32 Gbps 高速SerDes 量產(chǎn)測試方案

作者：曹旭榮，方延奮，王業(yè)清 (愛德萬測試（中國）管理有限公司)

摘要：隨著SerDes芯片集成度，復雜度，傳輸速率的不斷提高，傳統(tǒng)的自動化測試系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足SerDes測試速率需求。為解決該測試難題，通過Nautilus UDI方案的導入，成功得實現(xiàn)了32 Gbps SerDes在93000平臺上量產(chǎn)測試。本文將介紹Nautilus UDI方案是如何實現(xiàn)高速SerDes測試的,包括UDI結(jié)構(gòu),輸入時鐘設(shè)計，Load board設(shè)計，socket選型等多個測試環(huán)節(jié)。

0 引言

隨著信息通信技術(shù)的發(fā)展，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?、效率要求越來越高，傳統(tǒng)并行接口的速度已經(jīng)達到一個瓶頸，速度更快的串行接口是技術(shù)發(fā)展趨勢。于是原本用于光纖通信的SerDes技術(shù)成為了高速串行接口的主流。

SerDes自動化測試受制于測試系統(tǒng)傳輸速率限制及硬件設(shè)計，導致SerDes測試遠遠落后SerDes芯片的發(fā)展。愛德萬經(jīng)過多年的研發(fā)及高速IO測試經(jīng)驗的積累，基于93000平臺研發(fā)出了一套完善的,最高速率支持到32.8 Gbps測試方案（Nautilus UDI），彌補了16G-32.8 Gbps SERDES高速IO自動化測試的空白。如圖1：93000平臺提供了支持最高速率速率為9 Gbps, 16 Gbps, 32.8 Gbps多種傳速速率SerDes測試方案。

圖1：93000 0-32G傳速速率測試方案

1 SerDes

SerDes是英文Serialize (串行器)/De-Serialize (解串器) 的簡稱。它是一種主流的時分多路復用(TDM)、點對點(P2P)的串行通信技術(shù)。即在發(fā)送端多路低速并行信號被轉(zhuǎn)換成高速串行信號，經(jīng)過傳輸媒體(光纜或銅線)，最后在接收端高速串行信號重新轉(zhuǎn)換成低速并行信號[1]。日常見到的消費類電子產(chǎn)品中的PCIE、SATA等接口即是SerDes技術(shù)的應(yīng)用案例。
SerDes主要由PLL組成時鐘模塊, 控制模塊，發(fā)射器和接收器組成（如圖2所示）。為了解決測試難題及降低測試成本，如今的SerDes還添加了偽隨機碼（PRBS）產(chǎn)生器, 偽隨機碼（PRBS）檢驗器和環(huán)回路徑等模塊輔助測試。

圖2：SerDes結(jié)構(gòu)

2 SerDes測試

SerDes測試主要分BIST測試和high speed I/O測試。BIST測試主要依賴于芯片內(nèi)部的測試模塊，測試芯片功能是否正常，其主要特點是測試效率高，成本低，對load board等硬件制作要求低，但無法測試芯片的特性，測試覆蓋率相對較低，并且無法失效定位。而High speed I/O測試基本可以滿足所有SerDes測試需求，測試覆蓋率高，但是對于硬件制作要求高，測試成本高。

SerDes High speed I/O 依據(jù)測試模塊可分成接收器測試和發(fā)送器測試兩大部分。接收器性能指標主要有：靈敏度測試，抖動容忍度測試，skew測試，阻抗測試等。發(fā)送器性能指標主要有：輸出幅度測試，眼高，眼寬測試，上升下降時間測試，抖動測試（TJ，RJ/DJ）,眼圖測試，共模電壓測試，skew測試，阻抗測試等[2]。

3 Nautilus UDI方案

Nautilus UDI（下面我們簡稱UDI）方案如圖3所示，93000發(fā)送4路8 Gbps信號至UDI，經(jīng)UDI內(nèi)部MUX合成成1路32 Gbps信號至芯片，結(jié)合芯片內(nèi)部偽隨機碼檢驗器實現(xiàn)接收器測試。芯片內(nèi)部發(fā)射器發(fā)送32 Gbps 信號，通過DEMUX分解成4路8 Gbps信號后，被93000采樣測試分析，實現(xiàn)了發(fā)射器測試。借助芯片parallel loop back模型[3]，在實際的量產(chǎn)中我們通常以環(huán)回眼圖測試來覆蓋接收器和發(fā)送器。UDI測試速率為16G~32.8 Gbps (未來最高速率可達64 Gbps) ，能夠支持最多16組接收器和發(fā)射器測試。

