2013年12月16日09:19
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本文邀請參與獲得第一屆“NE日本無線技術獎”最優秀獎的“無線SSD用高速通信技術”研發的慶應義塾大學碩士生小菅對該技術作介紹。
小菅敦丈 慶應義塾大學研究生院理工學研究科黑田研究室碩士研究生
我們開發了利用電極間近場電磁場的高速非接觸通信技術。該技術可用來使SSD及顯示器等與主板間的連接器變為非接觸式，或微處理器與DRAM模塊實現無線連接。
作為近距離非接觸通信技術，常見的方案是利用線圈磁場耦合的技術，主要應用領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高速通信。利用磁場耦合的芯片間非接觸通信在數十μm的通信距離上，每通道的數據傳輸速度已經有過30Gbit/秒的先例。
不過，利用磁場耦合的非接觸通信技術，當通信距離達到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，以前報告的最大數據傳輸速度為每通道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，我們開發出了利用對向布線間產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的帶寬取決於耦合器的線路長度。因此，與使用線圈的磁場耦合方式不同，即使通信距離達到數mm也能高速通信。
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| 圖1：TLC（Ttransmission Line Coupler）的概要 |
由於僅在對向布線間產生電磁場，因此還具有電磁場不會向天線那樣向遠處散播的優點。經確認，在距TLC約5mm處的電磁波強度，最大僅-56dBm。
TLC的收發器構成和誤碼率（BER：bit error rate）等基本特性，與原來的有線通信技術基本相同（圖2）。並且，不必像通常的無線通信技術那樣利用天線傳播電波。因此，與普通的無線通信技術相比，BER僅9位數左右，1bit的耗電量僅2位數左右。
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| 圖2：TLC收發器的構成和仿真波形 |
TLC與磁場耦合型非接觸通信技術一樣，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，使用接收端設置的遲滯鎖存電路，將接收的微分波形復原為NRZ（non-return-to-zero）信號。
以12.5Gbit/秒的速度與DRAM通信
為了利用TLC技術進行1mm距離的非接觸通信，我們採用90nm工藝CMOS工藝試制了收發IC（圖3）。在一般被稱為“無誤碼”的BER低於10-12的狀態下，實現了12Gbit/秒的數據傳輸速度。我們在“ISSCC 2011”上發布了這一成果。
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| 圖3：以1mm距離實現12Gbit/秒的傳輸速度 |
TLC的特點還包括可實現阻抗匹配。能抑制反射，提高信號品質，因此適用於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，各節點會產生波形干擾。而TLC不會產生波形干擾，與多個節點通信時也容易實現高速化。
我們用TLC試制了微處理器與多個DRAM模塊無線通信系統。連接5個DRAM模塊時，最大通信速度達到了12.5Gbit/秒，數據傳輸速度是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點。
在試制中，我們把構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）。這種厚度可適用於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 |
採用電磁耦合的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。
於是，我們調查了把耦合器圖案兩端用作不同的端口時，傳遞至另一側端口的信號強度（圖5）。與在對向端口間傳遞的信號相比，確認了傳遞至另一側端口的信號強度小至-20dB。由於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據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據和時鐘驗証了其特性。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
我們還用試制的TLC確認了對距離變動和電磁噪聲的耐性，以及可靠性。
首先，將設想通信距離為數百μm的耦合器，從稍遠處逐漸靠近。確認了耦合器間的距離達到約1mm以下時開始通信的情況，發現隻能在可發生電磁耦合的距離上收發數據。
另外我們還確認，通信時即使耦合器間的距離有100μm左右的振動，也不會出現通信錯誤。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，即使發生一定程度振動，也能確保通信可靠性。
為確認對電磁噪聲的耐性，我們還實施了把處於通話狀態的手機放到耦合器上的實驗。即使有在1.97GHz達到峰值的電磁噪聲的照射，TLC通信也沒有產生誤碼。由此確認該方法具備較高的電磁噪聲耐性。
TLC通信產生誤碼一般是在耦合器旁邊有導體存在時產生的。因為導體會吸收電磁場。而經實驗確認，附近有導體時，在導體與耦合器之間夾一張0.1mm厚的紙就能消除導體的影響。
我們今后的研發目標是，推進TLC作為非接觸連接器技術的實用化。同時，利用TLC對振動和噪聲的高耐性，將其應用於車載領域。（日經技術在線！供稿）
