シグナルインテグリティの基礎を学ぶ

人工知能（AI）をサポートする高性能データセンターの台頭により、シグナルインテグリティ（SI）は、膨大な量のデータをこれまで以上に高速に移動できるようにするために不可欠なものとなっています。 SIを確保するには、設計者は基板レイアウトに注意を払い、適切な導体とコネクタを使用することで、反射、ノイズ、クロストークを最小限に抑える必要があります。 また、伝送ライン、インピーダンス、リターンロス、共振などの基本原理も理解しなければなりません。

この記事では、SIの議論で使用される用語のいくつかと、設計者が考慮すべき事項をご紹介します。 また、Amphenolのケーブルおよびコネクタのソリューション例を取り上げ、設計の成功を確実にする方法をご紹介します。

伝送ライン

伝送ラインは、誘電体によって分離された、長さがゼロでない2本（場合によっては3本）の導体で構成されます（図1）。 導体は、回路素子間の電気信号を最小限の損失や歪みで伝送します。 一般的な導体は、電気伝導率が高く、伝送特性に優れ、電力損失が少ない銅などの金属で、比較的低コストです。 金も優れた導体ですが、高価であるため、コネクタピンやソケットなど、高い耐食性が求められる用途に限定して使用されています。 その他の金属や合金も、特定の用途や材料特性に合わせて開発されています。

図1：伝送ラインは誘電体によって分離された導体で構成されています。導体は平行または同心円状に配置されます。（画像提供：Amphenol）

誘電体は、導体の周囲を絶縁することで導体を分離する非導電性材料です。 誘電体の特性は、隣接する導体上を信号がどのように伝わるかに影響を与えます。

誘電率（Dk）と誘電正接（Df）は、伝送ラインに影響を与える誘電体の重要な特性です。 Dkは、ライン上の信号伝播速度を決定します。 たとえば、Dkが低い材料は伝播速度が速くなります。 Dfは、信号が伝送ラインを伝わる際に材料内で発生するエネルギー損失を表します。 Dfが低いほど、特に高周波での信号減衰が少なくなります。

一般的な誘電体には空気や各種プラスチックがあります。 典型的なプリント回路基板（PCB）の基板は、難燃4（FR-4）と呼ばれる誘電体で、難燃性エポキシ樹脂を含浸させたガラス繊維織布の複合材です。

標準的な伝送ラインの構成は、同軸ケーブル、ツイストペア、プリント基板ストリップライン、プリント基板マイクロストリップです。 2本の導体は、シグナルパスとリターンパスとして識別されます。 伝送ラインの電圧はラインに沿った導体間で測定され、電流はいずれかの導体を通して測定されます。

SIでは、伝送ラインは、2つの導体間で横電磁波（TEM）または準TEM波を伝送する分散型電気成分です。 これらの波は、波の進行方向に垂直な交流電界（E）と磁界（H）を含んでいます（図2）。

図2：伝送ラインは、直交する交流電界と磁界を使用して、ラインに沿ってエネルギーを伝播します。（画像提供：Amphenol）

変化する電界は、交互に連続する一連の変換として変化する磁界を生み出し、伝送ラインに沿って（電界と磁界の両方に垂直な方向に）TEM波を伝播させます。

回路素子間の伝送ラインの接続は、シングルエンド接続または差動接続として構成されます（図3）。

図3：伝送ラインは、信号とリターンまたはグランド導体を使用するシングルエンド（不平衡）、または2本の相補的な信号導体とグランド導体を使用する差動（平衡）のいずれかに構成することができます。（画像提供：Amphenol）

シングルエンド構成では、信号ラインとグランドラインを使用します。 信号は同一ではなく、この構成は不平衡伝播モードと見なされます。 差動構成では、通常は別々に配線される2本の相補信号ラインとグランドラインを使用します。 差動信号は、対象となる信号が2つの信号要素の数学的な差であるため、平衡伝播モードの1例です。

伝送ラインインピーダンス

電気インピーダンスとは、印加された交流電圧による電流に対する回路の抵抗であり、オーム（Ω）で測定されます。 インピーダンスは、導体に沿った各点における電圧と電流の複素比です。

