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JP2005150644A - High frequency wiring structure, high frequency wiring structure forming method, and high frequency signal waveform shaping method - Google Patents

High frequency wiring structure, high frequency wiring structure forming method, and high frequency signal waveform shaping method Download PDF

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JP2005150644A
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Abstract

【課題】 VLSI等を実装する高周波用実装基板用の新たな配線構造を提供する。
【解決手段】 高周波信号が伝送される伝送線を構成する配線パターンを形状の相違により特性インピーダンスが異なる複数のセグメントS〜S11により構成する。そして複数のセグメントのそれぞれの特性インピーダンスZ〜Z11を、伝送線を伝播する信号の波形歪を減少させる反射波を隣接する二つのセグメントどうしの境界で発生させるように定める。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new wiring structure for a high frequency mounting substrate for mounting a VLSI or the like.
A wiring pattern constituting a transmission line through which a high-frequency signal is transmitted is composed of a plurality of segments S 0 to S 11 having different characteristic impedances due to differences in shape. And determine the respective characteristic impedance Z 0 to Z 11 of a plurality of segments, to generate in two segments each other boundaries of the adjacent reflected waves to reduce the waveform distortion of the signal propagating through the transmission line.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、高周波用配線構造、該高周波配線構造を用いた高周波用実装基板、集積回路及び高周波用実装基板、高周波用配線構造の形成方法並びに高周波信号の波形整形方法に関するものである。   The present invention relates to a high-frequency wiring structure, a high-frequency mounting substrate using the high-frequency wiring structure, an integrated circuit and a high-frequency mounting substrate, a method for forming a high-frequency wiring structure, and a waveform shaping method for a high-frequency signal.

VLSI(超大規模集積回路)の内部信号の高速化に伴い、VLSIを実装するプリント基板やセラミック基板(高周波用実装基板)上の信号も高速化(高周波化)する必要がある。最近では、高周波用実装回路基板の伝送線上を伝播する信号の周波数がMHzからGHzへと増加しようとしている。このような高速化により、基板上の高周波信号(200MHz以上の周波数)の電気長(波長)は基板上の配線の平均的な長さに比べて短くなっており、従って、基板上の配線は伝送線と見なして設計する必要がある。この点に関しては非特許文献1及び2に記載されている。実際に伝送線として見ると、伝送線となる配線上には様々な特性インピーダンスの不整合箇所が存在するために伝送線上では反射ノイズが発生する。そして、これが原因で配線を伝搬する信号に波形歪みが発生する。波形歪みは信号の品質を著しく劣化させることになり、特に、最も重要な信号であるクロック信号にこれらの歪みが発生した場合、VLSI(超大規模集積回路)の誤動作に直結することが多い。従って、クロック信号については特に歪みの少ない理想に近い信号品質を保つ必要がある。また高周波化が進むと、クロック信号だけでなく、データバスやアドレスバス上を伝送する信号でも波形歪は誤動作の原因となる。   As the internal signal speed of VLSI (very large scale integrated circuit) increases, the signal on the printed circuit board or ceramic substrate (high frequency mounting board) on which the VLSI is mounted needs to be increased in speed (high frequency). Recently, the frequency of a signal propagating on a transmission line of a high-frequency mounting circuit board is increasing from MHz to GHz. Due to such high speed, the electrical length (wavelength) of the high-frequency signal (frequency of 200 MHz or more) on the substrate is shorter than the average length of the wiring on the substrate. It must be designed as a transmission line. This point is described in Non-Patent Documents 1 and 2. When actually viewed as a transmission line, reflection noise occurs on the transmission line because there are mismatched portions of various characteristic impedances on the transmission line. As a result, waveform distortion occurs in the signal propagating through the wiring. Waveform distortion significantly degrades the signal quality. In particular, when these distortions occur in the clock signal, which is the most important signal, it often directly leads to a malfunction of a VLSI (very large scale integrated circuit). Therefore, it is necessary to keep the ideal signal quality with little distortion especially for the clock signal. As the frequency increases, waveform distortion becomes a cause of malfunction not only in clock signals but also in signals transmitted on the data bus and address bus.

