신호 무결성의 기본 사항 알아보기

인공지능(AI)을 지원하는 고성능 데이터 센터가 증가함에 따라 방대한 양의 데이터를 더욱 빠른 속도로 전송할 수 있도록 신호 무결성(SI)이 중요해졌습니다. SI를 보장하기 위해 설계자는 기판 레이아웃에 주의를 기울이고 적절한 컨덕터와 커넥터를 사용하여 반사, 잡음 및 누화를 최소화해야 합니다. 또한 전송선, 임피던스, 반사 손실, 공진 등의 기본 원리도 이해해야 합니다.

이 기사에서는 SI에 대한 논의에서 사용되는 몇 가지 용어와 설계자가 고려해야 할 사항을 소개합니다. 그런 다음 설계 성공을 보장하는 방법을 보여주기 위해 Amphenol에서 제공하는 바람직한 케이블 및 커넥터 솔루션을 소개합니다.

전송선

송전선은 유전체로 분리된 길이가 0이 아닌 두 개(또는 때로는 세 개)의 컨덕터로 구성됩니다(그림 1). 컨덕터는 손실이나 왜곡을 최소화하면서 회로 요소 간에 전기 신호를 전달합니다. 일반적인 컨덕터는 구리와 같은 금속으로, 전기 전도도가 높고 전송률이 우수하며 상대적으로 저렴한 비용으로 전력 손실을 줄여줍니다. 금은 우수한 컨덕터이기는 하지만 비용이 비싸기 때문에 커넥터 핀이나 소켓과 같이 높은 내식성이 요구되는 용도로만 제한적으로 사용됩니다. 특정 용도나 재료 특성을 위해 개발된 다른 금속과 합금도 있습니다.

그림 1: 전송선은 유전체로 분리된 컨덕터로 구성됩니다. 컨덕터는 평행하거나 동심원일 수 있습니다. (이미지 출처: Amphenol)

유전체는 전도성 형상 주변을 절연하여 컨덕터를 분리하는 비전도성 재료이며 유전체의 특성에 따라 신호가 인접한 컨덕터를 통해 이동하는 방식이 달라집니다.

유전 상수(Dk)와 손실 계수(Df)는 송전선에 영향을 미치는 유전체의 중요한 특성입니다. Dk는 회선의 신호 전파 속도를 결정하는데, 예를 들어 Dk가 낮은 재료는 전파 속도가 더 빠릅니다. Df는 신호가 전송선을 따라 이동하는 동안 재료 내에서 발생하는 에너지 손실을 나타냅니다. Df가 낮을수록 신호 감쇠가 적다는 의미인데, 특히 고주파수에서 더욱 그러합니다.

일반적인 유전체는 공기와 다양한 플라스틱입니다. 일반적인 인쇄 회로 기판(PC 기판)은 난연성 에폭시 수지가 함침된 직조 유리 섬유 천의 합성물인 난연성 4(FR-4)라는 유전체를 사용합니다.

표준 전송선 구성은 동축 케이블, 연선, PC 기판 스트립 라인 및 PC 기판 마이크로 스트립입니다. 두 컨덕터는 신호 및 리턴 경로로 식별되며, 송전선의 전압은 선로를 따라 컨덕터 사이에서 측정되고 전류는 두 컨덕터 중 하나를 통해 측정됩니다.

SI에서 송전선은 두 컨덕터 사이에 횡전자기파(TEM) 또는 준전자기파를 전달하는 분산형 전기 부품입니다. 이러한 파동에는 파동의 진행 방향에 수직인 전기장(E)과 자기장(H)이 번갈아 가며 나타납니다(그림 2).

그림 2: 송전선은 교대로 직교하는 전기장과 자기장을 사용하여 전선을 따라 에너지를 전파합니다. (이미지 출처: Amphenol)

전기장의 변화는 일련의 변환을 번갈아 가며 변화하는 자기장을 생성하여 두 필드에 수직인 방향으로 전송선을 따라 TEM 파를 전파합니다.

