오프셋 제거기의 적응 제어 등화기와 보우-레이트 위상 검출기를 활용한 수신기 설계

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2021.8. 염제완.In this thesis, designs of high-speed, low-power wireline receivers (RX) are explained. To be specific, the circuit techniques of DC offset cancellation, merged-summer DFE, stochastic Baud-rate CDR, and the phase detector (PD) for multi-level signal are proposed. At first, an RX with adaptive offset cancellation (AOC) and merged summer decision-feedback equalizer (DFE) is proposed. The proposed AOC engine removes the random DC offset of the data path by examining the random data stream's sampled data and edge outputs. In addition, the proposed RX incorporates a shared-summer DFE in a half-rate structure to reduce power dissipation and hardware complexity of the adaptive equalizer. A prototype chip fabricated in 40 nm CMOS technology occupies an active area of 0.083 mm2. Thanks to the AOC engine, the proposed RX achieves the BER of less than 10-12 in a wide range of data rates: 1.62-10 Gb/s. The proposed RX consumes 18.6 mW at 10 Gb/s over a channel with a 27 dB loss at 5 GHz, exhibiting a figure-of-merit of 0.068 pJ/b/dB. Secondly, a 40 nm CMOS RX with Baud-rate phase-detector (BRPD) is proposed. The RX includes two PDs: the BRPD employing the stochastic technique and the BRPD suitable for multi-level signals. Thanks to the Baud-rate CDR’s advantage, by not using an edge-sampling clock, the proposed CDR can reduce the power consumption by lowering the hardware complexity. Besides, the proposed stochastic phase detector (SPD) tracks an optimal phase-locking point that maximizes the vertical eye opening. Furthermore, despite residual inter-symbol interference, proposed BRPD for multi-level signal secures vertical eye margin, which is especially vulnerable in the multi-level signal. Besides, the proposed BRPD has a unique lock point with an adaptive DFE, unlike conventional Mueller-Muller PD. A prototype chip fabricated in 40 nm CMOS technology occupies an active area of 0.24 mm2. The proposed PAM-4 RX achieves the bit-error-rate less than 10-11 in 48 Gb/s and the power efficiency of 2.42 pJ/b.본 논문은 고속, 저전력으로 동작하는 유선 수신기의 설계에 대해 설명하고 있다. 구체적으로 말하면, 오프셋 상쇄, 병합된 서머를 사용하는 결정 피드백 등화기 기술, 확률적 보우 레이트 클럭과 데이터 복원기, 그리고 다중 레벨 신호에 적합한 위상 검출기를 제안한다. 첫째로, 적응 오프셋 제거 및 병합된 서머를 사용하는 결정 피드백 등화기를 갖춘 수신기를 제안한다. 제안된 적응 오프셋 제거 엔진은 임의의 데이터 스트림의 샘플링 데이터, 에지 출력을 검사하여 데이터 경로 상의 오프셋을 제거한다. 또한 하프 레이트 구조의 병합된 서머를 사용하는 결정 피드백 등화기는 전력의 사용과 하드웨어의 복잡성을 줄인다. 40 nm CMOS 기술로 제작된 프로토타입 칩은 0.083 mm2 의 면적을 가진다. 적응 오프셋 제거기 덕분에 제안된 수신기는 10-12 미만의 BER을 달성한다. 또한 제안된 수신기는 5GHz에서 27 dB의 로스를 갖는 채널에서 10 Gb/s의 속도에서 18.6 mW를 소비하며 0.068 pJ/b/dB의 FoM을 달성하였다. 두번째로, 보우 레이트 위상 검출기가 있는 40 nm CMOS 수신기가 제안되었다. 수신기에는 두개의 보우 레이트 위상 검출기를 포함한다. 하나는 확률론적 기법을 사용하는 보우 레이트 위상 검출기이다. 