JP4451776B2 - 等振幅方向性結合式バスシステム - Google Patents
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Description
第2図に特開平07−141079の方向性結合式バスの構成を示す。
これは2ノード間のデータ転送を後方クロストークすなわち方向性結合器によるNRZ信号からRZ信号への変換を用いて行っていた。すなわちバスマスタ10−1とスレーブ10−2〜10−4間の転送を2線間すなわち配線20と20−1〜20−4間の後方クロストークを用いて転送する技術である。これはバスマスタ1とスレーブ10−1〜10−4間の転送には適していおり、すなわちメモリとメモリコントローラ間のデータ転送に適していた。この例において、バスに接続される方向性結合器は同一形状であり、これらの方向性結合器の結合係数(KB)及び結合長L1〜L4も一定であった。
次に、従来例、特開2001−027918「方向性結合式バスシステム」、においては、メインライン20を折り返して方向性結合器を多層で構成することにより高密度化を実現していた。この例も、方向性結合器の結合長は一定であった。
特開2001−027987「方向性結合式メモリモジュール」では、メモリコントローラからの配線(メインライン)をメモリモジュール内に引き込みこれを対して、メモリモジュール内にて方向性結合器を構成している。この例においても、メモリバスに接続されるメモリモジュールは同一形状であり、メモリモジュール内の方向性結合器の結合係数(KB)・結合長も一定であった。
これら従来例では方向性結合器の長さが一定である特徴を持っていた。これは以下の理由による。
一般にドライブパルスの立上り時間が方向性結合器の往復の伝搬遅延時間より短い時、方向性結合器は結合長に依らない後方クロストーク信号量を生成する。このため、長さに依らず入力電圧と後方クロストーク電圧の比が一定となる。第2図でMC1からのドライブ波形が配線20上を伝搬するときの減衰が無視できるなら配線20−1〜20−4での後方クロストーク信号の生成量は一定となる。
このために、従来の技術ではそれぞれのクロストークを生成する方向性結合器長をL1〜L4とするとL1=L2=L3=L4と一定であり、同じ方向性結合器の結合係数を実現するため方向性結合器の配線間隔も同じであった。この配線間隔と長さが一定の方向性結合器はどのバススレーブに対してもほとんど同じ信号量を生成していた。
以上のように方向性結合器を用いたこれまでの従来技術では、用いられたバス内で方向性結合器の結合長は一定で、結合係数(Kb)を決定する2線路間の間隔も一定であった。
しかしながら、本発明者がメモリシステムに応用したときのバス性能を更に高速化するための研究を進め、メインラインのデータ転送レートが数Gbps程度もしくはそれ以上の超高速転送レートのXTL結合方式のメモリシステムを検討したところ、NRZ RZの信号変換にともなうRZ変換信号の波形のなまりとこれに伴うマスター近距離側メモリとマスター遠距離側メモリとのRZ変換信号の振幅値の差と高速化に伴うジッタ量の増加と言う新規な問題を発見した。
これまでの方向性結合器の結合長の決め方は以下の通りである。
第2図で例えばメインライン20と配線20−1とが構成する方向性結合器を考える。配線20を主結合線路、20−1を副結合線路と呼ぶ。ドライブパルスが主結合線路20を図面上左から右に進行する場合、副結合線路20−1の左端(近端)に後方クロストークが生成される。方向性結合器が電源プレーンに囲まれるように構成されるストリップ線路の場合、右端(遠端)に発生する前方クロストークは無視できるぐらい小さいし、片方が空気層で構成されるマイクロストリップ線路の場合でも終端抵抗で吸収される。
ドライブパルスの立上り時間をTr、副結合配線20−1の伝搬遅延速度をVp、伝搬遅延時間をTd、配線長をLと置くと、数式(1)の条件で近端クロストーク信号は2Tdの信号を方向性結合器は生成し、このときの信号振幅が最大である。
Tr ≦ 2*Td (1)
Td = L/Vp (2)
このため、最大の後方クロストークを生成する方向性結合器の結合長は数式(3)のような関係となり、等号が成り立つとき最短となる。ドライブパルスが主結合線路を伝搬する最大立上り時間Trに対して数式(3)が成り立てば、第2図の各副結合線路20−1〜20−4はその近端に等量の信号を生成することになる。
L≧1/2*Tr*Vp (3)
特開平2001−027918の第3の課題の説明にあるように、ドライブパルスに含まれる高周波成分は配線の表皮効果、誘電損失により減衰が大きくなり、このため立上り時間がMC1から見て遠くにある方向性結合器ほど長くなると言う現象がある。このため、これまでの従来例では長くなったTrに結合長(L)を合わせていた、ないし、前方クロストークを利用していた。
多くの場合、方向性結合器を高精度で製造するため、方向性結合器には多層基板の内層に構成されるストリップライン構造が用いられており、前方クロストークを利用することができない。そのため、第2図において、L4が数式(3)を満たすようにL1〜L4が決められており、L1〜L3が所望の物よりも長いことになる。
更に、伝送信号が高速になることにより方向性結合器により波形鈍りが生じるようになり、符号間干渉が大きくなることが判明した。第3図は一例として、(A)500Mbps時のデータ転送時の、(B)1Gbps動作時の、ドライブパルスとクロストーク信号を示す。ドライブパルスが伝送する場合、立上りと立下がりに応じた時刻にポジティブとネガティブのパルスが生成される。クロストーク波形で、ポジティブもネガティブも三角波の形をしているが、三角波の立さがりの方が立あがりより遅い。
