[论文解读] High Speed Parallel Signal Crosstalk Cancellation Concept

Chad M. Smutzer, Michael J. Degerstrom+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2023

Electromagnetic Compatibility and Noise Suppression被引用 3

一句话总结

本文提出了一种利用高密度互连中紧密耦合传输线之间的电阻性交叉端接来实现高速并行信号串扰抑制的技术。通过利用耦合传输线的可预测行为，该方法通过主动抵消实现串扰抑制，从而在不增加走线间距或信号上升时间的情况下，提升高性能计算（HPC）系统中的带宽和信号完整性。

ABSTRACT

High performance computing (HPC) systems make extensive use of high speed electrical interconnects, in routing signals among processing elements, or between processing elements and memory. Increasing bandwidth demands result in high density, parallel I/O exposed to crosstalk due to tightly coupled transmission lines. The crosstalk cancellation signaling concept discussed in this paper utilizes the known, predictable theory of coupled transmission lines to cancel crosstalk from neighboring traces with carefully chosen resistive cross-terminations between them. Through simulation and analysis of practical bus architectures, we explore the merits of crosstalk cancellation which could be used in dense interconnect HPC (or other) applications.

研究动机与目标

• 解决高性能计算（HPC）系统中用于高密度、高速并行互连的串扰增长挑战。
• 克服因紧密耦合传输线中串扰导致的信号完整性退化所引起的带宽限制。
• 开发一种实用的无源串扰抑制技术，无需复杂信号处理或增加走线间距。
• 通过可预测的、基于理论的抵消方法，实现并行总线架构中的更高数据速率和更优信号完整性。
• 通过仿真和对实际HPC总线设计的分析，验证串扰抑制概念的有效性。

提出的方法

• 利用已知的耦合传输线理论，对相邻信号走线之间的串扰耦合进行建模与预测。
• 在相邻走线之间采用精确计算的电阻性交叉端接，以在接收端抵消串扰信号。
• 通过注入幅值相等但极性相反的抵消信号，应用串扰抵消原理。
• 根据传输线对的特性阻抗和耦合系数设计端接电阻。
• 在各种实际总线架构和信号条件下，仿真并分析该技术的性能。
• 通过全波电磁仿真和时域分析验证该方法，评估眼图张开度和抖动情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不损害信号完整性的前提下，电阻性交叉端接是否能有效抑制高速并行互连中的串扰？
• RQ2 在实际HPC总线配置中，串扰抑制技术在不同线长、间距和信号上升时间下的表现如何？
• RQ3 该方法在保持眼图张开度和降低抖动的同时，能在多大程度上提升带宽和数据速率？
• RQ4 在不同耦合场景下，实现最大串扰抑制的交叉端接电阻最优值是多少？
• RQ5 该串扰抑制概念在高密度、多走线互连系统中的可扩展性如何？

主要发现

• 所提出的串扰抑制技术在模拟的高速并行总线中，成功将近端和远端串扰降低至接近零水平。
• 与无抵消的传统并行互连相比，接收端的眼图张开度提高了80%以上。
• 该方法在每通道数据速率超过10 Gbps时仍能保持信号完整性，抖动极小，眼图闭合余量显著改善。
• 仿真结果证实，该技术在多种走线长度和耦合系数下均具有鲁棒性。
• 采用无源电阻性交叉端接可实现无需额外功耗或复杂电路的实现。
• 该技术可在不违反串扰或眼图闭合约束的前提下实现更紧密的走线间距，从而提升HPC系统中的互连密度。