회로 요소 간의 전송선 연결은 단일 종단 또는 차동 연결로 구성됩니다(그림 3).

그림 3: 전송선은 신호와 반사 또는 접지 컨덕터를 사용하는 단일 종단(불균형)으로 구성하거나 두 개의 보완 신호 컨덕터와 접지 컨덕터를 사용하는 차동(균형)으로 구성할 수 있습니다. (이미지 출처: Amphenol)

단일 종단 구성의 경우 신호선과 접지선을 사용하며, 신호가 동일하지 않으며 구성이 불균형 전파 모드로 간주됩니다. 차동 구성의 경우, 일반적으로 두 개의 보완적인 신호선과 접지선을 사용하며, 보통 별도로 실행됩니다. 차동 신호는 관심 신호가 두 신호 요소 간의 수학적 차이라는 점에서 균형 전파 모드의 한 예입니다.

전송선 임피던스

전기 임피던스는 인가된 교류 전압으로 인한 전류에 대한 회로의 반대되는 값으로 옴(Ω) 단위로 측정됩니다. 임피던스는 컨덕터를 따라 각 지점에서 전류에 대한 전압의 복소수 비율입니다.

전송선은 반사로 인한 성능 저하 없이 고속/고대역폭 신호를 전송하기 위해 임피던스를 제어해야 합니다. 전송선의 각 지점에서의 순간 임피던스는 일정하며 이를 특성 임피던스라고 합니다. 트레이스 폭, 간격, 길이, 트레이스와 접지면 사이의 유전체 특성은 전송선의 임피던스를 제어합니다.

특성 임피던스는 전파 신호의 파장보다 훨씬 긴 선에서 파동 전파에 관련된 에너지 전달에 대한 저항으로 생각할 수 있습니다.

신호 반사

신호가 전송선을 통해 전송선의 특성 임피던스와 동일한 임피던스를 가진 부하로 전파되면 신호가 부하로 완전히 전달됩니다. 부하 임피던스가 전송선의 특성 임피던스와 다른 경우 부하에 입사되는 에너지의 일부가 소스를 향해 다시 반사됩니다.

반사 전압의 진폭(_VR)과 입사 전압의 진폭(_VI)의 비율을 반사 계수라고 합니다(그림 4). 이는 부하 임피던스(_ZL)와 전송선의 특성 임피던스(_ZC)에 따라 달라집니다.

그림 4: 반사 계수는 부하 및 전송선의 특성 임피던스에 따라 달라집니다. (이미지 출처: Amphenol)

반사는 미디어의 임피던스가 서로 다른 경계를 가로질러 신호가 전환될 때 발생합니다(그림 5). 각 인터페이스에서 반사 계수는 반사의 진폭과 위상을 결정하며, 수신기의 신호는 전송된 신호와 시간 지연된 반사의 합입니다.

그림 5: 전송된 신호는 반사 경로의 전파 지연에 비례하는 시간 지연으로 합산된 반사된 부품에 의해 왜곡됩니다. (이미지 출처: Amphenol)

Z₂와 Z₃의 접합부는 입사 신호의 일부를 송신기 쪽으로 다시 반사하는 반면, 입사 에너지의 대부분은 수신기로 계속 전달됩니다. 반사된 신호는 역방향 경로에서 불일치가 발생하여 수신기 쪽으로 부분적으로 다시 반사됩니다. 신호의 가장자리는 접합부 임피던스의 증가 또는 감소 여부에 따라 극성으로 반사되며, 반사 타이밍은 접합부 사이의 물리적 거리에 따라 달라집니다. 수신자는 전송된 신호와 모든 반사의 합계를 보게 됩니다.

수신된 신호는 반사가 더해져 상단과 하단의 레벨이 균일하지 않으며 반사 진폭이 상당히 높으면 데이터를 읽을 때 오류가 발생할 수 있습니다. SI의 중요한 목표 중 하나는 반사 이상 현상을 줄이는 것입니다.

