대역폭 증대 기술을 이용한 전력 효율적 고속 송신 시스템 설계

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2022.2. 정덕균.The high-speed interconnect at the datacenter is being more crucial as 400 Gb Ethernet standards are developed. At the high data rate, channel loss re-quires bandwidth extension techniques for transmitters, even for short-reach channels. On the other hand, as the importance of east-to-west connection is rising, the data center architectures are switching to spine-leaf from traditional ones. In this trend, the number of short-reach optical interconnect is expected to be dominant. The vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) is a com-monly used optical modulator for short-reach interconnect. However, since VCSEL has low bandwidth and nonlinearity, the optical transmitter also needs bandwidth-increasing techniques. Additionally, the power consumption of data centers reaches a point of concern to affect climate change. Therefore, this the-sis focuses on high-speed, power-efficient transmitters for data center applica-tions. Before the presenting circuit design, bandwidth extension techniques such as fractionally-spaced feed-forward equalizer (FFE), on-chip transmission line, inductive peaking, and T-coil are mathematically analyzed for their effec-tiveness. For the first chip, a power and area-efficient pulse-amplitude modulation 4 (PAM-4) transmitter using 3-tap FFE based on a slow-wave transmission line is presented. A passive delay line is adopted for generating an equalizer tap to overcome the high clocking power consumption. The transmission line achieves a high slow-wave factor of 15 with double floating metal shields around the differential coplanar waveguide. The transmitter includes 4:1 multi-plexers (MUXs) and a quadrature clock generator for high-speed data genera-tion in a quarter-rate system. The 4:1 MUX utilizes a 2-UI pulse generator, and the input configuration is determined by qualitative analysis. The chip is fabri-cated in 65 nm CMOS technology and occupies an area of 0.151 mm2. The proposed transmitter system exhibits an energy efficiency of 3.03 pJ/b at the data rate of 48 Gb/s with PAM-4 signaling. The second chip presents a power-efficient PAM-4 VCSEL transmitter using 3-tap FFE and negative-k T-coil. The phase interpolators (PIs) generate frac-tionally-spaced FFE tap and correct quadrature phase error. The PAM-4 com-bining 8:1 MUX is proposed rather than combining at output driver with double 4:1 MUXs to reduce serializing power consumption. T-coils at the internal and output node increase the bandwidth and remove inter-symbol interference (ISI). The negative-k T-coil at the output network increases the bandwidth 1.61 times than without T-coil. The VCSEL driver is placed on the high VSS domain for anode driving and power reduction. The chip is fabricated in 40 nm CMOS technology. The proposed VCSEL transmitter operates up to 48 Gb/s NRZ and 64 Gb/s PAM-4 with the power efficiency of 3.03 pJ/b and 2.09 pJ/b, respec-tively.400Gb 이더넷 표준이 개발됨에 따라 데이터 센터의 고속 상호 연결이 더욱 중요해지고 있다. 