Ở tốc độ 112 Gb/s PAM-4, kênh truyền giữa hai con SerDes làm suy hao tín hiệu tới vài chục decibel tại tần số Nyquist. Mắt tín hiệu tại chân thu, nếu nhìn bằng máy hiện sóng, đã đóng hoàn toàn. Nó chỉ mở ra sau khi bộ cân bằng bên trong chip làm việc — mà bộ cân bằng ấy nằm trong silicon, không có điểm đo nào chạm tới được. Đây chính là bài toán mà mô phỏng IBIS-AMI sinh ra để giải.
Bài viết trình bày cơ chế hoạt động của mô hình IBIS-AMI, phân biệt hai luồng mô phỏng thống kê và bit-by-bit, và chỉ ra chỗ nào trong quy trình cần số liệu đo thật thay vì mô hình.
Vì sao mô phỏng IBIS-AMI thay thế được phép đo trực tiếp
IBIS (Input/Output Buffer Information Specification) vốn là chuẩn mô tả hành vi điện của bộ đệm vào/ra, được IBIS Open Forum duy trì. Phiên bản IBIS 7.0 được thông qua trong cuộc bỏ phiếu của IBIS Open Forum ngày 15/3/2019.
Phần AMI (Algorithmic Modeling Interface) là mở rộng mô tả phần thuật toán của một SerDes: mạch cân bằng phát FFE, mạch cân bằng thu CTLE và DFE, mạch khôi phục xung nhịp. Nhà sản xuất chip biên dịch thuật toán này thành một thư viện nhị phân kèm một tệp tham số dạng văn bản, nhờ đó chia sẻ được hành vi mà không lộ thiết kế bên trong.
Một mô hình AMI cung cấp tối đa năm hàm giao diện: AMI_Resolve, AMI_Resolve_Close, AMI_Init, AMI_GetWave và AMI_Close. Công cụ EDA gọi các hàm này theo thứ tự quy định và tự lo phần kênh thụ động ở giữa.
Hai luồng mô phỏng: thống kê và bit-by-bit
Đây là phân biệt quan trọng nhất khi đọc kết quả mô phỏng, và cũng là chỗ hay bị hiểu nhầm nhất.
Luồng thống kê, gọi qua AMI_Init
AMI_Init nhận đáp ứng xung của kênh từ công cụ EDA, chập nó với đáp ứng xung của linh kiện rồi trả kết quả về. Từ một đáp ứng xung duy nhất, công cụ dựng ra biểu đồ mắt và đường bathtub bằng phép tính giải tích, nên ngoại suy được tới tỉ lệ lỗi bit rất thấp — mức 10-12 hoặc thấp hơn — trong thời gian tính bằng giây.
Cái giá phải trả: luồng thống kê giả định hệ tuyến tính và bất biến theo thời gian. Mọi thứ phi tuyến hoặc thích nghi theo thời gian — DFE bám dữ liệu, vòng khôi phục xung nhịp, giới hạn biên độ của bộ đệm — đều bị bỏ qua hoặc chỉ mô hình gần đúng.
Luồng thời gian thực, gọi qua AMI_GetWave
AMI_GetWave nhận một chuỗi bit, biến đổi nó theo các tính năng cân bằng của linh kiện, rồi trả chuỗi đã xử lý về cho công cụ EDA. Vì tín hiệu được xử lý bit này qua bit khác, luồng này tái hiện được đúng hành vi phi tuyến và thích nghi.
Cái giá là thời gian: muốn có ý nghĩa thống kê ở mức 10-12, về nguyên tắc phải chạy hơn 1012 bit — điều bất khả thi. Thực tế người ta chạy một số bit vừa phải rồi ngoại suy, hoặc dùng kỹ thuật mã hoá kích thích tập trung vào các mẫu bit xấu nhất.
Một mô hình hỗ trợ cả hai luồng được gọi là dual model. Quy trình lành mạnh là dùng luồng thống kê để quét nhanh không gian thiết kế — chiều dài đường, số via, vật liệu lớp điện môi — rồi dùng luồng bit-by-bit để xác nhận vài cấu hình đã lọt vào vòng chung kết.
Mô hình kênh: chỗ mô phỏng gặp phép đo thật
Mọi kết quả IBIS-AMI đều chỉ tốt bằng mô hình kênh đưa vào. Nếu tệp Touchstone mô tả đường truyền sai lệch, không mô hình SerDes nào cứu được kết quả.
Mô hình kênh đến từ hai nguồn. Nguồn thứ nhất là mô phỏng trường điện từ từ file layout — nhanh, làm được từ sớm, nhưng phụ thuộc vào độ chính xác của tham số vật liệu, mà hằng số điện môi và hệ số tổn hao của lớp nền lại thay đổi theo tần số và theo lô sản xuất. Nguồn thứ hai là đo tham số S trên bo mạch thật.
