當Altera開始開發(fā)自己的40nmStratixIVFPGA時,，該公司的工程師在設計與測試前沿的很多方面都面臨挑戰(zhàn),。用Altera首席架構師兼著名工程師MikePengLi博士的話說,，建立40nm器件的動力是要充分利用摩爾定律所表述的技術真理，以在每只芯片中裝入更多的邏輯,、存儲器和接口,。

　　Altera首席架構師及著名工程師MikePengLi博士解釋說，器件級的抖動必須不斷縮小,，才能在物理層保持10–12的BER,，同時也能在UI不斷縮小時提供充足的裕度,。“根據(jù)摩爾定律，我們能夠顯著增加StratixIV中的晶體管密度,。更高密度減少了單晶體管成本,，使我們能夠在相同片芯面積中增加器件的功能和容量。但隨著單芯片上晶體管數(shù)量的增長,，以及FPGA被用于超高性能應用，如分組交換機或幀交換機,，我們還需要增加StratixIV中的帶寬,，使數(shù)據(jù)能夠快速地進出器件。”

　　為了做到這一點,，Altera必須支持自己客戶可能選擇實現(xiàn)的多種不同高速I/O,，包括多代PCIExpress（PCIe1.1和PCIe2.0）、SerialATA/SAS（3Gbps和6Gbps）,、FibreChannel（2.125Gbps,、4.25Gbps和8.5Gbps）、40/100Gigabit以太網(wǎng),、CEI/OIF（6G和11G）,、XFI（10G）和SFI/SFP+。Li表示：“我們得設計出整個硬件協(xié)議棧,，使StratixIV能夠支持所有不同的標準,。”

　　最近，EDN執(zhí)行編輯RonWilson列舉了Altera工程師的很多研究成果,，當時他們成功地向市場推出了一款器件,，并有望獲得EDN的年度創(chuàng)新獎（參考文獻1）；事實上,，該器件最終獲得了“可編程邏輯與快速周轉ASIC”類別的年度創(chuàng)新獎,。

　　毫無疑問的是，負責測試的Altera工程師成為了開發(fā)工作的幕后英雄,，沒有獲得為設計團隊頒發(fā)的榮譽,。但他們的工作非常關鍵，因為他們要與新工藝尺度下制造的高速串行I/O線較勁,，這些工藝將速度推到了商用測試設備可以承受的極限,。

　　信號完整性

　　Li指出，隨著速度的增長,，今天的高速I/O設計正在更富挑戰(zhàn)性,。他說：“標準要求在物理層有10–12的誤碼率。隨著UI（單元間隙）越來越小,，要維持它并提供足夠的裕度就越來越困難,。其內(nèi)在含義就是,，器件級的抖動必須繼續(xù)縮減。”

　　Li指出,，過去8年多以來,，隨著晶體管價格的下跌，通信行業(yè)選擇將自己的資金投在硅片上去實現(xiàn)更高的速度,，而不是投于構成通信信道的電纜或PCB（印刷電路板）材料,。他表示：“今天硅片完成的功能包括發(fā)射器端的預加強和FEC（前向糾錯）以及接收器端的自適應均衡等，用于補償信道中的環(huán)境性變動,。另外,，有些客戶希望將BER（誤碼率）改善到10–15或10–17，這樣就可以放棄FEC等功能,，從而有可能減少功耗,。”

　　據(jù)Li稱，改善裕度的一個方法是盡量減小發(fā)射器的抖動,。他說,，抖動的一個主要來源是產(chǎn)生時鐘信號的RO（環(huán)形振蕩器）PLL（鎖相環(huán)）中使用的VCO（壓控振蕩器）。他認為,，ROPLL方案很有用,，因為它為客戶提供了頻率設定上的靈活性。但ROPLL受到其相位噪聲的限制,，相位噪聲會轉換為隨機抖動,。為避免這種情況，Altera在其StratixIV器件上為其高性能PLL提供了一個基于LC的振蕩器,，代替ROPLL,，提供低得多的噪聲與抖動,。

