izvestswsuИзвестия Юго-Западного государственного университетаProceedings of the Southwest State University2223-15602686-6757ЮЗГУ10.21869/2223-1560-2021-25-3-167-180izvestswsu-931Research ArticleИнформатика, вычислительная техника и управлениеComputer science, computer engineering and IT managmentОценка параметров высокоскоростных линий связи для высоконадежных реконфигурируемых систем на базе S-параметров и BEREvaluation of High-Speed Link Parameters for Highly Reliable Reconfigurable Systems Based on S-Parameters and BERОрда-ЖигулинаМ. В.Orda-ZhigulinaM. V.

Орда-Жигулина Марина Владимировна, кандидат технических наук, cтарший научный сотрудник

пр. Чехова, д. 41, г. Ростов-на-Дону 344006

пер. Итальянский, д. 106, г. Таганрог 347900

Marina V. Orda-Zhigulina, Cand. of Sci. (Engineering), Associate Professor, Researcher

41 Chekhov ave., Rostov-on-Don 344006

106 Italian Lane, Taganrog 344006

jigulina@mail.ruФедеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук; Научно-исследовательский центр супер-ЭВМ и нейрокомпьютеровSouthern Scientific Center of the RAS; Supercomputers and Neurocomputers Research Center202129012022253167180Copyright © Орда-Жигулина М.В., 20222022Орда-Жигулина М.В.Orda-Zhigulina M.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestswsu.elpub.ru/jour/article/view/931

Цель исследования: улучшение параметров передачи сигнала в высокоскоростных линиях передачи сигнала, в том числе между программируемыми логическими интегральными схемами (ПЛИС). Такое улучшение параметров передачи сигнала с учетом влияния на них электрических и конструктивных параметров многослойных печатных плат (МПП) необходимо для повышения пропускной способности современных высоконадежных реконфигурируемых систем для обеспечения скорости передачи данных до десятков Гбит/c. Обеспечение таких высоких скоростей передачи данных становится возможным за счет использования более широкой полосы частот передаваемых сигналов. Одним из существующих подходов к решению такой задачи является увеличение «физической» частоты передаваемых информационных сигналов до 25-300 ГГц, что является достаточным для достижения требуемых скоростей.Методы. В данной статье предложен метод оценки качества высокоскоростных линий передачи сигнала на базе определения таких стандартизированных методов анализа параметров передачи сигнала, как JCOM, S-параметров и BER, которые позволяют оценивать высокоскоростные линии передачи связи. Так, для оценки качества цифрового канала связи может использоваться параметр JCOM (the Channel Operating Margin (COM)/JCOM) – стандартизированный метод определения общего показателя качества канала. Для оценки затухания и потерь информационного сигнала в тракте, когда отраженные от неоднородностей копии сигнала воздействуют на оригинал и приводят к его искажению, используются известные методы оценки таких параметров передачи сигнала, как коэффициент отражения S11 и коэффициент ослабления S21 (S-Parameters). Моделирование такого параметра, как интенсивность битовых ошибок Bit Error Rate (BER) происходит согласно методике нормирования и контроля качества G.821/G.826/M2100.Результаты. На основе оценки таких параметров передачи сигнала, как Channel Operating Margin (COM), S-параметров и Bit Error Rate (BER) были выбраны основные метрики для оценки качества высокоскоростных линий передачи сигнала. Были получены численные оценки параметров передачи сигнала и оценено их влияние на конструктивные параметры высокоскоростных линий передачи сигнала. В частности, для скорости передачи данных менее 25 Гбит/с рекомендуется использовать не менее 1 переходного отверстия между экранирующими полигонами в GND-разделительных слоях через каждые 0,5 см или на 0,25 см2 площади МПП. Рекомендуется использовать не менее 2-х переходных отверстий между экранирующими полигонами в GND-разделительных слоях через каждые 0,5 см или на 0,25 см2 площади МПП, если высокоскоростная линия передачи сигнала проходит на расстоянии ближе 2,5 см от цепей питания в проекции на слой, где расположены цепи питания.Заключение. В статье предложен метод расчета параметров передачи сигнала в высокоскоростных линиях передачи сигналов на базе расчета параметров Channel Operating Margin (COM), S-параметров и Bit Error Rate (BER). В рамках предложенного метода был проведен анализ параметров передачи сигнала, который показал, что при соблюдении «эталонных» значений электрических параметров линии наибольший вклад в искажение сигнала вносят переводные отверстия, затем слои, в которых расположена сигнальная линия, количество экранирующих полигонов между сигнальными слоями и слоями, в которых проходят цепи питания, конструктивные параметры переходных отверстий, а также длина и количество сегментов высокоскоростной линии. Были даны численные оценки минимального количества переходных отверстий и их диаметра, длины сегментов дифференциальных пар. Данные результаты могут быть использованы на этапе пред-проектного моделирования (pre-layout analysis) высокоско-ростных линий передачи сигнала для вычислительных модулей высоконадежных реконфигурируемых систем.