伝送ラインは、反射による劣化なしに高速/高帯域幅の信号を伝送するために、インピーダンスを制御する必要があります。 ラインの各点におけるインピーダンスは一定であり、特性インピーダンスと呼ばれます。 トレース幅、間隔、長さ、およびトレースとグランドプレーン間の誘電特性は、伝送ラインのインピーダンスを制御します。

特性インピーダンスは、伝播信号の波長よりもはるかに長いラインにおいて波動伝播に関連するエネルギー伝達に対する抵抗と考えることができます。

信号の反射

信号が伝送ラインを通って、そのラインの特性インピーダンスに等しいインピーダンスを持つ負荷に伝播される場合、信号は完全に負荷に伝わります。 負荷インピーダンスがラインの特性インピーダンスと異なる場合、負荷に入射するエネルギーの一部がソースに向かって反射されます。

入射電圧（V_I）の振幅に対する反射電圧（V_R）の振幅の比が反射係数です（図4）。 これは、負荷インピーダンス（Z_L）と伝送ラインの特性インピーダンス（Z_C）によって決まります。

図4：反射係数は、負荷と伝送ラインの特性インピーダンスによって決まります。（画像提供：Amphenol）

反射は、媒体のインピーダンスが一致しない境界を信号が通過することで生じます（図5）。 各インターフェースでは、反射係数が反射の振幅と位相を決定します。 レシーバでの信号は、伝送信号と時間遅延反射の合計です。

図5：伝送信号は、反射成分と、反射経路の伝播遅延に比例する時間遅延により歪みます。（画像提供：Amphenol）

Z₂とZ₃の接合部では、入射信号の一部がトランスミッタ側へ反射され、入射エネルギーの大部分はレシーバ側へ進みます。 反射信号は逆方向の経路で不整合に遭遇し、一部がレシーバ側へ反射されます。 信号のエッジは極性を持って反射されます。この極性は、接合部間のインピーダンスが増加するか減少するかによって異なります。 反射のタイミングは、接合部間の物理的な距離によって異なります。 レシーバには、伝送信号とすべての反射の合計が届きます。

反射が加わることで、受信信号のレベルが上下で不均一になることに注意してください。 反射振幅が十分に大きい場合、データを読み取る際にエラーが発生する可能性があります。 SIの重要な目標の1つは、反射異常の低減です。

リターンロスと挿入損失

伝送ラインは周波数領域と時間領域の両方で特徴付けられます。 反射は、周波数領域ではリターンロス（RL）としてデシベル（dB）単位で測定されます（図6）。 負荷に到達しない入射電力の部分は、挿入損失（IL）として特徴付けられ、これもdB単位で測定されます。 挿入損失が低いほど、接続状態が良好であることを意味します。

リターンロスは周波数領域における反射電力を測定し、挿入損失は負荷で受信される電力を測定します。（画像提供：Art Pini）

バルク同軸ケーブルの挿入損失を表すパラメータは、1フィートあたりの減衰量（dB/ft.） または1メートルあたりの減衰量（dB/m）として指定される単位長あたりの減衰量です。

ノイズ

ノイズとは、伝送ライン上に現れる望ましくない信号を指します。 反射は、受信信号を損傷させる可能性のあるノイズの1種と見なすことができます。 非伝送ライン上のノイズは、誤った信号として受信される可能性があります。

ノイズは、熱ノイズ、伝送ラインに影響を与える外部放射、同じデバイス内の別のラインからのノイズ（クロストーク）など、いくつかのソースから発生する可能性があります。 これらのソースからのエネルギーが伝送ライン上の信号に追加されます。 ノイズは信号対ノイズ比（SNR）で特徴付けられ、これは伝送ライン上の信号電力とノイズ電力の比です。 信号対ノイズ比が高ければ高いほど、信号の質は高くなります。

クロストーク

クロストークは、隣接するラインから直接接触することなく発生する電磁（EM）界との相互作用により、伝送ライン上に現れる望ましくないノイズのサブカテゴリです。 クロストークは、攻撃側（キャリア）と被害側（レシーバ）のライン間容量性またはライン間誘導性結合によって発生します（図7）。

図7：クロストークは、攻撃側から被害側への伝送ラインにおける電圧変化の容量性結合、または電流変化の誘導性結合によって引き起こされる可能性があります。（画像提供：Amphenol）

