2013年12月16日09:19
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本文邀請參與獲得第一屆“NE日本無線技術(shù)獎”最優(yōu)秀獎的“無線SSD用高速通信技術(shù)”研發(fā)的慶應(yīng)義塾大學(xué)碩士生小菅對該技術(shù)作介紹。
小菅敦丈 慶應(yīng)義塾大學(xué)研究生院理工學(xué)研究科黑田研究室碩士研究生
我們開發(fā)了利用電極間近場電磁場的高速非接觸通信技術(shù)。該技術(shù)可用來使SSD及顯示器等與主板間的連接器變?yōu)榉墙佑|式，或微處理器與DRAM模塊實現(xiàn)無線連接。
作為近距離非接觸通信技術(shù)，常見的方案是利用線圈磁場耦合的技術(shù)，主要應(yīng)用領(lǐng)域為層積硅芯片間的通信。與TSV（硅通孔）相比，這種方法有望以低成本實現(xiàn)高速通信。利用磁場耦合的芯片間非接觸通信在數(shù)十μm的通信距離上，每通道的數(shù)據(jù)傳輸速度已經(jīng)有過30Gbit/秒的先例。
不過，利用磁場耦合的非接觸通信技術(shù)，當(dāng)通信距離達(dá)到mm級后，存在帶寬會大幅縮窄的課題。因為線圈的寄生電容分量會造成自諧振。以1mm通信距離為例，以前報告的最大數(shù)據(jù)傳輸速度為每通道1.2Gbit/秒（非多值化時）。要想利用磁場耦合實現(xiàn)10Gbit/秒級的通信，通信距離最好能縮短到0.1mm以下。
利用對向布線間的電磁場
為此，我們開發(fā)出了利用對向布線間產(chǎn)生的電磁場傳輸信號的耦合器（圖1），取名為“傳輸線路型耦合器” （TLC：Transmission Line Coupler）。TLC的帶寬取決于耦合器的線路長度。因此，與使用線圈的磁場耦合方式不同，即使通信距離達(dá)到數(shù)mm也能高速通信。
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| 圖1：TLC（Ttransmission Line Coupler）的概要 |
由于僅在對向布線間產(chǎn)生電磁場，因此還具有電磁場不會向天線那樣向遠(yuǎn)處散播的優(yōu)點。經(jīng)確認(rèn)，在距TLC約5mm處的電磁波強(qiáng)度，最大僅-56dBm。
TLC的收發(fā)器構(gòu)成和誤碼率（BER：bit error rate）等基本特性，與原來的有線通信技術(shù)基本相同（圖2）。并且，不必像通常的無線通信技術(shù)那樣利用天線傳播電波。因此，與普通的無線通信技術(shù)相比，BER僅9位數(shù)左右，1bit的耗電量僅2位數(shù)左右。
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| 圖2：TLC收發(fā)器的構(gòu)成和仿真波形 |
TLC與磁場耦合型非接觸通信技術(shù)一樣，具備帶通特性。由此，直流分量被去掉，接收波形變成微分波形。與磁場耦合型通信一樣，使用接收端設(shè)置的遲滯鎖存電路，將接收的微分波形復(fù)原為NRZ（non-return-to-zero）信號。
以12.5Gbit/秒的速度與DRAM通信
為了利用TLC技術(shù)進(jìn)行1mm距離的非接觸通信，我們采用90nm工藝CMOS工藝試制了收發(fā)IC（圖3）。在一般被稱為“無誤碼”的BER低于10-12的狀態(tài)下，實現(xiàn)了12Gbit/秒的數(shù)據(jù)傳輸速度。我們在“ISSCC 2011”上發(fā)布了這一成果。
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| 圖3：以1mm距離實現(xiàn)12Gbit/秒的傳輸速度 |