インピーダンス不整合によって生ずる波形歪みの問題を図21に示す。VLSIから送出された信号(ディジタル信号)は、特性インピーダンスZの配線を伝わり、終端抵抗で終端される。ここで、配線にVLSIやモジュールなどの部品が接続された場合、これらの部品は等価的に容量性負荷Cと見なすことができる。これらの負荷は一様な特性インピーダンスZの配線上においてインピーダンス不整合点となり、この点で反射ノイズが発生する。反射ノイズは配線上を反射しながら伝搬し、これがディジタル信号に重畳されて大きな波形歪みを引き起こす。 The problem of waveform distortion caused by impedance mismatch is shown in FIG. Sent from VLSI signal (digital signal) is transmitted to the wiring of the characteristic impedance Z 0, it is terminated by the terminating resistor. Here, if the components such as VLSI or module wiring is connected, these components can be regarded as equivalent to the capacitive load C L. These loads become impedance mismatch points on the wiring having a uniform characteristic impedance Z 0 , and reflection noise is generated at this point. The reflected noise propagates while reflecting on the wiring, and this is superimposed on the digital signal to cause a large waveform distortion.

従来より基板上配線のインピーダンス整合には、インピーダンス不整合点の近傍でインピーダンスを調整する「負荷トレース手法」(非特許文献3)や「Stub Series Terminated Logic法」(非特許文献4)が用いられてきた。   Conventionally, for impedance matching of wiring on a substrate, a “load trace method” (Non-Patent Document 3) or a “Stub Series Terminated Logic Method” (Non-Patent Document 4) that adjusts impedance in the vicinity of an impedance mismatch point is used. I came.

また従来技術として、反射波を打ち消す信号を発生する集積回路を伝送線に付加するという技術も提案されている(非特許文献5)。
碓井有三著の“ギガヘルツ時代の高速伝送線路設計”、信学技報 FTS2001−34, Vol.101, No.475, pp.21−28, 2001年発行 遠矢弘和著の“高速/微細プロセスに適する、信号を電磁波とみなした配線設計法”、信学論(C),Vol. J85−C No.3, PP.117−124,2002年発行 上野典彦及び中村祥恵著の“高速デジタルシステム設計法詳説”、日経BP社,2001年発行 Masao TAGUCHI著の“High−Speed, Small−Amplitude I/O Interface Circuits for Memory Bus Applicatio” IEICE Trans. Electronics,Vol. E77−C, No.12, pp.1944−1950,1994年発行 田村泰考,後藤公太郎,斎藤美寿,張 子誠,若山繁俊,小川淳二,加藤好治,田口眞男及び今村 健共著の“チップ間高速信号伝送用イコライズ技術”、信学論(C−II), Vol. J82−C−II No.5, PP.239−246, 1999年及び情報処理 Vol.40, No.8, pp.795−800, 1999年発行
As a conventional technique, a technique has been proposed in which an integrated circuit that generates a signal that cancels a reflected wave is added to a transmission line (Non-Patent Document 5).
Yuzo Sakurai, “High-speed transmission line design in the gigahertz era”, IEICE Technical Report FTS2001-34, Vol. 101, no. 475, pp. 21-28, issued in 2001 Hirokazu Toya, “A Wiring Design Method Suitable for High-Speed / Fine Processes and Considering Signals as Electromagnetic Waves”, Science (C), Vol. J85-C No. 3, PP. 117-124, issued in 2002 "High speed digital system design method" written by Norihiko Ueno and Yoshie Nakamura, published by Nikkei BP, 2001 “High-Speed, Small-Amplitude I / O Interface Circuits for Memory Bus Application” by Masao TAGUCHI, IEICE Trans. Electronics, Vol. E77-C, no. 12, pp. 1944-1950, published in 1994 Tamura Yasunori, Goto Kotaro, Saito Misato, Hariko Makoto, Wakayama Shigetoshi, Ogawa Shinji, Kato Koji, Taguchi Yasuo, and Imamura Kenji, “Equalization Technology for Inter-Chip High-Speed Signal Transmission”, Science Theory (C-II) , Vol. J82-C-II No. 5, PP. 239-246, 1999 and Information Processing Vol. 40, no. 8, pp. 795-800, published in 1999

しかしながら、前述の非特許文献3及び4に記載の手法では、局所的にインピーダンスを整合するため完全に反射を消すことが難しく、不整合点が多い場合には反射波同士が重畳して大きな信号劣化を生ずることがあった。また非特許文献5に記載の技術では、特別な集積回路を用意する必要がある。   However, in the methods described in Non-Patent Documents 3 and 4 described above, since impedance is locally matched, it is difficult to completely eliminate reflection, and when there are many mismatch points, the reflected waves are superimposed on each other to generate a large signal. Deterioration may occur. In the technique described in Non-Patent Document 5, it is necessary to prepare a special integrated circuit.