クロストークは、結合ノイズがどこで発生するかによってラベル付けされます。 近端クロストーク（NEXT）は伝送ラインまたは被試験デバイス（DUT）のトランスミッタ側に現れ、遠端クロストーク（FEXT）はレシーバ側に現れます。

クロストークは、隣接する伝送ライン間の距離を長くする、経路長を短くする、両方のラインに共通するノイズをキャンセルする差動ラインを使用する、隣接するプリント基板レイヤ上のトレースを垂直に保つ、そして、接地と電磁妨害（EMI）シールドを組み込むことで低減できます。

共振

共振は、信号経路が信号波長の4分の1の倍数である場合に発生します。 このようなポイントでは、反射信号が入射波と重なり、伝送信号を増幅または減衰させます。 これらの波長に対応する周波数は共振と呼ばれます。

共振はノイズや信号の歪みを引き起こす原因となり、信号経路におけるスタブと呼ばれる終端処理されていない長さの伝送ラインや、非理想的なグランドリターンによって発生します。 図8は、12ギガビット/秒（Gbps）チャンネルにおける2種類の異なる長さのスタブによる共振効果を示しています。

図8：12Gbpsチャンネルにおける、2種類の異なる長さの伝送ラインスタブによる共振効果の例を示しています。（画像提供：Amphenol）

赤枠で示したスタブの長さは0.25インチ（in.）で、共振周波数は約6ギガヘルツ（GHz）になります。 緑のチェックボックスの下にある3つの短いスタブの長さは0.025インチです。 その共振周波数は10倍高い60GHzです。 両方のスペクトル応答は、左上のスペクトルアナライザのプロットに示されています。 赤いスペクトルは0.25インチのスタブの応答、 緑のトレースは0.025インチのスタブの応答です。 0.25インチの スタブは、6GHzを中心とした「サックアウト」応答を示し、振幅は非常に低くなっています。

右上のアイダイアグラムは、011、001、100、110の複数ビットシーケンスと重なり、グラフィカルなSI測定を実現しています。 アイが開いている限り、伝送は成功しています。 垂直方向のアイクロージャは、ノイズ、反射、クロストークによるものです。 水平方向のアイクロージャは、ジッタのようなタイミングの問題に関連しています。 6GHzの共振は、信号振幅の損失によりアイが閉じた状態になります。

相互接続部品の仕様におけるSI

データセンターのAIプロセッサをサポートする相互接続部品には、同軸ケーブルやツイストペアケーブル、コネクタ、プリント基板などがあります（図9）。 これらの部品は通常、特性インピーダンスと帯域幅の観点から仕様が規定されます。 SI仕様には、減衰、速度係数、リターンロス、挿入損失、クロストークが含まれます。

図9：データセンターでAIプロセッサをサポートするには、エレメント間の正確で信頼性の高い通信を確保するために高速ケーブルとコネクタが必要です。（画像提供：Amphenol）

同軸ケーブルの例としては、Times Microwave SystemsのLMR-400-ULTRAFLEX 50Ω低損失ケーブルがあります。これは、6GHzでの屋内または屋外での使用が可能な製品です。 周波数依存減衰は、 900メガヘルツ（MHz）で0.05dB/ft.で、 5.8GHzでは0.13dB/ft.に増加します。 反射を扱う際に使用される仕様である伝播速度は、光速の80%（速度係数0.8）です。 反射および伝送損失は長さに依存するため、バルクケーブルの仕様では示されません。

コネクタなどの部品は、多少異なる仕様となっています。 Amphenol Communications Solutions 10128419-101LF 112極オスヘッダコネクタは、バックプレーンでの使用を想定しています。 最大ビットレート25～56Gbpsのデジタル信号に対応するように設計されています。 そのコンタクトの特性インピーダンスは92Ωです。 複数導体コネクタとして、その挿入損失とクロストークの仕様は非常に重要です（図10）。

図10：10128419-101LFヘッダにおいて、周波数による挿入損失とクロストークの仕様を示しています。（画像提供：Amphenol）

これらは、相互接続部品に関連する一般的なSI仕様です。

まとめ

AIデータセンターなどの高速システムでは、設計プロセス全体を通じてSIを考慮する必要があります。 SIに影響を与える要因は数多くあり、設計者はそれらの影響を軽減するために、すべての要因を考慮しなければなりません。 SIは、適切なプリント基板のトレースレイアウトと、適切な導体およびコネクタによって最大化することができます。