オシロスコープで詳細にクロストーク信号波形を観察すると、この立下がり部の波形に尾を引いている部分が有ることが分かった。この部分をtail部と呼ぶことにする。このtail部がある原因は、ドライブパルスとクロストーク信号のそれぞれが方向性結合器を伝搬していく時に生じる波形鈍りによると考えられ、これは信号に含まれる高周波成分が配線の表皮効果、誘電損失により減衰が大きくなためである。このため減衰は距離が長くなるほど顕著である。
第3図(A)では、ポジティブパルスのtail部は周期(T)2nsの範囲内で収まっていたのでネガティブパルスに対して影響を与えていなかった。しかしながら、第3図(B)のように、周期が1nsとなると、同じ配線長を持つ方向性結合器に対してはポジティブパルスのtail部が次のネガティブパルスと干渉を起こしている。これは2つの信号(符号)間の干渉であることから符号間干渉(ISI:InterSymbolInterference)と呼ばれている現象である。このため、ネガティブパルスの1周期前にデータがない場合とある場合を比べるとデータがある場合は、前のデータに重畳する形で信号が生成されるので波形にずれが生じてしまう。このずれがジッタの原因となってしまう。なぜなら第2図の各バススレーブ10−1〜10−4にクロストーク波形が到達するとき、レシーバが規定するスレッショルド電圧に前のデータに応じて早い遅いが生じてしまうためである。
このジッタが高速化の妨げとなっていた。また、第2図において、バスマスタ1からのドライブパルス(NRZ信号)が遠方に行くに従い表皮効果などで立上りが鈍ることになる。このため、方向性結合器の副接合線路20−1〜20−4で生成される信号は遠くにあるものほどtail部が長くなり、結合長が数式(3)を満たしていないときクロストーク信号量は小さくなる。
例えば、バススレーブ10−1へ伝搬する信号に比べて、バススレーブ10−4へ伝搬する信号の方が信号量が小さく、かつ波形が鈍っていることになる。
更に、レシーバ内で発生するジッタも大きくなることになる。何故ならば、バススレーブ10−1〜10−4内のレシーバには異なる波形が入力されることになる。一般に、レシーバが充分にゲインがない場合、レシーバはその入力信号の大小によりノイズの感度、レシーバを通過する遅延時間に差がある。このため、バススレーブ10−1〜10−4内レシーバは入力信号波形が異なるため、ノイズ感度、遅延時間に差があることになる。このため、高速データを転送する場合、このノイズ感度、遅延時間差がレシーバの動作に影響しこれがジッタの原因となっていた。
本発明の目的は、メインラインのデータ転送レートが超高速となっても信号書き込み/信号読み出しが確実に行えるようにタイミングのマージンを確保することである。すなわち、信号量を一定にしジッタを減らすことである。これにより高速動作が可能なメモリシステムを提供することにある。
本発明において第1の課題は、高速化に伴って符号間干渉が大きくなり、方向性結合器の位置によりドライブパルスの遷移時間が異なることからジッタ量も方向性結合器の位置により異なるという課題があった。このため、第1の目的は、方向性結合器により発生するジッタを方向性結合器の位置に関わらず一定にすることでシステム全体のタイミングマージンを一定することにある。
バスマスタ1とバススレーブ10−1〜10−4間のデータ転送において、配置に依って生じる信号波形の振幅差を無くすことである。これにより、レシーバジッタを低く抑え、ノイズ感度を一定にすることで更なる高速化を実現できる。
本発明において第2の課題は、メモリモジュールのようにシステムの構成により方向性結合器の結合長が充分取れないあるいは等間隔にバススレーブを配置しなければならない場合では方向性結合器の結合長を最大長になるように配置させ、そのため結合長も一定にならざるを得なかった。このため、第1の課題のようにスレーブ間で発生する信号量が異なりジッタの原因となっていた。第2の目的はメモリモジュールのような等間隔で配置されバススレーブ間隔が取れない状態で、バススレーブ毎に生成するクロストーク信号量を一定にすることである。
本発明の第3の課題は、方向性結合器に依る生成波形がtail部を含んでいることによりこのtail部自身が高速化に伴ってジッタの原因になっていた。第3の目的はこのtail部をなくすこと、信号振幅を一定にすることでジッタを少なくすることにある。
第1の課題を解決するための手段として、方向性結合器を流れる信号の鈍りに応じて結合長を変えることで生成信号を一定することである。なまりの少ない波形には結合長を小さくし、なまりの大きな信号に対しては結合長を大きくすることでなされる。
第2の課題を解決するための手段として、メモリモジュールのようにシステムの構成により方向性結合器の結合長が充分取れないあるいは等間隔にバススレーブを配置しなければならない場合であっても、バススレーブ毎に生成するクロストーク信号量を一定にするために、方向性結合器の結合係数を調整することであり、このために方向性結合器の配線間隔をMCから見て遠方ほど狭くすることでなされる。
第3の課題を解決するための手段として、ドライブパルスにtail部を打ち消すような波形を織り込んでおくことである。例えば立ち上がり信号なら、tail部を打ち消すように該立上り時間から程なく、立下がりの信号を重畳しておくことでなされる。この立下がり信号はバススレーブに接続されている方向性結合器の位置、立上り時間tail部の波形によりスレーブ毎に調整される。このtail部をなくすことで信号振幅を一定にできジッタを少なくすることができる。
第2図は、従来技術である。
第3図は、従来技術の波形(500Mbps)従来技術の波形(1Gbps)である。