Với các kênh chạy tới vùng hàng chục GHz, phép đo này cần máy phân tích mạng có dải tần và dải động tương xứng. Keysight N5227B phủ từ 900 Hz đến 67 GHz, có bản 2 cổng một nguồn và bản 4 cổng hai nguồn — cấu hình 4 cổng là bắt buộc nếu muốn lấy tham số S hỗn hợp của một cặp vi sai. Máy cho dải động 124 dB tại 67 GHz và công suất nguồn từ +13 dBm tại 1 GHz tới +11 dBm tại 67 GHz, tốc độ 3,6 đến 23 µs mỗi điểm. Dải động là con số đáng chú ý ở đây: kênh suy hao 40 dB cộng với việc cần thấy đáy nhiễu dưới đó vài chục decibel là lý do người ta không dùng máy dải động thấp cho việc này.
Về cách chuyển từ tham số S đơn cực sang tham số S hỗn hợp cho cặp vi sai, xem bài Tham số S hỗn hợp: đo trở kháng vi sai và chế độ chung. Còn quan hệ giữa toàn vẹn tín hiệu và toàn vẹn nguồn trên PCB tốc độ cao được bàn trong bài Toàn vẹn nguồn PDN và toàn vẹn tín hiệu cho PCB tốc độ cao.
Khi kênh đi qua sợi quang: xác nhận bằng máy hiện sóng lấy mẫu
Nhiều liên kết SerDes tốc độ cao không kết thúc ở đầu nối điện mà đi vào một mô-đun quang. Lúc đó chuỗi mô phỏng dừng lại ở chân driver, và phần còn lại phải được xác nhận bằng phép đo quang.
Keysight N1092D là máy hiện sóng lấy mẫu DCA-M bốn kênh quang, băng thông quang tối đa 28 GHz, jitter nội tại dưới 200 fs rms, dùng cho phân tích dạng sóng NRZ và PAM-4 ở dải 8,4 đến 64 GBaud. Cần lưu ý đúng bản chất thiết bị: N1092D là cấu hình bốn kênh quang, không có kênh điện — nó xác nhận chất lượng bộ phát quang, chứ không thay thế phép đo tham số S của kênh điện.
Cách phối hợp hợp lý là: mô phỏng IBIS-AMI cho đoạn điện từ SerDes tới driver quang, đo tham số S bằng máy phân tích mạng để nuôi mô hình kênh, và đo trực tiếp bằng DCA-M cho đoạn quang.
Cây quyết định và những bẫy thường gặp
- Trước khi tin biểu đồ mắt, kiểm tra tính thụ động và tính nhân quả của tệp Touchstone. Một tệp S-parameter có độ lợi lớn hơn 1 ở tần số nào đó sẽ khiến mô phỏng phân kỳ hoặc cho kết quả lạc quan giả. Hầu hết công cụ đều có bước kiểm tra này — đừng bỏ qua nó.
- Ngoại suy tuyến tính đường bathtub từ vài nghìn bit là sai. Nếu kênh có nhiễu tuần hoàn hoặc xuyên âm, đuôi phân bố không phải Gauss và ngoại suy sẽ cho kết quả quá lạc quan.
- Kiểm tra xem DFE đã hội tụ chưa trước khi lấy thống kê từ luồng bit-by-bit. Bỏ đoạn đầu chuỗi bit, đúng bằng thời gian thích nghi mà nhà sản xuất mô hình khuyến nghị.
- Đừng đối chiếu mô phỏng và đo bằng biểu đồ mắt tại chân thu. Không có điểm đo nào ở đó. Hãy đối chiếu ở nơi cả hai đều quan sát được: tham số S của kênh, và dạng sóng tại đầu ra bộ phát.
- Xuyên âm phải được đưa vào từ đầu. Ở mật độ kênh hiện nay, xuyên âm từ các cặp lân cận thường lớn hơn nhiễu nhiệt vài bậc; mô phỏng một cặp đơn độc cho ra kết luận không dùng được.
Chọn thiết bị Keysight cho luồng công việc mô phỏng IBIS-AMI
Mô phỏng cần dữ liệu đo. Ba nhu cầu thường gặp và thiết bị tương ứng:
- Trích xuất mô hình kênh điện tới hàng chục GHz: N5227B bản 4 cổng, để lấy đủ ma trận tham số S hỗn hợp cho cặp vi sai.
- Xác nhận bộ phát quang NRZ/PAM-4: N1092D, với bốn kênh quang cho phép đo song song nhiều làn.
- Đối chiếu mô phỏng với phép đo: giữ nguyên một bộ đồ gá và một quy trình hiệu chuẩn cho toàn bộ dự án. Thay đồ gá giữa chừng là nguyên nhân phổ biến khiến hai lần đo không khớp nhau mà không ai giải thích được.
Kết luận
IBIS-AMI không phải là công cụ để có một biểu đồ mắt đẹp, mà là công cụ để trả lời câu hỏi “liên kết này còn bao nhiêu biên độ dự phòng ở tỉ lệ lỗi bit mục tiêu”. Muốn câu trả lời có giá trị, cần dùng đúng luồng cho đúng mục đích — thống kê để quét, bit-by-bit để xác nhận — và quan trọng hơn cả, cần một mô hình kênh dựa trên số liệu đo thật chứ không chỉ trên tham số vật liệu giả định.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 và hỗ trợ cấu hình hệ đo tham số S cũng như hệ đo quang tốc độ cao. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn.