　　功率完整性

　　Altera特性描述小組的經(jīng)理BozidarKrsnik稱：“除了應對信號完整性的挑戰(zhàn)以外,，我們還要把大量精力花在功率完整性問題上?？蛻粢蟾凸β?。通過可編程電源技術等創(chuàng)新，能夠在電源裕度縮減時分析和確定電源的性能和作用,。”

　　Krsnik補充說：“功率挑戰(zhàn)對FPGA尤其顯著,，”并指出了與ASIC的不同之處，“客戶可以在FPGA結構中隨心所欲地做東西,。他們可以構建出一些極不尋常的最差情況,，涉及到電源能級、時鐘頻率以及器件編程模式,。”這就需要Altera的工程師作仔細分析,，預測客戶會做什么,。

　　Altera公司特性描述小組的經(jīng)理BozidarKrsnik說：“除了解決信號完整性挑戰(zhàn)以外，我們還把大量注意力放在功率完整性問題上,?？蛻粢蟾偷墓β省?rdquo;

　　測量

　　許多測試工作都是由DanielChow負責的,，他從2003年起就是Altera的高級技術人員,。Chow帶領一個團隊，確定StratixIV的串行總線收發(fā)器的功率完整性和信號完整性,，重點是抖動的測量,。

　　為了確定高速串行收發(fā)器的特性，Altera工程師設計了七種類型的特性板（表1）,。采用這些電路板，工程師能夠使用到FPGA的所有管腳,，包括需要為器件各個子系統(tǒng)提供電源的電源腳。

表1.用于StratixIV的特性板

 　　有些功能出現(xiàn)在不止一塊電路板上,，尤其是功率完整性,，因為功率會影響到一個器件的方方面面。另外,，如果Chow不信任某塊電路板測得的結果,，他可以讓一名工程師用另一塊板作重復測試,。

　　一塊能做功率完整性的特性板為FPGA核心、I/O信號,、PLL,、差分時鐘和高速串行收發(fā)器提供一個PDN（功率分配網(wǎng)絡）,。圖1表示了一塊特性板，工程師用它確定功率完整性和收發(fā)器信號完整性,。（此為表1中的1號板）,。

圖1.一塊StratixIV信號完整性特性板包含提供對FPGA高速I/O端口接入的SMA連接器

　　圖2是測試I/O端口信號完整性和功率完整性的一個典型配置,。信號發(fā)生器和示波器等測試儀器連接到StratixIV特性板上，提供激勵與測量功能,。

圖2.這是典型的測試設置,，顯示了用于測試StratixIV上I/O端口信號完整性和功率完整性的儀器。特性板為工程師提供接入StratixIV及其收發(fā)器的方法,。

　　Chow解釋了為什么一個特性板需要每個FPGA功能的獨立PDN輸入。他說：“根據(jù)客戶的應用與需求,，F(xiàn)PGA可能以最佳性能運行,，所有電源層都互相隔離,，但這樣做并非總有經(jīng)濟可行性。我們必須向客戶推薦,，F(xiàn)PGA哪些部分可以共享電源資源,。我們希望了解電源資源的何種組合可以影響到信號完整性,。”

　　工程師們在用StratixIV作設計時可能需要將電源與器件收發(fā)器緩沖和PLL隔離開來。Chow指出：“如果電源上有太多動作,，就不能永遠共享一個電源,。電源結構對客戶應用和需求有很深的依賴,；我們的工作是找到不同電源結構之間的折衷。”

　　Chow和其它人同時用獨立電源和公共電源確定收發(fā)器的特性,。從測試中他們能看到組合電源如何影響到信號完整性,。例如，拉低時鐘功率的發(fā)射器或接收器會在傳輸?shù)男盘柹显黾舆^高的抖動,。

　　Altera工程師還確定了StratixIV器件在更寬DC電壓范圍內(nèi)的特性，其范圍寬于公司對客戶的建議范圍,。他們在0.9V至1.4V電壓下測試收發(fā)器,，而后公布的建議范圍為1.15V至1.25V，他們還對廣泛溫度范圍和各種半導體工藝角落測試了StratixIV,。

