The demands for advanced interconnects expands to catch up with the increase in achievable IC speed. The old-established technologies, the electrical interconnects, are near at ends owing to its fundamental limitation caused by the skin effect. And the optical interconnects believed as a strong alternative are still under restrictions in terms of tremendous replacement cost. We have designed a completely novel type of chip-to-chip interconnects. A new interconnect, E-TUBE, would be a cost-effective/low power solution to high speed data communication. The CMOS transceiver operating at 60GHz passband transmits and receives data through the multiple dielectric waveguide channels. E-TUBE is aiming for IEEE P802.3bj KR standard and be a promising solution to the overall short reach chip-to-chip interface. A return loss is under 10dB in a frequency range of 53 to 77 GHz. The insertion loss at the center frequency of the passband is found to be 15dB for 1m waveguide. The bandwidth of the E-TUBE channel is adequately achieved to transmit PAM4 28Gbps data at center frequency of 62GHz. The area occupied by the one E-TUBE channel is 3.1mm x 1.5mm.
본 논문에서는 유전체 도파관을 이용한 멀티채널 칩투칩 저전력 고속 유선 인터페이스에 대하여 연구하였다.
IC technology가 발전함에 따라 칩에서 고속 데이터를 출력으로 내보낼 수 있음에도 channel에서 생기는 bandwidth limitation으로 인해 고속 전송이 어려워지고 있다. 이와 같은 문제를 보상함에 있어서 기존의 인터페이스는 굉장히 큰 power/area가 소모되는데 E-TUBE는 추가적인 보상 없이도 고속 전송을 가능하게 한다. 유전체 도파관을 이용한 E-TUBE는 크게 waveguide와 microstrip circuits으로 구성된다. Waveguide는 유전체에 금속 피복이 덮어진 형태이다. PCB 위에 그려지는 microstrip circuits은 유전체 도파관과 맞닿아 60GHz 대역의 mm-Wave가 E-TUBE로 전파될 수 있도록 임피던스를 매칭하는 역할을 한다. 결국, 송신단 die에서 나온 RF 신호는 송신단 PCB에서 방사되어 waveguide를 통해 전파하고 수신단 PCB를 거쳐 수신단 die로 전달된다.
E-TUBE기술이 경쟁력을 갖는 이유는 채널 손실이 주파수 의존적이지 않기 때문이다. 금속 도선은 skin loss로 인해 주파수 의존적인 큰 감쇠가 생기지만 dielectric waveguide는 채널 손실이 주파수에 의존적이지 않다. 더불어 E-TUBE는 dielectric waveguide에 금속 피복을 덮어 field leakage를 없앴기 때문에 진행하는 거리에 따라 줄어드는 strength가 굉장히 작다. 이로써 채널 손실이 아주 크게 줄어들어 전력 소모가 큰 증폭단의 수를 줄일 수 있다. 또 금속 피복을 이용함으로써 채널과 채널 사이의 간섭을 무시할 수 있기 때문에 다른 채널과의 crosstalk으로부터 발생하는 band limitation이 없다는 것을 알 수 있다. mm-Wave 신호는 파장이 굉장히 짧아 전체적인 인터페이스 크기를 작게 만들 수 있다. 게다가 waveguide를 빨대를 꼽듯이 수직으로 PCB와 연결하기 때문에 작은 영역에 집약적으로 channel을 배치하여서 효율적으로 multi-channel 통신을 가능하게 한다. 마지막으로 대량 생산시 새로운 인프라 설비 없이도 기존 금속 케이블/PCB 생산 인프라를 그대로 사용 가능하기 때문에 비용 효율적이다.
E-TUBE channel prototype을 제작하여 S-parameter를 측정한 결과 1m 거리에서 -15dB 의 channel loss가 발생하였다. 또한 Center frequency 62GHz에서 PAM4 28Gbps 데이터가 전송될 수 있을 만큼의 bandwidth도 확보하였다. Simulation상에서 Transceiver를 설계하여 E-TUBE channel을 통과한 데이터의 eye diagram을 보면 channel 보상을 위한 equalization 없이도 충분히 좋은 vertical, horizontal opening이 열리는 것을 알 수 있었다. 또한 채널 당 차지하는 면적은 3.1mm x 1.5mm 이다.
E-TUBE 기술은 칩투칩 인터페이스 시장에서 state-of-the-art에 해당하는 100GE 시장뿐만 아니라 차세대 400GE시장에서 비용 효율적이고 전력 소모가 적은 유일한 솔루션이다. 고속 I/O 인터페이스에 대한 수요가 늘어나는 추세에서 앞으로 발생할 수 있는 모든 잠재적 시장에서 silicon photonics 기술과 경쟁할 것으로 예상한다.