信号の高速化は今後も不可欠であり、高速化するほど電気長の短い高周波成分が増加することになる。従って、インピーダンス不整合による波形歪みは一層大きくなる。このため、高い信号品質を実現できる新たな信号配線構造とその設計手法(配線構造の形成方法;波形整形方法)が必要とされている。   The speeding up of the signal will be indispensable in the future, and the higher the speed, the higher the frequency components with short electrical length. Therefore, waveform distortion due to impedance mismatching is further increased. Therefore, a new signal wiring structure capable of realizing high signal quality and a design method thereof (wiring structure forming method; waveform shaping method) are required.

本発明の目的は、高周波信号の波形歪を減少させることができる高周波用配線構造、高周波配線構造を用いた高周波用実装基板、集積回路及び高周波用実装基板、高周波用配線構造の形成方法並びに高周波信号の波形整形方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a high-frequency wiring structure capable of reducing waveform distortion of a high-frequency signal, a high-frequency mounting substrate using the high-frequency wiring structure, an integrated circuit, a high-frequency mounting substrate, a method for forming a high-frequency wiring structure, and a high frequency The object is to provide a signal waveform shaping method.

また本発明の他の目的は、VLSI等を実装する高周波用実装基板用の新たな配線構造とその設計手法を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a new wiring structure for a high-frequency mounting board on which a VLSI or the like is mounted and a design method thereof.

本発明は、配線パターンを複数のセグメントに分割することで、従来のような局所的な調整ではなく、大域的にインピーダンスを調整して反射波を打ち消す伝送線構造すなわち高周波配線構造を提案する。本願明細書では、この伝送線をセグメント分割伝送線(STL:Segmental Transmission Line)と呼ぶ。   The present invention proposes a transmission line structure, that is, a high-frequency wiring structure, which divides a wiring pattern into a plurality of segments, thereby adjusting the impedance globally and canceling the reflected wave, instead of local adjustment as in the prior art. In the present specification, this transmission line is referred to as a segment transmission line (STL).

まず本発明は、高周波信号(200MHz以上の周波数の信号)が伝送される伝送線を構成する配線パターンを備えた高周波用配線構造を改良の対象とする。本発明では、配線パターンを形状の相違により特性インピーダンスが異なる複数のセグメントにより構成する。そして複数のセグメントのそれぞれの特性インピーダンスを、伝送線を伝播する信号の波形歪を減少させる反射波を隣接する二つのセグメントどうしの境界で発生させるように定める。本発明の基本的は思想は、反射波が発生しないようにしてきた従来の配線設計の発想を逆転し、伝送線の隣接する二つのセグメントどうしの境界で積極的に反射を発生させ、反射波を重ね合わせることによって信号の波形歪みを減少させることにある。言換えると、本発明の技術的思想は、複数のセグメントのそれぞれの特性インピーダンスを、各セグメントどうしの境界で発生する反射ノイズが重畳し合うことにより伝送線を伝播する信号の波形が整形されるように定めることでにある。このようにすると、特別な集積回路等を用意することなく、配線パターンの形状だけで、従来の技術よりも確実に波形歪を減少させることができる。   First, the present invention aims to improve a high-frequency wiring structure including a wiring pattern that constitutes a transmission line through which a high-frequency signal (signal having a frequency of 200 MHz or more) is transmitted. In the present invention, the wiring pattern is constituted by a plurality of segments having different characteristic impedances due to differences in shape. The characteristic impedance of each of the plurality of segments is determined so that a reflected wave that reduces the waveform distortion of the signal propagating through the transmission line is generated at the boundary between two adjacent segments. The basic idea of the present invention is to reverse the idea of the conventional wiring design that has prevented the generation of reflected waves, and to actively generate reflection at the boundary between two adjacent segments of the transmission line. Is to reduce the waveform distortion of the signal. In other words, the technical idea of the present invention is that the waveform of the signal propagating through the transmission line is shaped by overlapping the characteristic impedance of each of the plurality of segments with the reflection noise generated at the boundary between the segments. It is to be determined as follows. In this way, it is possible to reduce the waveform distortion more reliably than the prior art by using only the shape of the wiring pattern without preparing a special integrated circuit or the like.