　　信號完整性在串行鏈路中很重要。Altera信號完整性特性板的制造采用了工程師們能找到的最精密PCB材料和SMA連接器,。為什么要這么做,？因為他們必須盡可能減小走線和連接器可能增加的電壓損耗和抖動，這樣結果才能代表器件的固有特性,。注意圖1中SMA至FPGA的距離變化。工程師們用最短走線的SMA連接器,，在無電力線噪聲環(huán)境下測試收發(fā)器,，盡可能減少了信號的退化問題,。

　　在一個寧靜無擾的環(huán)境下作測試，Altera工程師能了解到一個器件的最好性能水平,，但提供的不是真實性能數(shù)據(jù),。客戶使用器件核心,、邏輯和I/O部分的方式影響著收發(fā)器的性能，尤其是在高數(shù)據(jù)速率下,。因此,，Altera工程師們必須確定器件在各種工作配置下的性能。

　　開始時,，公司的特性描述工程師并沒有簡單地去使用每個門和I/O腳,。那是一種不切實際的方法，因為沒有客戶會用到一片F(xiàn)PGA中的每只晶體管,。Chow指出：“我們每個客戶使用FPGA的方法都不相同。所以,，我們會從客戶獲得樣品設計,，了解他們使用我們器件的方式,。”一旦明白了客戶使用器件的方式，Altera工程師們就對客戶應用作仿真,，但不是立刻動手,。

　　Altera工程師們會逐步從寧靜環(huán)境測試轉向實際環(huán)境測試,。他們可能只從一只收發(fā)器著手，然后逐漸打開鄰近的收發(fā)器,，同時查看非加電FPGA核心邏輯電路與I/O腳的串擾與抖動,。

　　收發(fā)器運行以后，工程師們就開始檢查FPGA的I/O腳,，同時查看其對PDN和信號完整性的影響,。然后,，他們接通核心與邏輯部分的電源，并檢查收發(fā)器的信號,。工程師每接通器件一部分的電源,，就檢查一次功率完整性,，查看噪聲和電壓驟降情況，它們對PLL和信號抖動都有很深刻的影響,。

　　Chow工作的核心就是研究抖動,，以及確定其特性,。他說：“十年前，我們不知道今天所理解的抖動,。我們不知道TJ（總抖動）、RJ（隨機抖動）,、DJ（確定性抖動）,、PJ（周期抖動）或ISI（符號間干擾）。隨著FibreChannel和XAUI的實用,，我們開始了解抖動。MikePengLi第一個懂得,，當你規(guī)定BER時,，只有TJ起作用,。”

　　為了測量抖動，Chow和其它Altera的工程師采用了一系列儀器,，如來自Agilent技術公司,、LeCroy公司和Tektronix公司的實時示波器與采樣示波器,。在實驗室中，工程師還使用Agilent公司的頻譜分析儀和Agilent公司與SynthesysResearch公司的BERT（誤碼率測試儀）,。

　　Chow用如此多儀器的原因是,，每臺儀器都是以不同方式監(jiān)看抖動,。他引用盲人摸象的典故，比喻測量抖動面臨的挑戰(zhàn),。“假如你是一位盲人,，試圖從觸摸大象的某個部位來識別自己摸的東西,。如果你摸到象鼻，你可能認為是條蛇,。如果摸到一條腿,，你可能認為那是一棵樹,。如果摸到耳朵，可能認為它是一把扇子,。每種類型的儀器都讓你看到抖動的一部分,。”

 　　他指出,，示波器是在時域測量抖動，頻譜分析儀是在頻域,，而BERT使用數(shù)字域,。Chow用頻譜分析儀查看PJ，因為這個抖動分量包含有頻率,，這種儀器可以很容易顯示它,。他還喜歡用頻譜分析儀測量RJ，因為它能測量相位噪聲,，并將結果轉換為RJ,。頻譜分析儀還有低的噪聲背景，最低為-160dBm,，Chow喜歡用它在一個特定帶寬下測量RJ,。