第4図は、モジュールの方向性結合器長と方向性結合器により生成された信号振幅である。
第5図は、波形の定義である。
第6図は、第2の実施例の配線間隔が調整された方向性結合器式バスである。
第7図は、第2の実施例の方向性結合器(鳥瞰図)である。
第8図は、第3の実施例の方向性結合器式バスである。
第9図は、第4の実施例の方向性結合器式バスである。
第10図は、第5の実施例の方向性結合器式バス(メモリシステム)である。
第11図は、第6の実施例(折り返し配線を用いたメインライン)である。
第12図は、第7の実施例のメインラインをモジュール内で折り返したメモリバスである。
第13図は、方向性結合器の結合長と結合係数を調整した方向性結合器式バスである。
第14図は、tail部をキャンセルするためのドライバ回路4である。
第15図は、tail部をキャンセルするためのドライブ波形と符号間干渉が低減したクロストーク波形である。
第16図は、方向性結合器式バス(鳥瞰図)である。
1はメモリコントローラ制御機構を有するLSIチップ(以下MC:Memory Controllor)である。10−1〜10−4はメモリチップ(DRAM)である。第1図では、4個のメモリがMC1とデータ転送しているがそれ以上でもこれ以下でも目的・効果は同じである。
20はMC1から引き出された配線(メインライン)で遠端で終端抵抗30(Rtt)により整合終端されている。配線20−1〜20−4はメインライン20と近接位置に平行に配線されており、それぞれメインライン20の一部と方向性結合器を構成している。この配線20−1〜20−4は方向性結合器を構成している他方の配線であるので副結合線路と呼ぶ。副結合線路20−1〜20−4のMC1から見て遠端は整合終端され、近端はDRAM10−1〜10−4へそれぞれ配線されている。各終端抵抗30、30−1〜30−4は終端電圧(Vtt)に低インピーダンスで接続されている。
ここで方向性結合器の結合長、すなわち、メインライン20の一部と副結合器20−1〜20−4の平行配線長をそれぞれL1〜L4で表す。
第4図に第1図の構成でDRAM10−1〜10−4に伝達した信号の振幅を回路解析シミュレーションにより得られた解析結果を示す。解析の条件は、まずドライブパルスはMC1から出力され32個のパターンのランダムパルスからなる。これにより符号間干渉(ISI)の効果を含んでいる。動作周波数は1.3Gbpsである。第4図の横軸は各方向性結合器の結合長Li(ここで、L1〜L4をLiで代表させた)、縦軸を生成されたピーク電圧Vswを示している。
波形の定義を第5図に示す。第5図(A)はドライブ波形、第5図(B)はDRAM入力部での波形であるクロストーク信号(coupler signal)波形、DRAM入力部での信号振幅をVsw、ピーク部での電圧変動をVv、スレッショルド電位をVth、VthでのジッタをTjと記した。第4図中の実線はDRAM10−1での、点線は10−4での長さLiに対する生成された信号ピーク電圧を示している。
第4図から同じ結合長LiならDRAMの位置でMC1に近い方が信号振幅が大きいことが分かる。例えばDRAM10−1での信号振幅Vswが200mV生成するためにはL1=17mmで良いが、DRAM10−4では、L4=25mm必要であることがわかる。
設計のし易さにより、5mmピッチで結合長Liを構成する場合、このシミュレーションでは以下の長さが各DRAM10−1〜10−4に対して数式(4)の条件でほぼ等信号量の200mVを確保できる。
L1=15mm、 L2=20mm、 L3=20mm、 L4=25mm (4)
従来技術ではすべての結合長を25mmとしていたので、DRAM10−1に対しては260mV、DRAM10−4に対しては200mVと60mVも異なっていた。このため、2つのDRAM内のレシーバの遅延時間が異なりタイミングマージンを減らしていた。一設計例では入力振幅電圧差が100mVに対してレシーバの遅延差は約110psであったので60mVは、66psの遅延ばらつきを意味する。また、この場合の方向性結合器のジッタ量Tjは137psであったので、これとレシーバの遅延ばらつきと合算すると203psのばらつきとなっていた。
これに対して本実施例では、ランダムパルスを1.3Gbpsで駆動し、DRAM10−1〜10−4の全て電圧がほぼ等しくなり、かつ方向性結合器でのジッタ量の最大値はsimulation結果から115psであり、従来技術に比べてレシーバばらつきを考慮しても88ps小さいことが分かる。これは動作周期の10%に相当し、この分タイミングマージンを確保できるあるいはその分高速化が可能となるといえる。
このように各方向性結合器の長さを数式(4)の様に信号量に応じて長さを調節することによって信号量変動を抑え、ジッタも抑えることができた。このため、各DRAM10−1〜10−4内のレシーバの遅延量差を抑えることができてバスのタイミングマージンを増やすことができる。すなわち、バスの高速化に効果があることがわかる。更に、DRAM10−1〜10−4の各間隔を一番長い10−4の方向性結合器長に合わせる必要がないのでDRAM10−1と10−2との間、10−2と10−3との間を狭くできる。これは高密度化が可能になったといえる。
第2の実施例として、方向性結合器の結合長を一定のままに配線間隔を変えることで生成信号量を一定にする構成を第6図、第7図を用いて説明する。
第6図の構成要素は第1図のそれと同じであるので差異のみ説明する。副結合配線20−1〜20−4は同じ長さを持っている。しかしながら方向性結合器を構成するメインライン20の一部と副結合器20−1〜20−4の平行配線の間隔が異なる。今、副結合配線20−1とメインライン20の配線間隔をw1とし、同様に副結合配線20−2〜20−4とメインライン20の配線間隔をw2、w3、w4とする。配線間隔を代表させて表示する場合はi番目の意味でwiと表記する。