Purpose of research. is to improve signal transmission parameters in high-speed signal transmission lines, including between programmable logic integrated circuits (PLIC). This improvement in signal transmission parameters is necessary to increase throughput of modern highly reliable reconfigurable systems to ensure data transfer rate of up to tens of Gbit/s. It can be done considering the influence of electrical and structural parameters of multi-layer printed circuit boards (MPCB) on them. It is possible to provide such high data rates by using a wider frequency band of transmitted signals. One of the existing approaches to this problem is to increase "physical" frequency of transmitted information signals to 25-300 GHz, which is sufficient to achieve desired rates.Methods. A method for estimating quality of high-speed signal transmission lines based on the definition of standardized methods for analyzing signal transmission parameters, such as JCOM, S-parameters and BER is proposed in the article. This method allows evaluating high-speed communication lines. Thus, the Channel Operating Margin (COM)/JCOM parameter can be used to estimate the quality of a digital communication channel - a standardized method for determining the overall channel quality indicator. Known methods are used to estimate such signal transmission parameters as S11 reflection coefficient and S21 attenuation coefficient (S-Parameters). These methods are used to estimate attenuation and loss of the information signal in the path, when copies of the signal reflected from inhomogeneities affect the original and lead to its distortion. Simulation of such parameter as Bit Error Rate (BER) is carried out according to G.821/G.826/M2100 rationing and quality control methodology.Results. The main metrics were selected to evaluate the quality of high-speed signal transmission lines. It is based on the evaluation of such signal transmission parameters as Channel Operating Margin (COM), S-parameters and Bit Error Rate (BER). Numerical evaluations of signal transmission parameters were obtained and their effect on the design parameters of high-speed signal transmission lines was estimated. It is recommended to use at least 1 transition hole between screening polygons in GND separation layers every 0.5 cm or 0.25 cm2 of WFP area. It is for a data rate of less than 25 Gbit/s, It is recommended to use at least 2 transition holes between screening polygons in GND separation layers every 0.5 cm or 0.25 cm² of PV area, if high-speed signal transmission line passes at a distance of closer than 2.5 cm from the power supply circuits in a projection on the layer where the power supply circuits are located.Conclusion. A method for calculating signal transmission parameters on high-speed signaling lines based on the calculation of Channel Operating Margin (COM), S-parameters and Bit Error Rate (BER) parameters is introduced. As part of introduced method, an analysis of signal transmission parameters was carried out. This analysis shows that when the "reference" values of electrical parameters of the line are met, the transfer holes contribute most to the signal distortion; then the layers in which the signal line is located, the number of screening polygons between the signal layers and the layers; in which the power supply circuits, the design parameters of the transition holes, as well as the length and number of segments of the high-speed line pass. Numerical evaluations of minimum number of transition holes and their diameter, the length of segments of differential pairs are given. These results can be used in pre-layout analysis step of high-speed signal transmission lines for computational modules of highly reliable reconfigurable systems.