　　“RJ正在越變越小”，他說，并指出針對SFP和SFP+收發(fā)模塊的標準都規(guī)定了約800fs的噪聲,。“對StratixIV器件，客戶一般可以預期RJ值在600fs和700fs之間,。在實驗室中,，我們能夠測量低至400fs的RJ,。很少有儀器能測量低于1ps的RJ。實時示波器才可以到這么低,。”圖3顯示了一臺采樣示波器上的RJ和PJ，其中RJ=566fs,。

圖3.在10.3Gbps時，StratixIV的一個串行I/O端口實現(xiàn)了566fs的RJ（隨機抖動）,。感謝Altera公司供圖。

　　Chow用一臺實時或采樣示波器測量DJ,、RJ、PJ和ISI,。他用一臺10–12BER的BERT測量TJ,。如果所有抖動測量都正確完成，各抖動分量應近似等于TJ,。

　　Chow承認，有些時候抖動分量與TJ并不相符,。Chow說：“這些矛盾性有時候來源于儀器,，這就是為什么我們必須知道每臺儀器如何得到抖動結果,，包括硬件限制、軟件實現(xiàn),、算法和抖動理論。我們這么做是因為每臺儀器都是看到大象的不同部位,。當抖動分量不相符時,，Chow和他的團隊會復核他們的測量過程,，可能要用不同的示波器或時鐘恢復系統(tǒng)再作嘗試,。”

　　Chow可能要更換示波器，再作測量,，因為當數(shù)據(jù)速率增加到8Gbps,、10Gbps和11.3Gbps時，每種速率得到的結果都不相同,。他表示，10年前也遇到過相同的問題,，但時至今日,，示波器制造商已經(jīng)改進了自己的儀器，在數(shù)據(jù)速率高達5Gbps時,，抖動值的差別可以在10%內(nèi)（參考文獻2）。在更高數(shù)據(jù)速率下,，Chow看到不同制造商之間的差別在增加,。

　　Chow提出了差別的原因：較小的UI,，它產(chǎn)生較小的抖動裕度，以及更快的上升與下降時間,。Chow說：“儀器制造商不斷告誡我們在測量中需要更多帶寬,。有些廠家建議說我們需要50GHz的采樣示波器模塊，根據(jù)經(jīng)驗法則,，我們需要五倍于數(shù)據(jù)速率的帶寬。”但Chow懷疑是否真正能在自己的示波器上看到一個10GHz信號,。因為PCB走線和連接器都會減緩一個信號的躍變時間,。他指出：“并且設備還非常昂貴,。我們的工作是發(fā)現(xiàn)要推動的測量標準,，以及真正需要哪種設備,。”

　　盡管Altera擁有了最新的測試設備，但客戶一般卻不會有,?？蛻魰L試驗證StratixIV的規(guī)格,，但他們可能缺乏必要的設備,。因此,，Chow和他的工程師們必須培訓現(xiàn)場應用工程師，告訴他們?nèi)绾握_地完成測量,。他曾收到現(xiàn)場報告，說客戶用于測量StratixIV抖動性能的示波器沒有足夠低的背景噪聲,?？蛻魰暦Q他們得不到與Altera一致的抖動測量結果,；現(xiàn)場工程師必須解釋說這個問題出在測試設備或測試設置,，而不是器件上,。

　　Altera的工程師們確實了解了如何測試StratixIVFPGA及確定其特性。現(xiàn)在,，其客戶就可以利用該器件的串行I/O能力,，用標準化和專有的協(xié)議設計與測試通信產(chǎn)品。

　　參考文獻

1．Wilson,Ron,“BringinggiantFPGAstoanewnode,”EDNInnovators2009,March2009.p.5.
2．Chow,Daniel,andRansomStephens,“MethodologyforJitterMeasurementCorrelationandConsistency,”ProceedingsfromDesignCon2005.