第7図にプリント基板10内に設けられた方向性結合器の鳥瞰図を示す。直方体が金属導体である。方向性結合器を構成するメインライン20と手前の副結合配線20−1はw1の間隔を保って配線され、メインライン20と副結合配線20−2はw1より狭いw2の間隔を保って配線される。この第7図では配線が上下両方を電源層に囲まれているのでストリップラインで構成した図であり、一方を空気層と片方しか電源層を保たないマイクロストリップラインに対しても以下の議論は成り立つ。
配線間隔wiが異なる方向性結合器は結合度が異なる。すなわち、間隔wiが広い方が結合度は小さくなる。これは2線路間の容量性結合、誘導性結合が共に小さくなるためである。第7図は横方向に方向性結合器を構成したが、縦方向でも同じである。
方向性結合器の結合度Kbを式(5)のように定義する。
Kb=(方向性結合器の近端での信号生成量)/(主結合線路のドライブパルス電圧) (5)
従来技術で記したようにこれは後方クロストーク係数と呼ばれるものであり、ドライブパルスの立上り時間が方向性結合器の往復の伝搬遅延時間より短いとき一定値を取る。この場合、第7図の配線構造において2線路の静電容量行列[C]、インダクタンス行列[L]と表すと、以下の数式のような関係がある。ここで、各行列の要素を添え字ijで表した。
Zod=Sqrt[(L11+L12)/(C11+C12)] (6)
Zev=Sqrt[(L11−L12)/(C11−C12)] (7)
Kb=1/2{(Zev−Zod)/(Zev+Zod)} (8)
ここでSqrtは平方根を表している。後方クロストーク係数Kbは[C]、[L]の要素で表される。
第6図において、メインライン20が方向性結合器を構成している区間で便宜上区別する事にし、MC1に近い順に区間1、2、3、4とする。i区間を進むドライブパルスの減衰量をαiとし、i番目の区間の方向性結合器の結合度をKbiで表す。メインライン20の区間1に入射されるドライブパルスをV0とすると、区間iの副結合線路近端で生成される信号量Viは数(9)で表される。
V1=Kb1*V0
V2=Kb2*V0*α1
V3=Kb3*V0*α1*α2
V4=Kb4*V0*α1*α2*α3
Vi=Kbi*V0*Πi(αi) (9)
ここで、Πi(αi)=α1*α2*α3....*αiである。減衰は周波数成分に依って異なり表皮効果やコンダクタンスロスにより高周波成分ほど大きい。すなわち、メインライン20を伝搬するNRZ信号の遷移部(立上り部、立下がり部)に多くの高周波成分があり、これが方向性結合器の副結合線路近端部に生成される信号のピーク値を規定していることから、この遷移部の減衰量をαとおくことは自然である。また、逆にいうと、各方向性結合器の結合度Kbを同じにして誘起される信号ViとVi+1の比は、αiにほぼ等しいといえる。
式(9)から分かるように”Kbi*Πi(αi)=一定”に成るようにKbiを調整すれば、副結合線路近端部の信号生成量はほぼ等しくなる。本実施例では方向性結合器の結合長が一定であるのでαi≒αとすると式(10)を満たせばよい。
Kbi=1/α^(i−1)) (10)
ここで記号″x^i″はxのi乗を示している。1Gbps程度のデータ転送では減衰は無視はできないがそれほど大きくないことからα=(1−x)と置いて、ここでx<<1であるので式(10)は式(11)へと変形できる。
Kbi=1/((1−x)^(i−1))
=Kb1*(1+(i−1)*x) (i>1) (11)
第1図と同様に、シミュレーションにより回路解析した結果、方向性結合器のKbが等しくて結合長が25mmの場合、減衰率αはほぼ0.9であり、xは0、1となった。
そこで、Kb2をKb1の1.1倍、Kb3をKb1の1.2倍、Kb4をKb1の1.3倍になるように配線間隔wiを変えた系でシミュレーションした。このときのwiの値は数式(12)である。
w1=0.160mm、w2=0.135mm、w3=0.15mm、w4=0.1mm (12)
simulationの結果、DIMM間のVswのばらつきは、wiを一定した場合61mVに対して本実施例は28mVと約半分になっていることが分かった。なお、バス配線のジッタはほぼ同じ100psであった。
このため、バスの配線ジッタにはあまり低減効果はないがDIMM間でレシーバへの入力振幅のばらつきが少ないことからレシーバの遅延時間のばらつきが少ないことから高速化に効果があることが分かる。
第3の実施例を第8図を用いて説明する。本実施例は第1の実施例の異なる結合長を持つ方向性結合器を用いた場合であってもモジュール間隔を一定にする実施例である。
DRAM10−1〜10−4はそれぞれ60−1〜60−4で示されたドータボードに搭載され、コネクタ50−1〜50−4を介して、マザーボード100に接続される。マザーボード100にはMC1が搭載され、メインライン20と、これの一部と方向性結合器を構成する副結合線路20−1〜20−4が形成されている。ドータボード60−1〜60−4には多くのDRAMが搭載されているが第8図では簡単のため1つしか記していない。
MC1からのドライブパルスが方向性結合器のメインライン20を伝搬し、この方向性結合器によって生成された信号はコネクタ50−1〜50−4を介してDRAM10−1〜10−4に伝達される。この逆のデータ信号の伝搬も同じである。