TLC的特點還包括可實現(xiàn)阻抗匹配。能抑制反射，提高信號品質(zhì)，因此適用于連接微處理器和多個DRAM模塊等用途。以前的有線連接器因阻抗不匹配，各節(jié)點會產(chǎn)生波形干擾。而TLC不會產(chǎn)生波形干擾，與多個節(jié)點通信時也容易實現(xiàn)高速化。
我們用TLC試制了微處理器與多個DRAM模塊無線通信系統(tǒng)。連接5個DRAM模塊時，最大通信速度達(dá)到了12.5Gbit/秒，數(shù)據(jù)傳輸速度是3.2Gbit/秒DDR4接口的約4倍。
還可雙通道同時傳輸
連接端子的有線連接器需要使用橋殼來嵌合，而我們開發(fā)的TLC可通過對向基板上的布線圖案形成。因此，具備能減薄連接器厚度的優(yōu)點。
在試制中，我們把構(gòu)成耦合器的兩張柔性基板，再加上固定基板的粘合劑的總厚度控制在了0.15mm（圖4）。這種厚度可適用于諸如便攜式信息終端的主板與液晶面板模塊的連接等要求薄型化的用途。
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| 圖4：可作為極薄的連接器利用 |
采用電磁耦合的TLC，其信號傳輸方向是限定的。我們想到利用這一特性，用一對耦合器傳輸兩個不同的信號。
于是，我們調(diào)查了把耦合器圖案兩端用作不同的端口時，傳遞至另一側(cè)端口的信號強(qiáng)度（圖5）。與在對向端口間傳遞的信號相比，確認(rèn)了傳遞至另一側(cè)端口的信號強(qiáng)度小至-20dB。由于獲得了充分的信號分離特性，因此可以說能以一對耦合器傳輸數(shù)據(jù)和時鐘等各異的兩個信號。
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| 圖5：可雙通道同時通信 |
我們通過實驗嘗試同時傳輸數(shù)據(jù)和時鐘驗證了其特性。單通道傳輸時為320皮秒的時序余量在雙通道傳輸中為305皮秒（圖6）。確認(rèn)即使是雙通道同時傳輸，信號也基本不會劣化。
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| 圖6：雙通道通信的信號劣化很小 |
耐距離變動和噪聲性強(qiáng)
我們還用試制的TLC確認(rèn)了對距離變動和電磁噪聲的耐性，以及可靠性。
首先，將設(shè)想通信距離為數(shù)百μm的耦合器，從稍遠(yuǎn)處逐漸靠近。確認(rèn)了耦合器間的距離達(dá)到約1mm以下時開始通信的情況，發(fā)現(xiàn)只能在可發(fā)生電磁耦合的距離上收發(fā)數(shù)據(jù)。
另外我們還確認(rèn)，通信時即使耦合器間的距離有100μm左右的振動，也不會出現(xiàn)通信錯誤。TLC對距離變動的耐性較高，這意味著可以降低對基板間距離的精度要求。而且，即使發(fā)生一定程度振動，也能確保通信可靠性。
為確認(rèn)對電磁噪聲的耐性，我們還實施了把處于通話狀態(tài)的手機(jī)放到耦合器上的實驗。即使有在1.97GHz達(dá)到峰值的電磁噪聲的照射，TLC通信也沒有產(chǎn)生誤碼。由此確認(rèn)該方法具備較高的電磁噪聲耐性。
TLC通信產(chǎn)生誤碼一般是在耦合器旁邊有導(dǎo)體存在時產(chǎn)生的。因為導(dǎo)體會吸收電磁場。而經(jīng)實驗確認(rèn)，附近有導(dǎo)體時，在導(dǎo)體與耦合器之間夾一張0.1mm厚的紙就能消除導(dǎo)體的影響。
我們今后的研發(fā)目標(biāo)是，推進(jìn)TLC作為非接觸連接器技術(shù)的實用化。同時，利用TLC對振動和噪聲的高耐性，將其應(yīng)用于車載領(lǐng)域。（日經(jīng)技術(shù)在線！供稿）
