This thesis presents a millimeter-wave frequency band operating OOK modulator for wireless chip-to-chip data communication. The chip-to-chip data communication can be explained with several characteristics. A data with very large data rate is a typical type of data that is processed in the short-ranged chip-to-chip interconnection. Also, highly efficient system in the aspect of power dissipation is required with very small footprint of the system. Currently, the inter-chip interconnection is achieved through electrical wires connecting pins of the chips of interest.
The current inter-chip interconnection system encountered problems of limited data rate processed per wire, large area consumed by the interconnection-wires and I/O pins. To replace the electrical wires for the interconnection between chips, capacitive and inductive coupling and optical interconnection attracted attention over the years. Due to poor communication distance and large power dissipation, both methods are inappropriate for the inter-chip data communication application.
The wireless inter-chip interconnect is drawing attention for a suitable alternative. If the performance of the wireless inter-chip interconnect can come close to the performance of the current state-of-the-art inter-chip interconnect, it would be able to replace the current system, being a future inter-chip interconnect solution.
The thesis proposes an OOK modulator that have broad bandwidth characteristic which allows the modulator to process data with very high data rate. It operates with low power consumption enhancing the energy efficiency. These are the critical performance measures for the inter-chip data communication. The OOK modulator assures the communication distance of 50mm which is adequate for the inter-chip interconnect application while having a very small footprint of the chip. Thus, this OOK modulator is suitable for the transmitter of the future wireless inter-chip data communication system.
The proposed OOK modulator operates at 80GHz centered millimeter-wave frequency band having a broad bandwidth of over 22GHz. With the broad bandwidth and OOK modulation scheme, it can process data having data rate of 16Gbps while consuming little DC power showing the energy efficiency of 0.36pJ/bit. The on/off ratio of the circuit is higher than 30dB assuring little degradation on the SNR. Also, the output power of the modulator satisfies the link budget that is designed for 50mm communication distance. The chip size is 0.017mm^2 which is very compact compared to other state-of-the-art works. These simulated values indicate that the proposed millimeter-wave OOK modulator is suitable for the transmitter of the future wireless chip-to-chip interconnect system.
본 논문에서 밀리미터 파 대역에서 동작하는 무선 칩 간 통신을 위한 OOK 변조기를 연구하였다. 칩 간 데이터 통신은 여러 특성으로 설명할 수 있다. 근거리의 칩 간 통신 연결에서는 굉장히 큰 데이터 속도를 갖는 데이터를 통상적으로 처리한다. 그리고 소모 전력 면에서 굉장히 전력 효율적인 시스템이 요구되며 시스템의 사이즈는 매우 작다. 현재의 칩 간 통신은 유선으로 칩의 여러 핀들을 연결하는 양상으로 이루어지고 있다.
현재의 칩 간 통신은 유선 연결을 담당하는 전선 하나에서 처리할 수 있는 데이터의 양이 제한되고 연결선과 입출력 핀의 개수가 늘어남에 따른 면적 증가로 인한 문제에 봉착해있다. 칩 간 유선 연결을 대체하고자 용량 결합과 유도 결합, 그리고 광을 이용한 연결에 수년 간 관심이 집중되고 있다. 그러나 통신 거리가 너무 짧다는 단점과 전력 소모가 크다는 단점 때문에 두 방식 모두 칩 간 데이터 통신에는 부적합하다.
현재의 칩 간 통신에 대한 적합한 대안으로 무선 칩 간 연결 방식이 주목을 받고 있다. 현재의 유선 칩 간 통신 시스템 중 가장 최첨단을 달리는 시스템과 버금가는 성능을 무선 칩 간 연결이 보여줄 수 있다면 이 시스템은 현재의 유선 칩 간 통신을 대체할 수 있을 것이며 미래 칩 간 통신에 대한 해답이 될 수 있을 것이다.
본 논문은 매우 넓은 대역폭을 지님으로써 아주 높은 데이터 처리 속도를 보이는 OOK 변조기를 제시한다. 이 변조기는 적은 전력만을 소모함으로써 에너지 효율을 증대시킨다. 이 특성들은 칩 간 데이터 통신에 있어 매우 중요한 성능 지표들이다. 본 OOK 변조기는 50mm의 통신 거리를 보장하며 이는 칩 간 연결 용도에 있어 충분한 거리이다. 또한 칩 사이즈가 매우 작다는 특징을 지닌다. 그러므로 본 OOK 변조기는 미래 칩 간 데이터 통신 시스템의 송신기에 매우 적합하다고 단언할 수 있다.
제시된 OOK 변조기는 밀리미터파 대역인 80GHz에서 동작하며 22GHz 이상의 광대역폭을 지닌다. 광대역폭과 OOK 변조 기법으로 본 변조기는 16Gbps에 달하는 데이터 처리 속도 특성을 보이며 동시에 파워 소모가 매우 적어 에너지 효율이 0.36pJ/bit에 달한다. On/off 비율은 30dB이상이어서 SNR의 열화가 거의 발생하지 않는다. 또한 출력 전력은 50mm의 통신 거리를 기준으로 짠 무선 링크 버짓에 부합하여 그 통신 거리를 보장한다. 칩의 크기는 0.017 mm^2 이며 이는 다른 최첨단 시스템들과 비교 시 매우 작다는 것을 확인할 수 있다. 이들 시뮬레이션 결과를 통해 본 논문에서 제시하는 밀리미터파 대역에서 동작하는 OOK 변조기가 미래 무선 칩 간 통신 시스템의 송신기의 중요 회로로 적용될 수 있음을 증명한다.