ここで、方向性結合器の結合長は第1の実施例と同じくMC1に対して遠くに行くに従い長くなっている。しかし、モジュール60−1〜60−4の間隔は本実施例では一定である。モジュール60−1〜60−4に搭載されるDRAM10−1〜10−4など半導体の消費電力が大きい場合装置によっては放熱のためのある程度の間隔が必要である。そして、放熱の観点ではモジュール間隔が一定である方が熱源が均一となるので風で熱拡散する場合でも実装構造が簡単になるという効果がある。そのため、方向性結合器の結合長が異なる場合であっても、モジュールの間隔は一定にした方が装置の放熱性は良い。本実施例ではバス接続されたMC1とDRAM10−1〜10−4で信号振幅を同じにでき、かつ、高消費電力DRAMに対して熱の集中も避けることができた。
第4の実施例を第9図を用いて説明する。
DRAMなどデータ転送する半導体ではそのバスにはデータ信号の他に制御信号・アドレス信号(C/A信号)を持つことが多い。本実施例はこのC/A信号を方向性結合器を用いて転送する場合であって、メモリモジュール内に該方向性結合器を構成した例である。
DRAMメモリモジュールでは限られたスペースに多くのDRAMチップを載せるため、DRAMの間隔を調整することが難しい。このため、高密度のDRAMモジュールのC/A信号を方向性結合器でデータ転送する場合、第2の実施例のように結合係数Kbを結合器毎に変えることで生成される信号量を一定するのが望ましい。
第9図のメモリモジュール60内にはDRAM10−1〜10−4が搭載され、DRAM10−1〜10−4とMC1の配線が示されている。20aはMC1からコネクタ50までのマザーボード100内に用いられた配線で、ドータボード60内の配線20bに接続されている。配線20bは整合終端されており配線20bの一部と副結合線路21−1〜21−4がドータボード60内で方向性結合器を構成している。DRAM10−1〜10−4に接続される方向性結合器は、第2の実施例のように結合長を持つが、配線間隔が異なることで結合係数Kbをそれぞれ変えている。このKbは実施例2と同じ割合で決定されている。すなわち、MC1から見て遠方に位置する方向性結合器の結合係数(Kb)を大きくしている。このため、方向性結合器で生成されDRAM10−1〜10−4へ伝搬される入力信号の振幅は殆ど同じとなり、配線間隔wiを変えていない場合に比べて信号振幅バラツキとジッタを抑えることができる。すなわち、等信号生成がなされていることが分かる。このため、これまでの実施例と同じくジッタ低減の効果がある。本実施例ではC/A信号に方向性結合器を用いる場合について述べたがこれをデータに対して施しても同じ効果を得ることができる。
第5の実施例を第10図を用いて説明する。本実施例では第4の実施例で示したメモリモジュール60を用いてデータ転送するメモリバスで、C/A信号用の方向性結合器をモジュール内に、データ信号用の方向性結合器をマザーボード100内に施した例である。
メモリモジュール60−1〜60−4は同じ構成のモジュール基板で、DRAMを多数搭載している。それぞれのDRAMを10−1〜10−4で代表させた。モジュールには大きく分けてC/A信号用とデータ信号用のピン乃至パッドはあり、これらの信号はこの図では示されていないコネクタにより接続されている。
C/A信号は各モジュール60−1〜60−4へMC1から配線され、これらを23で示した。データ信号は各モジュール60−1〜60−4へMC1から配線され、これらを22で示した。このデータ信号の本数はモジュールの持つデータ信号ピンだけ有り、PC/サーバに用いられるモジュールの場合32本、62本、72本、144本を有する。そしてそれら複数の配線からなるデータ信号用の配線構造はほぼ等しい。
第10図はメモリモジュール60−1〜60−4がマザーボード100に垂直に搭載された場合の上面図で配線の構造を明らかにする目的で書かれている。MC1から各DRAM10−1〜10−4へのデータ信号配線22は方向性結合器を介して送受信され、該方向性結合器はマザーボードに構成されている。この結合長はMC1から見て近い順にL1、L2、L3、L4となっている。この構成は第1の実施例と同じであり、このためMC1から見て遠い方の方向性結合器の結合長が長くなっている。
このため、データ信号の信号生成量はどのDRAMに対してもほぼ同じ信号量となり、信号電圧バラツキ、ジッタが小さく高速化に効果がある。
C/A信号信号に対してはMC1とモジュール60−1〜60−4が1対1接続されているため、どのDRAMに対しても第4の実施例と同じくほぼ同じ信号量となり、信号電圧バラツキ、ジッタバラツキが小さく高速化に効果がある。すなわち、データに対してもC/A信号に対してもジッタ低減の効果がある。
第6の実施例を第11図を用いて説明する。
この実施例はメインラインを折り返し配線により高密度化した配線に等信号量を生成する方向性結合器を適用した物である。
20はMC1から引き出された折り返し配線である。メモリモジュール60−1〜60−4にはDRAMが多数搭載されており、コネクタ50−1〜50−4を介してバス接続されている。MC1から近い順に配置されているモジュール60−1〜60−4から引き出された副結合線路20−1〜20−4は、それぞれ第11図のように副結合線路20−1、20−4、20−3、20−2の順で、L1、L4、L2、L3の長さで配置されている。DRAM10−1には配線20−1がL1の長さで、DRAM10−2には配線20−2がL4の長さで、DRAM10−3には配線20−3がL2の長さで、DRAM10−4には配線20−4がL3の長さで接続されている。ここで、MC1からの配置の遠近ではなく、メインライン20の遠近で方向性結合器が配置されていることを特徴としている。