本発明の高周波配線構造は、絶縁基板上に備えた高周波用実装基板に適用できるのは勿論であるが、本発明の高周波配線構造をマイクロプロセッサ等の集積回路の内部の配線パターンに採用してもよいのは勿論である。信号の周波数が更に高くなれば、集積回路中の配線パターンでも反射の問題は当然にして発生することになるが、集積回路の中でも本発明は有効に効果を発揮する。   The high-frequency wiring structure of the present invention can be applied to a high-frequency mounting substrate provided on an insulating substrate, but the high-frequency wiring structure of the present invention is adopted for a wiring pattern inside an integrated circuit such as a microprocessor. Of course, it is good. If the frequency of the signal is further increased, the problem of reflection naturally occurs even in the wiring pattern in the integrated circuit, but the present invention is effective even in the integrated circuit.

本発明を絶縁性基板の表面上に200MHz以上の高周波信号が伝送される伝送線を構成する配線パターンを備え且つ配線パターンに電気的に接続される集積回路が実装される高周波用実装基板に適用する場合には、配線パターンを形状の相違により特性インピーダンスが異なる複数のセグメントにより構成し、複数のセグメントのそれぞれの特性インピーダンスを、各セグメントで発生する反射ノイズが重畳し合うことにより伝送線を伝播する信号の波形が整形されるように定められばよい。   The present invention is applied to a high frequency mounting substrate having a wiring pattern constituting a transmission line for transmitting a high frequency signal of 200 MHz or more on the surface of an insulating substrate and on which an integrated circuit electrically connected to the wiring pattern is mounted. In this case, the wiring pattern is composed of a plurality of segments with different characteristic impedances due to differences in shape, and the transmission lines are propagated by overlapping the characteristic impedance of each of the segments with the reflection noise generated in each segment. It may be determined that the waveform of the signal to be shaped is shaped.

ここでセグメントの特性インピーダンスは、セグメントの幅寸法、長さ寸法及び厚み寸法の少なくとも一つを変えることにより所定の値に設定することができる。特に、セグメントの特性インピーダンスを、セグメントの長さ寸法を一定として、その幅寸法を変えることにより設定すると、比較的特性インピーダンスの設定が容易である。   Here, the characteristic impedance of the segment can be set to a predetermined value by changing at least one of the width dimension, the length dimension, and the thickness dimension of the segment. In particular, when the characteristic impedance of the segment is set by changing the width dimension while keeping the length dimension of the segment constant, it is relatively easy to set the characteristic impedance.

本発明の方法は、高周波信号が伝送される伝送線を構成する配線パターンを備えた高周波用配線構造を、形状の相違により特性インピーダンスが異なる複数のセグメントにより形成する方法である。本発明の方法では、遺伝的アルゴリズム等の最適化アルゴリズムを用いて、伝送線を伝播する信号の波形歪を減少させる反射波を隣接する二つのセグメントどうしの境界で発生させるように(複数のセグメントのそれぞれの特性インピーダンスを、各セグメントで発生する反射ノイズが重畳し合うことにより伝送線を伝播する信号の波形が整形されるように)、複数のセグメントのそれぞれの特性インピーダンスを設計する。本発明で適用可能な最適化アルゴリズムとしては、遺伝的アルゴリズムの他に他の公知の適宜の最適化アルゴリズムを使用することができる。   The method of the present invention is a method of forming a high-frequency wiring structure having a wiring pattern that constitutes a transmission line through which a high-frequency signal is transmitted, by a plurality of segments having different characteristic impedances due to different shapes. In the method of the present invention, an optimization algorithm such as a genetic algorithm is used to generate a reflected wave that reduces the waveform distortion of a signal propagating through a transmission line at the boundary between two adjacent segments (a plurality of segments). The characteristic impedance of each of the plurality of segments is designed so that the waveform of the signal propagating through the transmission line is shaped by overlapping the reflection noise generated in each segment. As an optimization algorithm applicable in the present invention, other known appropriate optimization algorithms can be used in addition to the genetic algorithm.