보우 레이트 클럭 데이터 복원기의 장점 덕분에 에지 샘플링 클럭을 사용하지 않음으로서 파워의 소모와 하드웨어의 복잡성을 줄였다. 또한 확률적 위상 검출기는 수직 아이 오프닝을 최대화하는 최적의 위상 지점을 찾을 수 있었다. 다른 위상 검출기는 다중 레벨 신호에 적합한 방식이다. 심볼 간 간섭이 다중 레벨 신호에 매우 취약한 문제가 있더라도 제안된 다중 레벨 신호용 보우 레이트 위상 검출기는 수직 아이 마진을 확보한다. 게다가 제안된 보우 레이트 위상 검출기는 기존의 뮬러-뮐러 위상 검출기와 달리 적응형 결정 피드백 등화기가 있더라도 유일한 락 지점을 갖는다. 프로토타입 칩은 0.24mm2의 면적을 가진다. 제안된 PAM-4 수신기는 48 Gb/s의 속도에서 10-11 미만의 BER을 가지고, 2.42 pJ/b의 FoM을 가진다.CHAPTER 1 INTRODUCTION 1 1.1 MOTIVATION 1 1.2 THESIS ORGANIZATION 5 CHAPTER 2 BACKGROUNDS 6 2.1 BASIC ARCHITECTURE IN SERIAL LINK 6 2.1.1 SERIAL COMMUNICATION 6 2.1.2 CLOCK AND DATA RECOVERY 8 2.1.3 MULTI-LEVEL PULSE-AMPLITUDE MODULATION 10 2.2 EQUALIZER 12 2.2.1 EQUALIZER OVERVIEW 12 2.2.2 DECISION-FEEDBACK EQUALIZER 15 2.2.3 ADAPTIVE EQUALIZER 18 2.3 CLOCK RECOVERY 21 2.3.1 2X OVERSAMPLING PD ALEXANDER PD 22 2.3.2 BAUD-RATE PD MUELLER MULLER PD 25 CHAPTER 3 AN ADAPTIVE OFFSET CANCELLATION SCHEME AND SHARED SUMMER ADAPTIVE DFE 28 3.1 OVERVIEW 28 3.2 AN ADAPTIVE OFFSET CANCELLATION SCHEME AND SHARED-SUMMER ADAPTIVE DFE FOR LOW POWER RECEIVER 31 3.3 SHARED SUMMER DFE 37 3.4 RECEIVER IMPLEMENTATION 42 3.5 MEASUREMENT RESULTS 45 CHAPTER 4 PAM-4 BAUD-RATE DIGITAL CDR 51 4.1 OVERVIEW 51 4.2 OVERALL ARCHITECTURE 53 4.2.1 PROPOSED BAUD-RATE CDR ARCHITECTURE 53 4.2.2 PROPOSED ANALOG FRONT-END STRUCTURE 59 4.3 STOCHASTIC PHASE DETECTION PAM-4 CDR 64 4.3.1 PROPOSED STOCHASTIC PHASE DETECTION 64 4.3.2 COMPARISON OF THE STOCHASTIC PD WITH SS-MMPD 70 4.4 PHASE DETECTION FOR MULTI-LEVEL SIGNALING 73 4.4.1 PROPOSED BAUD-RATE PHASE DETECTOR FOR MULTI-LEVEL SIGNAL 73 4.4.2 DATA LEVEL AND DFE COEFFICIENT ADAPTATION 79 4.4.3 PROPOSED PHASE DETECTOR 84 4.5 MEASUREMENT RESULT 88 4.5.1 MEASUREMENT OF THE PROPOSED STOCHASTIC BAUD-RATE PHASE DETECTION 94 4.5.2 MEASUREMENT OF THE PROPOSED BAUD-RATE PHASE DETECTION FOR MULTI-LEVEL SIGNAL 97 CHAPTER 5 CONCLUSION 103 BIBLIOGRAPHY 105 초 록 109박

메모리 인터페이스를 위한 멀티 레벨 단일 종단 송신기 설계

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 전기·컴퓨터공학부, 2020. 8. 김수환.본 연구에서 메모리 인터페이스를 위한 멀티 레벨 송신기가 제시되었다. 프로세서와 메모리 간의 성능 차이가 매년 계속 증가함에 따라, 메모리는 전체 시스템의 병목점이 되고있다. 우리는 메모리 대역폭을 늘리기 위해 PAM-4 단일 종단 송신기를 제안하였고, 멀티 랭크 메모리를 위한 duobinary 단일 종단 송신기를 제안하였다. 제안된 PAM-4 송신기의 드라이버는 높은 선형성과 임피던스 정합을 동시에 만족한다. 또한 저항이나 인덕터를 사용하지 않아 작은 면적을 차지한다. 제안된 ZQ 캘리브레이션은 세개의 교정 점을 가지고 있어 송신기가 정확한 임피던스와 선형적인 출력을 갖게 한다. 프로토 타입은 65nm CMOS 공정으로 제작되었고 송신기는 0.0333mm2의 면적을 차지한다. 측정된 28Gb/s에서의 eye는 18.3ps의 길이와 42.4mV의 높이를 갖고, 에너지 효율은 0.64pJ/bit이다. ZQ 캘리브레이션과 함께 측정된 RLM은 0.993이다. 메모리의 용량을 늘리기 위해 하나의 패키지에 여러 개의 DRAM 다이를 수직으로 쌓는 패키징은 메모리의 중앙 패드 구조와 결합되어 짧은 반사를 야기하는 스텁을 만든다. 우리는 이 문제를 완화하기위해 반사 기반 duobinary 송신기를 제안했다. 이 송신기는 반사를 이용하여 duobinary signaling을 한다. 2탭 반대 강조 기술과 슬루 레이트 조절 기술이 신호 완결성을 높이기 위해 사용되었다. NRZ eye가 없는 10Gb/s에서 측정된 duobinary eye는 63.6ps 길이와 70.8mV의 높이를 갖는다. 