このようにメインライン20を折り返しこれに対して副結合線路を構成することで、モジュールの高密度化と供に方向性結合器により生成される信号振幅も一定にできる。また、本方式副結合線路20−2、20−3が重ならないように配置すればモジュール60−2と60−3の間隔L23を縮めることができる。これはこの区間で方向性結合器が無いためである。
これにより同じ枚数のメモリモジュール数を高密度にかつ、等信号量を生成する方向性結合器を構成することができる。
第7の実施例を第12図を用いて説明する。
本実施例は、メインラインをモジュール内に折り返したバス方式で、等信号量になるように方向性結合器を構成した例である。そして、メモリモジュールの種類を2種類で構成した例である。
MC1からのメインライン20はマザーボード100内の信号層とコネクタ50−1を介してモジュール60−1内に接続配線されている。モジュール60−1内の配線20と副結合線路20−1、20−2が方向性結合器を構成し、DRAM10−1、10−2に接続されている。メインライン20はモジュール60−1内で折り返されてコネクタ50−1を介して、再びマザーボード100内の信号層でコネクタ50−2まで配線される。以下同様に、モジュール60−2、60−3、60−4内をメインライン20はマザーボード上の終端抵抗にて終端されている。ここで、モジュール60−1、60−2は同じ構成のモジュールであり、2つの方向性結合器の結合長をそれぞれL1、L2とすると、L1≦L2となっている。更にモジュール60−3、60−4は同じ構成のモジュールであるが、この2つの方向性結合器の結合長をL3、L4とすると、L3≦L4の関係がある。2種類のモジュール間の関係は数式(13)となる。
(L1≦L2)≦(L3≦L4) (13)
このように構成することにより、方向性結合器の配線長が実施例1と同じ効果であるクロストーク信号生成量を同じにすることによってジッタを抑えることができた。このため、各DRAM10−1〜10−8内のレシーバの遅延量差を抑えることができてバスのタイミングマージンを増やすことができる。すなわち、バスの高速化に効果があることがわかる。
コネクタにモジュールを挿入することでバス接続を行う方向性結合式メモリシステムであって、方向性結合器の長さをMC1から見て遠くに位置するほど長くなるように構成する場合であっても、モジュールの種類を2種類と限定することでコスト削減と、性能向上の両立を果たしている。
第8の実施例として第13図を用いて説明する。
本実施例はこれまでの実施例よりも更なる高速化を目指した例である。
構成は実施例1とほぼ同じであるが、方向性結合器の構成が異なる。この実施例では方向性結合器を構成する2線路間(メインライン20と各副結合線路20−1〜20−4)の配線間隔wiと結合長Liがそれぞれ異なる。
w1≧w2≧w3≧w4 (14)
L1≧L2≧L3≧L4 (15)
数式(14)の配線間隔wiはMC1から見て近端の方向性結合器の方が開いており、このため後方クロストーク係数Kbは遠端の方が大きい。しかし、このKbの差はドライブパルス信号がメインライン20を伝搬するに従い鈍る効果を打ち消している。また、結合長Liは、実施例1では遠端ほど長くしていたが本実施例では遠端ほど短い。これは遠端に行くほどドライブパルスが鈍ることから遠端ほど生成されるtail部も長いことになる。このため、ドライブパルスの波形鈍りによるtail部の増大とジッタの増加を抑えるために、結合長Liを短くしているのである。当然実施例1とは正反対のことを行うため、結合長Liの現象に伴い信号量も減少するが、これは結合係数Kbを大きくすることで補償している。すなわち、結合長Liと配線間隔wiを数式(14)、(15)の様に構成することで生成されるクロストーク信号は同程度の信号振幅と信号時間幅を持っており、このため、配線によるジッタの増加並びにレシーバの遅延時間ジッタを抑えることができる。このため、実施例1に比べて更に超高速なデータ伝搬に好適である。
第8の実施例として第14図を用いて説明する。
第14図はこれまでの実施例1〜7のMC1あるいはDRAM10−1〜10−4に搭載される半導体素子のドライバ4に関する物であり、本実施例はtail部を無くすことでjitterの抑えることに目的がある。
本実施例の構成を述べる前に波形を用いてジッタ低減の原理を第15図を用いて説明する。
第3図に示したように高速データ転送を行う場合、バス配線での符号間干渉は主にクロストーク信号のtail部が後に続くデータに重畳することで生じていた。このため、クロストーク信号からtail部を小さくすればバスの符号間干渉であるジッタ量を減らすことができる。
第15図はこのtail部を小さくするためのドライブパルス(A)とクロストーク信号波形(B)である。点線の70は第3図(B)のドライブパルスと同じ従来技術の波形であり、時刻todまで実線に重なっている。実線の80は本実施例でのドライブパルスである。
時刻”0”で振幅V1でドライブされたパルスは時刻tod後に(−α*V1)でデータとは反極性のパルスがドライブされている。ここでαは係数でおよそ10〜20%である。第15図は、LからHへドライブした波形の説明図であり、同様にHからLの場合はデータとは反極性の(+α*V1)がtod後にドライブされることになる。