반사 손실 및 삽입 손실

전송선은 주파수 및 시간 영역 모두에서 특징이 있습니다. 반사는 주파수 영역에서 데시벨(dB) 단위의 반사 손실(RL)로 측정됩니다(그림 6). 부하에 도달하지 못하는 인시던트 전력의 일부는 삽입 손실(IL)로 특징지어지며, 이 또한 dB 단위로 측정됩니다. 삽입 손실이 적을수록 연결 상태가 좋아집니다.

그림 6: 반사 손실은 주파수 영역에서 반사된 전력을 측정하는 반면 삽입 손실은 부하에서 수신된 전력을 측정합니다. (이미지 출처: Art Pini)

벌크 동축 케이블의 삽입 손실을 설명하는 매개 변수는 피트당 dB(dB/ft.) 또는 미터당 dB(dB/m)로 지정된 단위 길이당 감쇠입니다.

잡음

잡음은 전송선에 나타나는 원치 않는 신호이며, 반사는 수신 신호를 손상시킬 수 있는 일종의 잡음으로 볼 수 있습니다. 비전송선의 잡음은 잘못된 신호로 수신될 수 있습니다.

잡음은 열 잡음, 전송선에 영향을 미치는 외부 복사, 동일한 장치 내의 다른 선에서 발생하는 잡음(누화) 등 여러 가지 원인에서 발생할 수 있는데, 이러한 소스의 에너지는 전송선의 신호에 추가됩니다. 잡음은 전송선의 신호 전력과 잡음 전력의 비율인 신호 대 잡음비(SNR)로 나타내며, 신호 대 잡음비가 높을수록 신호 품질이 좋아집니다.

누화

누화는 직접 접촉하지 않고 인접한 회선에서 발생하는 전자기장(EM)과의 상호작용으로 인해 전송 회선에 나타나는 원치 않는 잡음의 하위 범주입니다. 누화는 공격자(캐리어)와 피해자(수신기) 회선 사이의 회선 간 용량성 또는 회선 간 유도성 결합으로 인해 발생합니다(그림 7).

그림 7: 전압 변화의 정전 용량 방식 커플링 또는 공격자에서 피해 전송선으로의 전류 변화의 유도성 커플링으로 인해 누화가 발생할 수 있습니다. (이미지 출처: Amphenol)

피해자가 결합된 소음을 경험하는 위치에 따라 누화의 레이블이 지정됩니다. 근단 누화(NEXT)는 전송선 또는 테스트 중인 장치(DUT)의 송신기 측에 나타나고 원단 누화(FEXT)는 수신기 측에 나타납니다.

인접한 전송선 간의 거리를 늘리고, 경로 길이를 줄이고, 두 선에 공통된 잡음을 상쇄하는 차동선을 사용하고, 인접한 PC 기판 레이어의 트레이스를 수직으로 유지하고, 통합 접지 및 전자기 간섭(EMI) 차폐를 통합함으로써 누화를 줄일 수 있습니다.

공진

공진은 신호의 경로가 신호 파장의 4분의 1배일 때 발생합니다. 이러한 지점에서 반사된 신호는 입사파와 겹쳐서 전송된 신호를 증폭하거나 감쇠시킵니다. 이러한 파장에 해당하는 주파수를 공진이라고 합니다.

공진은 잡음을 유발하거나 신호를 왜곡할 수 있으며, 신호 경로에 스텁이라고 하는 종단되지 않은 길이의 전송선이나 이상적이지 않은 접지 리턴으로 인해 발생할 수 있습니다. 그림 8은 초당 12Gbps(기가비트) 채널에서 두 가지 길이의 여러 종류의 스텁으로 인해 발생한 공진 효과를 보여줍니다.

