 21-24, 2012

D. Timmermann, R. Rimolo-Donadio, Y. Kwark, T.-M. Winkel, C. Siviero, H. Harrer, C. Schuster
Methods for Calculation of Eye Diagrams for Digital Links with Multiple Aggressors Having Unknown Time Offsets
IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Sorrento, Italy, Mai 13-16, 2012

C. Schuster and R. Rimolo-Donadio
Modeling of Power Supply Noise Effects on High Speed Interconnects
Workshop on Power and Signal Integrity Co-Design for High-Speed Circuits (WS7), IEEE Asia-Pacific
EMC Symposium (APEMC), Melbourne, Australia, Mai 20-23, 2013

Entwicklung, Validation und Anwendung von semianalytischen Interconnect Modellen für die effiziente Simulation von Multilagensubstraten

Promotion Renato Rimolo-Donadio. 01.11.2006 – 31.12.2010

Das Projekt befasst sich mit der Entwicklung von semianalytischen Modellen für das elektrische Verhalten von Durchkontaktierungen und Leitungen in Chip-Modulen und Leiterplatten. Ein Verfahren für die automatisierte Simulation von mehrlagigen Strukturen wird ebenso dargestellt. Die Modelle werden gründlich anhand von mehreren Teststrukturen und Anwendungsstudien validiert und ausgewertet. Es wird gezeigt, dass die Modelle gute Ergebnisse bis 40 GHz liefern und eine numerische Effizienz bieten, die mindestens zwei Größenordnungen höher ist im Vergleich zu allgemeinen numerischen Verfahren.

TUHH Universitätsbibliothek. TUBDok Link: http://doku.b.tu-harburg.de/volltexte/2011/1091

(Quelle: TET, TUHH).

(Quelle: TET, TUHH).

Relevante Publikationen:

Renato Riomolo-Donadio
Development, Validation, and Application of Semi-analytical Interconnect Models for Efficient Simulation of Multilayer Substrates.
Dissertation 2010. Logos Verlag Berlin. 2011 (ISBN 978-3-8325-2776-1)

Xiaoxiong Gu, Renato Rimolo-Donadio, Zhenwei Yu, Franceso de Paulis, Young H. Kwark, Matteo Cocchini, Mark B. Ritter, Bruce Archambeault, Albert Ruehli, Jun Fan, Christian Schuster
Fast-Physics-Based Via and Trace Models for Signal and Power Integrity Co-Analysis
IEC DesignCon Conference, Santa Carla, USA, Feb. 1-4, 2010

Renato Rimolo-Donadio, Xiaomin Duan, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Comprehensive Multilayer Substrate Models for Co-Simulation of Power and Signal Integrity
IMAPS 42th International Symposium on Microelectronics and Packaging, San Jose, California, USA, November 3-5, 2009

Renato Rimolo-Donadio, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Hybrid Approach for Efficient Calculation of the Parallel-Plate Impedance of Lossy Power/Ground Planes
Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 51, No. 9, September 2009

Renato Rimolo-Donadio, Xiaoxiong Gu, Young H. Kwark, Mark B. Ritter, Bruce Archambeault, Francesco De Paulis, Yaojiang Zhang, Jun Fan, Heinz-D. Brüns, and Christian Schuster
Physics-Based Via and Trace Models for Efficient Link Simulation on Multilayer Structures up to 40 GHz
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 57, No. 8, August 2009

Renato Rimolo-Donadio, Xiaomin Duan, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Differential to Common Mode Conversion Due to Asymmetric Ground Via Configurations
IEEE Workshop on Signal Propagation on Interconnects (SPI), Strasbourg,France, May 12-15, 2009

Yaojiang Zhang, Renato Rimolo-Donadio, Christian Schuster, Erping Li, Jun Fan
Extraction of Via-Plate Capacitance of an Eccentric Via by an Integral Approximation Method
IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 19, No. 5, May 2009

Dong G. Kam, Mark B. Ritter, Troy J. Beukema, John F. Bulzacchelli, Petar K. Pepeljugoski, Young H. Kwark, Lei Shan, Xiaoxiong Gu, Christian W. Baks, Richard A. John, Gareth Hougham, Christian Schuster, Renato Rimolo-Donadio, Boping Wu.
Is 25 Gb/s On-Board Signaling Viable?
IEEE Transactions on Advanced Packaging, Vol. 32, No. 2, May 2009.

Xiaoxiong Gu, Francesco De Paulis, Renato Rimolo-Donadio, Ketan Shringarpure, Yaojiang Zhang, Bruce Archambeault, Sam Connor, Young H. Kwark, Mark B. Ritter, Jun Fan, Christian Schuster
Fully Analytical Methodology for Fast End-to-End Link Analysis on Complex Printed Circuit Boards including Signal and Power Integrity Effects.
IEC DesignCon Conference, Santa Clara, USA, February 2-5, 2009

Renato Rimolo-Donadio, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Including Stripline Connections into Network Parameter Based Via Models for Fast Simulation of Interconnects
International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility, Switzerland, Jan. 12-15, 2009

Mark B. Ritter, Petar Pepeljugoski, Xiaoxiong Gu, Young Kwark, Dong Kam, Renato Rimolo-Donadio, Boping Wu, Christian Baks, Richard John, Lei Shan, Christian Schuster
The Viability of 25 Gb/s On-board Signaling
IEEE Electronic Components and Technology Conference (ECTC), Lake Buena Vista, FL, USA, May 27-30, 2008

Renato Rimolo-Donadio, Andrzej J. Stepan, Heinz-D. Brüns, James L. Drewniak, Christian Schuster
Simulation of Via Interconnects Using Physics-Based Models and Microwave Network Parameters
IEEE Workshop on Signal Propagation on Interconnects (SPI), Avignon, France, May 12-15, 2008

Renato Rimolo-Donadio, Christian Schuster, Young Kwark, Xiaoxiong Gu, Mark Ritter
Analysis and Optimization of the Recessed Probe Launch for High Frequency Measurements of PCB Interconnects
IEEE Design, Automation and Test in Europe Conference and Exhibition DATE’08, Munich, Germany, March 10-14, 2008