圖3：UDI測試方案模型

3．1 Nautilus UDI工作原理

UDI主要由MUX和DEMUX 2部分電路組成。MUX內(nèi)置1個4：1多路復用器（如圖4所示），通過RX_CLK（4 Ghz）x2倍頻時鐘控制第一級2：1復用器，實現(xiàn)AC, BD合成，經(jīng)過X4倍頻時鐘控制第二級2：1復用器后轉(zhuǎn)換成ABCD。再通過一個輸出幅度（0～1200mV）可調(diào)的放大器及10db衰減器作為輸出(0~260mV)，滿足了測試接收器靈敏度功能及精度需求。RX_CLK除了提供復用器觸發(fā)時鐘外，通過在RX_CLK上增加抖動的方式來實現(xiàn)在輸出信號上添加抖動，從而達到測試接收器容忍度的目的。DEMUX結(jié)構(gòu)和MUX近似，內(nèi)置1個1：4多路解復用器，并且在DEMUX前增加了一個無源的均衡器，使因路徑插損造成畸變的信號更平坦，降低因路徑造成的碼間干擾。

圖4：MUX和DEMUX結(jié)構(gòu)

3．2芯片輸入時鐘

SerDes對于參考時鐘有較高的要求，輸入時鐘的RJ會被SerDes混入，導致測試不穩(wěn)定，無法測試出芯片真正的Jitter, 因此需要使用高精度時鐘模塊。使用PSSL板卡的通道作為參考時鐘，其RJ為1ps, 由于RJ過大導致芯片內(nèi)眼圖散點太多如圖5所示，測試不穩(wěn)定。為此我們選用了一個標準化模塊Jitter Attenuator Module（簡稱JAM），通過A93000對其可編程控制，實現(xiàn)了不同頻率時鐘輸入降噪處理，經(jīng)過JAM后，時鐘的RJ被降低到了233fs（如圖6），掃描的眼圖沒有散點（如圖7），保證了測試穩(wěn)定性。

圖5:RJ=1ps系統(tǒng)時鐘條件下，PLB眼圖

圖6: JAM輸出時鐘相位噪聲指標

圖7: 使用JAM作系統(tǒng)時鐘PLB眼圖

3.3 Load Board 設(shè)計

SerDes高速IO接口測試，對發(fā)射和接收管腳外圍電路的信號完整性要求是很高的，稍有不慎，就會導致測試結(jié)果出現(xiàn)巨大誤差。對于SI規(guī)則我們提出了以下幾點：

1）對于TX,RX全鏈路（包含過孔）的TDR要求是單端阻抗50Ω±5Ω,差分阻抗要求100Ω±10Ω。

2）需要考慮封裝因素，做到以lane間的衰減相等代替原先只考慮Load board的走線的等長。

3）對于Load Board的材質(zhì)，盡量使用介電常數(shù)小的材質(zhì)，如Roger,Megtron6,Necole等，介電常數(shù)越小，線損衰減也越小[4]。

4）全鏈路采用高速布線的要求（線寬，間距需滿足一定比例，信號包地處理等）。

5）Load board設(shè)計完成之后必須使用“3D”仿真，以滿足S21>-3db@15GHz;S21>-6db@30GHz的要求。

3.4 Socket選擇

Socket也是測試過中比較重要的部分，主要有pogo pin和導電膠2種材質(zhì)，Pogo pin的socket耐用性好，高低溫差異不大，適合量產(chǎn)使用。導電膠 socket 由于加工工藝特性，信號衰減小，適合高頻測試，但是由于其不耐磨，無法滿足大批量生產(chǎn)的需要，所以只適合特性測試。

4測試結(jié)果

應(yīng)用UDI的方案我們對32 Gbps SerDes芯片進行了PRBS15 Loopback測試，UDI測試的眼寬眼高分別為19ps,270mV(圖9)，和DCA量測結(jié)果(圖9)基本保持一致。

圖8：UDI眼圖SHMOO掃描

圖9：DCA 實測結(jié)果

5 結(jié)論

Nautilus UDI方案提供是一套實現(xiàn)高速I/O接口特性測試及量產(chǎn)測試自動化的完善方案，一經(jīng)推出即得到許多國內(nèi)外客戶的認可，并且與國內(nèi)某知名半導體公司合作，實現(xiàn)了多個25～32G Bps SerDes芯片的穩(wěn)定量產(chǎn)，相信未來能夠幫助更多還在為高速SerDes測試而困擾的客戶解決高速I/0測試這個難題。

參考文獻：

[1] SERDES百度文庫．201-07-17[引用日期2016-12-26]
[2] 劉瀟驍,SerDes電路的可測性集成設(shè)計與機臺測試，《國防科學技術(shù)大學》,2013
[3] D. Keezer, D. Minier, P. Ducharme and A. Majid, “An Electronic Module for 12.8 Gbps Multiplexing and Loopback Test,” IEEE International Test Conference 2008.
[4] Eric Bogatin. Signal and Power Integrity - Simplified, Second Edition. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall. 2009. ISBN978-0-13-234979-6.