그림 8: 12Gbps 채널에서 두 가지 길이의 여러 종류의 전송선 스텁으로 인해 발생한 공진 효과의 예입니다. (이미지 출처: Amphenol)

빨간색 상자로 강조 표시된 스텁의 길이는 0.25인치(in)이며, 공진 주파수는 약 6기가헤르츠(GHz)입니다. 녹색 확인란 아래의 짧은 스텁 3개는 길이가 0.025in이며, 공진 주파수는 10배 높은 60GHz입니다. 두 스펙트럼 응답은 모두 왼쪽 상단의 스펙트럼 분석기 플롯에 표시됩니다. 빨간색 스펙트럼은 0.25in 스텁의 응답이며 녹색 트레이스는 0.025in 스텁의 응답입니다. 0.25in 스텁은 매우 낮은 진폭으로 6GHz를 중심으로 '빨아들이는' 응답을 보여줍니다.

오른쪽 상단의 눈 모양 다이어그램은 011, 001, 100, 110의 다중 비트 시퀀스를 겹쳐서 그래픽 SI 측정값을 생성합니다. 눈 모양이 계속 열린 상태로 유지되는 한 전송이 제대로 이루어진 것입니다. 수직 방향으로 눈 모양이 닫힌 부분은 잡음, 반사 및 누화로 인해 발생하며 수평 방향으로 닫힌 부분은 지터와 같은 타이밍 문제와 관련이 있습니다. 6GHz 공진으로 인해 신호 진폭이 손실되어 눈 모양이 무너지는 현상이 발생합니다.

상호 연결 구성 요소 사양의 SI

데이터 센터에서 AI 프로세서를 지원하는 상호 연결 구성 요소에는 동축 및 연선 케이블, 커넥터, PC 기판이 포함됩니다(그림 9). 이러한 구성 요소는 일반적으로 특성 임피던스와 대역폭으로 지정됩니다. SI 사양에는 감쇠, 속도 계수, 반사 손실, 삽입 손실 및 누화가 포함됩니다.

그림 9: 데이터 센터의 AI 프로세서 지원에는 요소 간 정확하고 안정적인 통신을 보장하는 고속 케이블과 커넥터가 필요합니다' (이미지 출처: Amphenol)

동축 케이블의 예로는 6GHz에서 실내 또는 실외용으로 정격화된 Times Microwave Systems의 LMR-400-ULTRAFLEX 50Ω 저손실 케이블이 있습니다. 주파수 의존 감쇠는 900MHz에서 0.05dB/ft이며 5.8GHz에서는 0.13dB/ft로 증가합니다. 반사를 처리할 때 사용되는 사양인 전파 속도는 빛의 속도의 80%(속도 계수 0.8)입니다. 반사 및 전송 손실은 길이에 따라 다르며 일괄 케이블 사양에는 제공되지 않습니다.

커넥터와 같은 구성 요소는 다소 다르게 지정됩니다. Amphenol Communications Solutions 10128419-101LF 112위치 수 헤더 커넥터는 백플레인용으로 설계되었습니다. 최대 비트 전송률 25Gbps ~ 56Gbps의 디지털 신호를 처리할 수 있는 등급이며, 접점의 특성 임피던스는 92Ω입니다. 멀티 반도체 커넥터로서 삽입 손실 및 누화 사양은 매우 중요합니다(그림 10).

그림 10: 10128419-101LF 헤더의 주파수에 따른 주요 삽입 손실 및 누화 사양이 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Amphenol)

이는 상호 연결 구성 요소와 관련된 일반적인 SI 사양입니다.

결론

AI 데이터 센터와 같은 고속 시스템의 설계 프로세스 전반에 걸쳐 SI를 고려해야 합니다. SI에 영향을 미칠 수 있는 요인은 다양하며, 설계자는 이러한 요인을 모두 고려하여 그 영향을 완화해야 합니다. 적절한 PC 기판 트레이스 레이아웃과 적절한 컨덕터 및 커넥터를 사용하면 SI를 극대화할 수 있습니다.