측정된 에너지 효율은 1.38pJ/bit이다.Multi-level transmitters for memory interfaces have been presented. The performance gap between processor and memory has been increased by 50% every year, making memory to be a bottle neck of the overall system. To increase memory bandwidth, we have proposed a PAM-4 single-ended transmitter. To compensate for the side effect of the multi-rank memory, we have proposed a reflection-based duobinary transmitter. The proposed PAM-4 transmitter has the driver, which simultaneously satisfies impedance matching and high linearity. The driver occupies a small area due to a resistorless and inductorless structure. The proposed ZQ calibration for PAM-4 has three calibration points, which allow the transmitter to have accurate impedance and linear output. The ZQ calibration considers impedance variation of both the driver and the receiver. A prototype has been fabricated in 65nm CMOS process, and the transmitter occupies 0.0333mm2. The measured eye has a width of 18.3ps and a height of 42.4mV at 28Gb/s, and the measured energy efficiency is 0.64pJ/b. The measured RLM with the 3-point ZQ calibration is 0.993. To increase memory density, the stacked die packaging with multiple DRAM die stacked vertically in one package is widely used. However, combined with the center-pad structure, the structure creates stubs that cause short reflections. We have proposed the reflection-based duobinary transmitter to mitigate this problem. The proposed transmitter uses reflection for duobinary signaling. The 2-tap opposite FFE and the slew-rate control are used to increase signal integrity. The measured duobinary eye at 10Gb/s has a width of 63.6ps and a height of 70.8mV while there is no NRZ eye opening. The measured energy efficiency is 1.38pJ/bit.CHAPTER 1 INTRODUCTION 1 1.1 MOTIVATION 1 1.2 THESIS ORGANIZATION 8 CHAPTER 2 MUTI-LEVEL SIGNALING 9 2.1 PAM-4 SIGNALING 9 2.2 DESIGN CONSIDERATIONS FOR PAM-4 TRANSMITTER 16 2.2.1 LEVEL SEPARATION MISMATCH RATIO (RLM) 17 2.2.2 IMPEDANCE MATCHING 19 2.2.3 PRIOR ARTS 21 2.3 DUOBINARY SIGNALING 24 CHAPTER 3 HIGH-LINEARITY AND IMPEDANCE-MATCHED PAM-4 TRANSMITTER 30 3.1 OVERALL ARCHITECTURE 31 3.2 SINGLE-ENDED IMPEDANCE-MATCHED PAM-4 DRIVER 33 3.3 3-POINT ZQ CALIBRATION FOR PAM-4 47 CHAPTER 4 REFLECTION-BASED DUOBINARY TRANSMITTER 57 4.1 BIDIRECTIONAL DUAL-RANK MEMORY SYSTEM 58 4.2 CONCEPT OF REFLECTION-BASED DUOBINARY SIGNALING 66 4.3 REFLECTION-BASED DUOBINARY TRANSMITTER 70 4.3.1 OVERALL ARCHITECTURE 70 4.3.2 EQUALIZATION FOR REFLECTION-BASED DUOBINARY SIGNALING 72 4.3.3 2D BINARY-SEGMENTED DRIVER 75 CHAPTER 5 EXPERIMENTAL RESULTS 77 5.1 HIGH-LINEARITY AND IMPEDANCE-MATCHED PAM-4 TRANSMITTER 77 5.2 REFLECTION-BASED DUOBINARY TRANSMITTER 84 CHAPTER 6 92 CONCLUSION 92 BIBLIOGRAPHY 94Docto