системы сбора и обработки данныхвысоконадежные реконфигурируемые системыанализ целостности сигналавысокоскоростные линии связиМПП высоконадежных реконфигурируемых системBERCOMS-параметрыdata collection and processing systemshighly reliable reconfigurable systemsanalysis of signal integrityhigh-speed linksWFP highly reliable reconfigurable systemsBERCOMS-ParametersРабота выполнена в рамках реализации ГЗ ЮНЦ РАН, No.АААА-А19-119011190173-6.The publication was prepared as part of GZ SSC RAS N GR project №АААА-А19- 119011190173-6.ReferencesTime-Domain Channel Specification: Proposal for Backplane Channel Characteristic Sections / R. Mellitz, C. Moore, M. Dudek, M. Li, A. Ran // Meeting, San Diego, CA, 2012.Mellitz R., Moore C., Dudek M., Li M., Ran A., Time-Domain Channel Specification: Proposal for Backplane Channel Characteristic Sections July 2012 Meeting, San Diego, CA, 2012.Common Electrical I/O (CEI) – Electrical and Jitter Interoperability agreements for 6G+ bps, 11G+ bps and 25G+ bps I/O, OIF-CEI-03.1.Common Electrical I/O (CEI) – Electrical and Jitter Interoperability agreements for 6G+ bps, 11G+ bps and 25G+ bps I/O, OIF-CEI-03.1.Mellitz R., Intel, Various Topics for Computing Channel Operating Margin (COM), 2014.Mellitz R., Intel, Various Topics for Computing Channel Operating Margin (COM), 2014.Stephan H., Howard L., Advanced Signal Integrity for High-Speed Digital Designs, 2009.Stephan H., Howard L., Advanced Signal Integrity for High-Speed Digital Designs, 2009. 5. Brown M. et.al. The state of IEEE 802.3bj 100 Gb/s Backplane Ethernet, DesignCon, 2014.Brown M. et. al. The state of IEEE 802.3bj 100 Gb/s Backplane Ethernet, DesignCon, 2014.Suanov T. Modelirovanie vysokoskorostnykh linii peredachi v mnogosloinykh pechatnykh platakh [Modeling of high-speed transmission lines in multilayer printed circuit boards]. Izvestiya Yuzhnogo federal'nogo universiteta. Tekhnicheskie nauki = Izvestia of the Southern Federal University. Technical science, 2013, vol.11(148), pp. 186-194.Суанов Т. А. Моделирование высокоскоростных линий передачи в многослойных печатных платах // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2013. № 11 (148). P. 186-194.Opisanie programmnogo obespecheniya dlya elektrodinamicheskogo 3D modelirovaniya Ansys HFSS [Description of software for electrodynamic 3D modeling Ansys HFSS]. Available at: https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-hfss (accessed 10.12.2019)Описание программного обеспечения для электродинамического 3D моделирования Ansys HFSS. URL: https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-hfss (дата обращения: 10.12.2019)Horn, A. Dielectric constant and loss of selected grades of Rogers high frequency circuit substrates from 1-50 GHz. Rogers Corporation Technical Report 5788. 2003Horn A. Dielectric constant and loss of selected grades of Rogers high frequency circuit substrates from 1-50 GHz // Rogers Corporation Technical Report 5788. 2003.Liew E. [et al.] Signal transmission loss due to copper surface roughness in highfrequency region. Association Connecting Electronics Industries, IPC APEX EXPO, 2014: New Ideas... For New Horizons, Las Vegas, 2014.Signal transmission loss due to copper surface roughness in high-frequency region / E. Liew [et al.] // Association Connecting Electronics Industries, IPC APEX EXPO, 2014: New Ideas... For New Horizons, Las Vegas. 