높은 데이터 속도에서의 채널 손실에 의해 단거리 채널의 경우에도 송신기에 대한 대역폭 확장 기술이 필요하다. 한편, 데이터 센터 내 동-서 연결의 중요성이 높아지면서 데이터 센터 아키텍처가 기존의 아키텍처에서 스파인-리프로 전환되고 있다. 이러한 추세에서 단거리 광학 인터커넥트의 수가 점차 우세해질 것으로 예상된다. 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL)는 일반적으로 단거리 상호 연결을 위해 사용되는 광학 모듈레이터이다. VCSEL은 낮은 대역폭과 비선형성을 가지고 있기 때문에, 광 송신기도 대역폭 증가 기술을 필요로 한다. 또한, 데이터 센터의 전력 소비는 기후 변화에 영향을 미칠 수 있는 우려 지점에 도달했다. 따라서, 본 논문은 데이터 센터 응용을 위한 고속 전력 효율적인 송신기에 초점을 맞추고 있다. 회로 설계를 제시하기 전에, 부분 간격 피드-포워드 이퀄라이저 (FFE), 온칩 전송선로, 인덕터, T-코일과 같은 대역폭 확장 기술을 수학적으로 분석한다. 첫 번째 칩은 저속파 전송선로를 기반으로 한 3-탭 FFE를 사용하는 전력 및 면적 효율적인 펄스-진폭-변조 4(PAM-4) 송신기를 제시한다. 높은 클럭 전력 소비를 극복하기 위해 이퀄라이저 탭 생성을 위해 수동소자 지연 라인을 채택했다. 전송 라인은 차동 동일평면도파관 주위에 이중 플로팅 금속 차폐를 사용하여 15의 높은 전달속도 감쇠를 달성한다. 송신기에는 4:1 멀티플렉서(MUX)와 4-위상 클럭 생성기가 포함되어 있다. 4:1 MUX는 2-UI 펄스 발생기를 사용하며, 정성 분석에 의해 입력 구성이 결정된다. 이 칩은 65 nm CMOS 기술로 제작되었으며 0.151 mm2의 면적을 차지한다. 제안된 송신기 시스템은 PAM-4 신호와 함께 48 Gb/s의 데이터 속도에서 3.03 pJ/b의 에너지 효율을 보여준다. 두 번째 칩에서는 3-탭 FFE 및 역회전 T-코일을 사용하는 전력 효율적인 PAM-4 VCSEL 송신기를 제시한다. 위상 보간기(PI)는 부분 간격 FFE 탭을 생성하고 4-위상 클럭 오류를 수정하는 데 사용된다. 직렬화 전력 소비를 줄이기 위해 출력 드라이버에서 MSB와 LSB를 두 개의 4:1 MUX를 통해 결합하는 대신 8:1 MUX를 통해 PAM-4로 결합하는 회로가 제안된다. 내부 및 출력 노드에서 T-코일은 대역폭을 증가시키고 기호 간 간섭(ISI)을 제거한다. 출력 네트워크에서 역회전 T-코일은 T-코일이 없는 경우보다 대역폭을 1.61배 증가시킨다. VCSEL 드라이버는 양극 구동 및 전력 감소를 위해 높은 VSS 도메인에 배치된다. 이 칩은 40 nm CMOS 기술로 제작되었다. 제안된 VCSEL 송신기는 각각 3.03pJ/b와 2.09pJ/b의 전력 효율로 최대 48Gb/s NRZ와 64Gb/s PAM-4까지 작동한다.ABSTRACT I CONTENTS III LIST OF FIGURES V LIST OF TABLES IX CHAPTER 1 INTRODUCTION 1 1.1 MOTIVATION 1 1.2 THESIS ORGANIZATION 5 CHAPTER 2 BACKGROUND OF HIGH-SPEED INTERFACE 6 2.1 OVERVIEW 6 2.2 BASIS OF DATA CENTER ARCHITECTURE 9 2.3 SHORT-REACH INTERFACE STANDARDS 12 2.4 ANALYSES OF BANDWIDTH EXTENSION TECHNIQUES 16 2.4.1 FRACTIONALLY-SPACED FFE 16 2.4.2 TRANSMISSION LINE 21 2.4.3 INDUCTOR 24 2.4.4 T-COIL 33 CHAPTER 3 DESIGN OF 48 GB/S PAM-4 ELECTRICAL TRANSMITTER IN 65 NM CMOS 43 3.1 OVERVIEW 43 3.2 FFE BASED ON DOUBLE-SHIELDED COPLANAR WAVEGUIDE 46 3.2.1 BASIC CONCEPT 46 3.2.2 PROPOSED DOUBLE-SHIELDED COPLANAR WAVEGUIDE 47 3.3 DESIGN CONSIDERATION ON 4:1 MUX 50 3.4 PROPOSED PAM-4 ELECTRICAL TRANSMITTER 53 3.5 MEASUREMENT 57 CHAPTER 4 DESIGN OF 64 GB/S PAM-4 OPTICAL TRANSMITTER IN 40 NM CMOS 64 4.1 OVERVIEW 64 4.2 DESIGN CONSIDERATION OF OPTICAL TRANSMITTER 66 4.3 PROPOSED PAM-4 VCSEL TRANSMITTER 69 4.4 MEASUREMENT 82 CHAPTER 5 CONCLUSIONS 88 BIBLIOGRAPHY 90 초 록 101박