この点線のドライブパルス70に対するクロストーク波形は第15図(B)の点線の波形75の様に、第15図(A)の実線のドライブパルス80に対するクロストーク波形は第15図(b)の実線の波形85の様になる。波形75と85は時刻todまでは重なっている。これはtodまでは方向性結合器を伝搬するドライブパルス70、80で同じためである。しかし、時刻tod後は実線のドライブパルス80は反極性で更に振幅(−α*V1)でドライブしているのでこれに応じて方向性結合器でも反極性の信号が生成されこれが点線の波形75に重畳される。このため重畳される波形は時刻(tod+tr)後に最大(−α*Vp)になり、これが点線の波形75に重畳して実線の波形85の様にtail部が小さくなる。ここで、Vpは方向性結合器で生成されるクロストークの最大値で数式(1)が成り立つとき数式(9)と同じくVp=Kb*V1の関係がある。trはドライブパルスの立上り時間であり、この時刻にクロストーク波形は最大値になる。
以上のように第15図の実線の波形80の様にドライブ波形を生成することでクロストークのtail部を最小にできバスの符号間干渉を減少させ、これがジッタを低減し高速化に寄与する。
この波形を実現するドライバが第14図である。第14図はドライバ4の最終段の回路構成を中心に記述している。本実施例ではC−MOSのpush−pullドライバで構成しているが、open−dorain型インタフェースであっても第15図のような波形を構成できるのは言うまでもない。
第14図では最終段のドライバはトランジスタM1〜M4で構成されデータ信号(DATA)とアウトプットイネーブル(OE)信号とで出力pad5へのデータ出力を制御される。OEがネゲートされDATAに応じてトランジスタM1〜M4が出力されるが、これらのトランジスタのうちM3、M4はある一定の時間しかドライブされない。これは遅延回路90、91と排他的論理和X1、X2で制御される。すなわち、トランジスタM2とM4あるいはM1とM3はDATA信号に応じて同時にドライブされるが、遅延回路90、91によりX1、X2の入力が等しくなるのでトランジスタM3、M4をネゲートする。ここで、第15図(B)のαに相当するのがトランジスタM3、M4のドレイン−ソース間インピーダンスであるのでこのトランジスタのゲート幅を調整することでこのαを制御することも可能である。
この遅延回路90、91は遅延保持回路(レジスタ)92、93により遅延時間を調整されている。遅延回路90、91の構成は複数の微小遅延素子を直列に接続し、それらの出力をスイッチにより切り替えることで、信号を遅延させることができる。遅延回路90、91はレジスタ92、93の値に従って微小遅延素子をいくつ繋げるかをスイッチにより選択できるので、遅延量を離散的かつ連続的に調整することができる。このレジスタ92、93には第15図のtodとほぼ等しい遅延時間が発生するような値が保持されている。
この遅延回路90、91に相当する時間だけM1とM3ないしM2とM4がドライブされるのでこの期間だけドライブインピーダンスが小さくなり第15図(A)の波形80のようになることがわかる。
このドライバ4は第1図のMC1の信号出力回路に用いられ、ライト時には各DRAM10−1〜10−4に対して第15図(B)の波形80のようにMC1はドライブする。これにより各方向性結合器20−1〜20−4においてtail部が低減するので符号間干渉が減少しタイミングマージンが増加する。すなわち高速動作が可能となる。
同様にDRAM10−1〜10−4に対してもドライバ4が用いられリード時に第15図(A)の波形80の様に出力される。これにより各方向性結合器20−1〜20−4においてtail部が低減するので符号間干渉が減少しタイミングマージンが増加する。すなわち高速動作が可能となる。
ここで、todの設定を第16図を用いて説明する。
第10図と同じくマザーボード100に搭載されたMC1とメモリモジュール60−1〜60−4に搭載されたメモリ10間でデータ転送が行われ、C/A信号は配線23によって、データ信号は配線22によってデータ転送される。ここで、マザーボード100に構成された方向性結合器でデータ送受信し、メモリモジュール60−1〜60−4に構成された方向性結合器でC/A信号が伝達される。データ信号において方向性結合器はモジュール60−1〜60−4に対して結合長L1、L2、L3、L4をマザーボード100内に構成されているが、この結合長L1〜L4は第1の実施例と同様に数式(4)のように決められている。そのため、MC1に対して近い遠いによる信号生成量の差はない。MC1とメモリ10には第14図のようなドライバが入っており、ドライブ時において第15図の実線80のような波形をドライブすることができる。todの設定であるが、MC1とメモリ10に分けて説明する。
MC1の場合は、MC1に配線24−1〜24−4が接続されており、これら配線24−1〜24−4は方向性結合器L1〜L4の往復時間と同じ伝搬遅延時間を持つ配線長を持つ。このため、モジュール60−1に対する方向性結合器の結合長L1の往復離縁時間は配線24−1の遅延時間を測ることでMC1は知り得る。同様に方向性結合器の結合長L2〜L4に対しても配線24−2〜24−4の伝搬遅延時間を測ることで知り得る。この情報を元にMC1に搭載された第14図のドライバ4内レジスタ93、94の値を設定できる。これを用いて、MC1はライトデータを送信する場合、モジュール60−1〜60−4に接続された方向性結合器結合長L1〜L4の往復遅延時間に応じた時間todでデータとは反極性のパルスを第15図のようにドライブすることができるので符号間干渉が減少し高速化が可能となる。
メモリ10の場合は、メモリモジュール60−1〜60−4に搭載された書き換え可能なROM(EPROM)15−1〜15−4に格納された遅延時間情報をデータ送信に先立ちメモリ10ドライバ4内のレジスタ93、94に転送することでなされる。具体的にはMC1は各モジュール60−1〜60−4に対応した方向性結合器の結合長L1〜L4の往復伝搬時間情報をEPROM15−1〜15−4に書き込んでおく。この書き込むタイミングはパワー投入時直後でも、定時間毎でも構わない。この書き込まれた情報をEPROM15−1〜15−4は保持し、この値はメモリ10に配線25を用いて伝達される。メモリ10に対して遅延時間情報を伝達させるのはMC1がバウンダリスキャン情報を用いて各メモリに書き込んでもいいし、メモリ10の要求に従ってEPROM15−1〜15−4が各メモリ10に情報を与えてもよい。