2014.Artemenko A. [et al.] Design of wideband waveguide to microstrip transition for 60 GHz frequency band. Proceedings of 41st European Microwave Conference (EuMC), Manchester, UK, 2011, pp. 838-841. https://doi.org/10.23919/EuMC.2011.6101966Design of wideband waveguide to microstrip transition for 60 GHz frequency band. / A. Artemenko [et al.] // Proceedings of 41st European Microwave Conference (EuMC), Manchester, UK. 2011. P. 838-841. https://doi.org/10.23919/EuMC.2011.6101966Trifonenko I et al. Obzor sistem skvoznogo proektirovaniya pechatnykh plat radioelektronnykh sredstv [Review of systems for end-to-end design of printed circuit boards of radioelectronic facilities]. Trudy Mezhdunarodnogo simpoziuma «Nadezhnost' i kachestvo» = Proceedings of the International Symposium "Reliability and Quality". Penza, 2012, vol. 2, pp. 396-399. Available at: https://cyberleninka.ru/article/n/obzor-sistem-skvoznogoproektirovaniya-pe-chatnyh-plat-\radioelektronnyh-sredstvТрифоненко И. М. и др. Обзор систем сквозного проектирования печатных плат радиоэлектронных средств // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». Пенза, 2012. Т. 1. С. 396-399.Pizano-Escalante L., Longoria-Gandara O., Parra-Michel R., Peña-Campos F., Simulation Model to Predict BER Based on S-Parameters of High-Speed Interconnects. IEEE Design & Test, 2012, vol. 36, pp. 31-39.Simulation Model to Predict BER Based on S-Parameters of High-Speed Interconnects / L. Pizano-Escalante, O. Longoria-Gandara, R. Parra-Michel, F. Peña-Campos // IEEE Design & Test. 2012. Vol. 36. P. 31-39.Soykin O. [et al.]. Wideband Probe-Type Waveguide-to-Microstrip Transition for Vband Applications. Proceedings of 46th European Microwave Conference (EuMC), 2016, pp. 1-4.Wideband Probe-Type Waveguide-to-Microstrip Transition for V-band Applications / O. Soykin [et al.] // Proceedings of 46th European Microwave Conference (EuMC). 2016. P. 1-4.Mozharovskiy A. [et al.] Wideband Probe-Type Waveguide-To-Microstrip Transition for 28 GHz Applications. 48th European Microwave Conference (EuMC). Madrid, Spain, 2018, pp. 113-116.Wideband Probe-Type Waveguide-To-Microstrip Transition for 28 GHz Applications / A. Mozharovskiy [et al.] // 48th European Microwave Conference (EuMC), Madrid, Spain. 2018. P. 113-116.Churkin S. [et al.] Top-Layer Wideband Transition from Waveguide to Planar Differential Line for 60 GHz Ap-plications. 48th European Microwave Conference (EuMC). Madrid, Spain, 2018, pp. 663-666.Top-Layer Wideband Transition from Waveguide to Planar Differential Line for 60 GHz Ap-plications / S. Churkin [et al.] // 48th European Microwave Conference (EuMC), Madrid, Spain. 2018. P. 663-666.Xinfeng D. An Integrated Millimeter-Wave Broadband Microstrip-to-Waveguide Vertical Transition Suitable for Multilayer Planar Circuits. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2016, vol. 26, Iss. 11, pp. 897-899. https://doi.org/10.1109/LMWC.2016.2614973Xinfeng D. An Integrated Millimeter-Wave Broadband Microstrip-to-Waveguide Vertical Transition Suitable for Multilayer Planar Circuits // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2016. Vol. 26, Iss. 11. P. 897-899. https://doi.org/10.1109/LMWC.2016.2614973Antonini G., Scogna A., Orlandi A. S-parameters characterization of through, blind, and buried via holes. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2003, vol. 2, pp. 174–184.Antonini G., Scogna A., Orlandi A. S-parameters characterization of through, blind, and buried via holes // IEEE Transactions on Mobile Computing, 2003. Vol. 2. P. 174–184.Antonini G., Scogna A., Orlandi A. S-parameters characterization of through, blind, and buried via holes // IEEE Transactions on Mobile Computing, 2003. Vol. 2. P. 174–184.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.