[SI/PI] Signal Integrity 란 무엇인가?

고속 동작의 반도체들에 대한 시장의 수요가 높아지면서 Device와 System 간의 Interconnects 들의 영향도가 제품 특성에 큰 영향을 끼치고 있다. 기존의 Board, Pacakge는 연결성에 대한 고려를 중심적으로 고려했지만, 고속화로 인해서 이들의 전기적인 특성, 즉 Signal intergrity 역시 중요한 점이 되었다. 보통 Clock 의주파수가 100 MHz 이상일 경우를 high frequency라고 하며, 현재는 해당 수치를 월등히 넘는 정도의 제품들을 시장에서 볼 수 있다.

가장 넓은 관점에서 Signal integrity는 고속 동작 제품(반도체)들의 Interconnection 들에 의해서 발생하는 모든 문제들을 말한다. 다시 말해, Interconnects의 전기적인 특성(신호들의 전압과 전류들의 파형)들이 제품 성능에 영향을 어떻게 미치는지에 대한 것이다.

Signal integrity에 영향을 미치는 항목들은 Timing, Noise, EMI(Electromagnetic interference)로 3가지 항목으로 분로될 수 있다. Timing 은 Clock의 Rising 시점에 맞추어 신호가 정확히 전달이 되는지에 대한 검토이다. 예를 들어 Dram의 경우에는 읽기 신호가 발생했을 때, 제품 내부에 있는 신호들이 동일한 Clock Rising 시점에 전달이 될 수 있는지에 대한 내용이다. 다음 Noise는 제품 내에서 신호 전달되는 Interconnection들의 위치, 자체 크기, 소재 등에 의해서 발생되는 문제이다. Noise 문제는 총 4가지 정도로 구분된다. 1. 단일 net의 신호 품질(신호와 Return path에 발생하는 Z(impedance) 불연속점에 의한 Reflection과 Distortion), 2. 두 가지 Net 간에서 발생하는 Cross-talk( Mutual C, L의 Coupling현상) 3. Power Distribution system(PDS or PDN)의 균형 붕괴(Power 내의 Z 값으로 인한 Voltage 감소 현상 등..) 4. 단일 제품 및 System으로 부터의 EMI로 총 4 가지로 Noise은 구분된다.

1. 단일 net 의 신호 품질

Net 은 Device Pin, Board Pin, Package Pin 혹은 각 요소들 내부에서 하나로 연결되는 것들을 지칭한다. 또한 이는 신호 Path 뿐만이 아니라 Return Path 역시 의미한다.

단일 신호의 품질은 Return path 뿐만이 아니라 signal Path의 물리적인 특징에 의해서도 결정이 된다. 하나의 Net(Signal)은 각각의 요소을 지나 Return Path로 돌아오는 중에 다양한 Impedance discontinuity를 만나게 되며 이는 Signal 품질에 영향을 미친다.

Impedance discontinuity을 발생하는 상황은 주로 6가지이다. Line 의 너비 변경,

Layer 변경을 위한 Via, Return-path plan 의 차이, 커넥터, Branch/tee/stub, net의 종점. 이러한 불연속점에서 Signal의 Reflection 현상이 발현된다. (매질 변경 시에 발생하는 파동의 반사와 비슷한 현상) 고속 동작으로 갈수록 Reflection은 다음 신호의 왜곡 정도가 커지게 되고 이는 제품의 비정상적인 동작을 야기한다. 이러한 현상은 주파수 의존적인 Loss 발생 및 신호 전달 타이밍으로 나타나게 된다.

2. Cross Talk

신호 전달을 하는 Path와 인접한 신호 Path가 있을 경우 Capacitive, Inductive Coupling 으로 인한 Noise를 Cross talk이라고 한다. 주로 균일한 transmission line 또는 균일하지 않은 Transmission line인 환경에서 발생한다. 균일한 환경에서는 Capacitive Coupling, inductive coupling 이 비교 가능한 수준으로 발생한다. 이러한 상황에서 넓은 Return path Plane을 확보하는 것이 Cross talk을 최소화하는 방안이 된다. 넓은 Return path plane 이 확보가 안될 경우, 혹은 Return Path 가 변경되는 경우에 이는 Inductive coupling Noise를 더 많이 만들게 된다. 예를 들어 Return path 가 1개의 Path 수준으로 줄어들 경우, 2 개의 Signal의 Return Path가 겹치게 되어 Inductive coupling 이 지배적으로 발생한다. 이를 Mutual inductance라고 부른다.

4. Rail-Collapse Nois, 5. Electromagnetic interference는 다음 Posting 다루도록 하겠다.