ここで最適化アルゴリズムの一つである遺伝的アルゴリズムや遺伝的プログラミング(Genetic Programing)等の進化計算については下記の文献(1)及び(2)に記載されている。そして下記の文献(1)及び(2)に記載の技術をハードウェアの設計に用いる試みは、近年、「進化ハードウェア」の枠組の中で盛んに報告がなされるようになってきた[下記の文献(3)(4)(5)参照]。その中で、回路設計にGA、GPを適用した報告もいくつかなされている[下記の文献(6)(7)(8)参照]。しかし、これらは、トランジスタやキャパシタンス等の回路部品の値を回路のゲインを最適化するように決定するといった試みであり、伝送線の設計にかかわるものではない。また、Cheldavi等は、伝送線のSパラメータの決定に遺伝的アルゴリズムを用いているが、これは、構造が既にわかっている伝送線のSパラメータの推定に関する研究である[下記の文献(9)参照]。従って、従来公知の遺伝的アルゴリズムを用いる手法は、発明で提案するセグメントに分割された伝送線とは対象構造が異なり、かつ、その目的や手法も異なるものである。   Here, evolution calculations such as genetic algorithm and genetic programming, which are one of optimization algorithms, are described in the following documents (1) and (2). In recent years, attempts to use the techniques described in the following references (1) and (2) for hardware design have been actively reported within the framework of “evolutionary hardware” [below References (3), (4) and (5)]. Among them, there are some reports that apply GA and GP to circuit design [refer to the following documents (6), (7), (8)]. However, these are attempts to determine the values of circuit components such as transistors and capacitances so as to optimize the gain of the circuit, and are not related to the design of the transmission line. Also, Cheldavi et al. Use a genetic algorithm to determine the S parameter of the transmission line, which is a study on estimation of the S parameter of the transmission line whose structure is already known [Document (9) below] reference]. Therefore, the method using a conventionally known genetic algorithm is different in target structure from the transmission line divided into segments proposed in the invention, and its purpose and method are also different.