MC1はEPROM15−1〜15−4に対して方向性結合器の往復伝搬遅延時間情報を書き込むこと、そしてその情報をメモリ10内のレジスタ93、94に格納することで、メモリアクセスのリードデータに対しても各メモリ10は方向性結合器の結合長に応じたtail部低減ドライブパルスを送出できる。これにより符号間干渉が減少しジッタも減少する。
以上の例は、DRAMに対しては、はバウンダリスキャン回路を通じて制御した例であるが、DRAM製造時にメタルマスクで切り替えることで製造してもよい。
更に、MC1はDRAM10−1〜10−4に対して、異なる値αを用いてもよい。例えばDRAM10−1、10−2に対しては、例えばα=10%として、DRAM10−3、10−4に対してはα=20%を用いればよい。このαはドライバ4の出力インピーダンスを調整することで達成可能であり、第14図のトランジスタM3、M4にパラレルに接続しておきこれらのトランジスタを切り替えることで実現できる。このようにDRAM毎にtodとαを構成することでいずれのDRAMにおいても信号振幅を一定状態に保ったままtail部を減少させることができ、符号間干渉を抑えることができる。この効果は第6図でも第8図〜第13図でも同じ効果を有する。
本実施例ではドライバにより第15図(A)の波形80を構成したがこの方法以外でも同じ波形を生成できれば同じ効果が得られる。例えばメインライン20が持つ特性インピーダンスとは異なるインピーダンスの配線により、todとαを持つ第15図のような波形を構成することができる。
本発明において第1の効果は、プリント基板の2配線で構成された方向性結合器の配線長をMCから遠い方向性結合器ほど長くすることによって、方向性結合器が生成するクロストーク信号をどの方向性結合器においても同じにする。これはドライブパルスが表皮効果・誘電損失により遠端に伝搬するに従い鈍っていくのを補正することができる。
方向性結合器により発生するジッタを方向性結合器の位置に関わらず一定にすることでシステム全体のタイミングマージンを一定することにある。
バスマスタ1とバススレーブ10−1〜10−4間のデータ転送において、配置に依って生じる信号波形の振幅差を無くすことができた。これにより、レシーバの遅延ばらつきを低く抑え、レシーバのノイズ感度を一定にすることができた。これにより更なる高速化を可能とした。すなわち、バスの高速化に効果がある。
本発明において第2の効果は、メモリモジュールのようにシステムの構成により方向性結合器の結合長が充分取れないあるいは等間隔にバススレーブを配置しなければならない場合でも方向性結合器の結合長を最大長になるように等間隔で配置させ、配線の間隔を遠方ほど狭くすることでバススレーブ毎に生成されるクロストーク信号量を一定にできた。このため、等間隔配置と等信号生成の両立が可能となった。
本発明の第3の効果は、方向性結合器に依る生成波形がtail部を含んでいることによりこのtail部による符号間干渉に伴ってジッタの原因になっていたが、ドライバにデータとは反対極性のパルスを方向性結合器の往復遅延時間だけドライブパルス振幅のα倍(約10〜20%)ドライブすることでtail部をなくすことができた。このため、信号振幅を一定にし、tail部に起因する符号間干渉がなくすことができた。このため更なる高速化が可能となった。
Claims (5)
- 複数の半導体素子間でデータを転送するバスシステムにおいて、
第1の半導体から第1の配線が引き出され、この第1の配線と平行配線することにより方向性結合器を構成する複数の配線がなされ、それぞれの該配線が第2の半導体素子に接続され、
接続されるn個の方向性結合器のうち、第1の半導体から近い順に方向性結合器の長さをL1、L2、L3...Lnとした場合に、L1≧L2≧L3≧...≧Lnとなり、
前記第1の半導体から近い順に方向性結合器を構成する平行2線路間の間隔をw1、w2、w3...wnとした場合に、w1>w2>w3>...>wnとなり、
前記方向性結合器の長さおよび前記平行2線路間の間隔は、前記複数の方向性結合器より生成される信号振幅がおおよそ同じになるように設定されることを特徴とするバスシステム。 - 請求項1のバスシステムにおいて、
前記第2の半導体の数が4つであり、前記第1の半導体から近い順に方向性結合器の長さをL1、L2、L3、L4とすると、
L1、L2、L3そしてL4の結合長差が10mm以内としたことを特徴とするバスシステム。 - 請求項2のバスシステムにおいて、
前記第1の半導体から数えてi番目の方向性結合器の結合度をKbiとした場合、第1の方向性結合器の結合度Kbiに対して、X=0.1〜0.2の係数でKbi=Kb1*(1+(i-1)*X)で与えられる結合度Kbiを該方向性結合器が持つことを特徴とするバスシステム。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載のバスシステムであって、
前記第1の半導体はメモリコントローラであることを特徴とするバスシステム。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載のバスシステムを有するプリント配線基板。
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