文献(1):D.E.Goldberg著の“Genetic Algorithms in Search Optimization” Machine Learning, Addison−Wesley, 1989年発行
文献(2):John R. Koza著の“Genetic Programming”On the Programming of Computers by means of Natural Selection, MIT Press,1992発行
文献(3):樋口哲也著の“進化型ハードウェア”情報処理,Vol.40,No.8,pp.795−800,1999発行
文献(4):辺見 均,五味隆志著の“進化するハードウェア”電子情報通信学会論文誌,Vol.J84−C,No.7,pp.543−551,2001発行
文献(5):Moshe Sipper及びDaniel Mange,Eds著の“Special Issue on from Biology to Hardware and Bac”IEEE Trans. Evolutionary Computation,Vol.3,No.3,pp.165−250.
文献(6):Forrest H.Bennett III,及びJohn R.Koza,Jessen Yu及びWilliam Mydlowec著の“Automatic Synthesis, Placement,and Routing of an Amplifier Circuit by Means of Genetic Programming”Proc.Int’l Conf.Evolvable Systems 2000 (ICES2000),pp.1−10,Edinburgh,2000発行
文献(7):Giovani Gomez Estrada著の“A Note on Designing Logical Circuits Using SAT”Proc. Int’l Conf. Evolvable Systems 2003(ICES2003),pp.410−421,Trondheim,2003年発行
文献(8):Thomas Beielstein,Jan Dienstuhl,Christian Feist及びMarc Pompl著の“Circuit Design Using Evolutionary Algorithms”Proc. Congress on Evolutionary Computation 2003 (CEC2003), CD−ROM,Honolulu,2003年発行
文献(9):Ahmad CHELDAVI及びGholamali REZAI−RAD著の“Modeling of Nonuniform Coppled Transmission Lines Interconnect Using Genetic Algorithm” IEICE Trans. Fundamentals,
Vol. E83−A, No.10, pp.2023−2034, 2000年発行
本発明は、高周波信号が伝送される伝送線を構成する配線パターンを備えた高周波用配線構造を変えることにより高周波信号を波形整形する方法としても特定することができる。この場合でも、配線パターンを形状の相違により特性インピーダンスが異なる複数のセグメントにより構成し、複数のセグメントのそれぞれの特性インピーダンスを、各セグメントで発生する反射ノイズを重畳して伝送線を伝播する前記高周波信号の波形を整形するように定める。そして前述の遺伝的アルゴリズムを用いて、複数のセグメントの形状を設計すればよい。
Reference (1): D. E. “Genetic Algorithms in Search Optimization” by Goldberg, Machining Learning, Addison-Wesley, 1989 (2): John R. “Genetic Programming” written by Koza on the Programming of Computers of Means of Natural Selection, MIT Press, 1992 (3): “Evolutionary hardware” information processing by Tetsuya Higuchi, Vol. 40, no. 8, pp. 795-800, 1999 publication (4): Hitomi Henmi and Takashi Gomi “Evolving hardware” IEICE Transactions, Vol. J84-C, No. 7, pp. 543-551, 2001 publication (5): “Special Issue on from Biology to Hardware and Bac” by Moshe Shipper and Daniel Mange, Eds, IEEE Trans. Evolutionary Computation, Vol. 3, No. 3, pp. 165-250.
Reference (6): Forrest H. et al. Bennett III, and John R. “Automatic Synthesis, Placement, and Routing of an Affiliate Circuit by Genetic Programming,” by Koza, Jessen Yu and William Mydlowec. Proc. Int'l Conf. Evolable Systems 2000 (ICES2000), pp. 1-10, Edinburgh, 2000 published (7): “A Note on Designing Logical Circuits Using SAT” by Giovanni Gomez Estrada, Proc. Int'l Conf. Evolable Systems 2003 (ICES 2003), pp. 410-421, Trondheim, 2003. Publication (8): “Circuit Design Using Evolution Algorithm” by Thomas Beelstein, Jan Dienstühl, Christian Feist and Marc Pompl. Congress on Evolutionary Computation 2003 (CEC 2003), CD-ROM, Honolul, 2003 Publications (9): “Modeling of Nonuniform Compiled Company of Ahmad CHELDVI and Gholamari REZAI-Rand. Fundamentals,
Vol. E83-A, no. 10, pp. 2023-2034, issued in 2000 The present invention can also be specified as a method of shaping a high-frequency signal by changing a high-frequency wiring structure including a wiring pattern that constitutes a transmission line through which a high-frequency signal is transmitted. Even in this case, the wiring pattern is composed of a plurality of segments having different characteristic impedances due to differences in shape, and the characteristic impedance of each of the plurality of segments is propagated through the transmission line by superimposing reflection noise generated in each segment. Determine to shape the waveform of the signal. Then, the shape of a plurality of segments may be designed using the genetic algorithm described above.

本発明によれば、特別な集積回路等を用意することなく、配線パターンの形状だけで、従来の技術よりも確実に波形歪を減少させることができる利点が得られる。   According to the present invention, it is possible to obtain an advantage that waveform distortion can be reduced more reliably than in the prior art by using only the shape of a wiring pattern without preparing a special integrated circuit or the like.

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1に示すように、本発明の実施の形態では、例えば、絶縁性基板の表面上に200MHz以上の高周波信号が伝送される伝送線を構成する配線パターンを備え且つ配線パターンに電気的に接続される集積回路が実装される高周波用実装基板上の配線パターンを複数個のセグメントS〜S11に分割する。そして各セグメントS〜S11毎に独立した特性インピーダンスZ(Z〜Z11)を与える。これにより、隣接する二つのセグメントどうしの境界(SとSの境界、SとSの境界等)で特性インピーダンスの不整合点が発生し、反射波が発生する。本実施の形態では、各境界で発生するこれらの反射波が、容量性負荷Cによって発生した反射波も含めて重畳し合い、互いに打ち消しあうように個々のセグメントS〜S11の特性インピーダンスZ(Z〜Z11)を調整する。すなわち、本実施の形態では、反射波が発生しないようにしてきた従来の配線設計の発想を逆転し、積極的に各セグメントの境界で反射を発生させることでこれらの重ね合わせによって波形歪みを減少させる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, in the embodiment of the present invention, for example, a wiring pattern constituting a transmission line for transmitting a high frequency signal of 200 MHz or more is provided on the surface of an insulating substrate and electrically connected to the wiring pattern. The wiring pattern on the high-frequency mounting substrate on which the integrated circuit is mounted is divided into a plurality of segments S 0 to S 11 . An independent characteristic impedance Z i (Z 0 to Z 11 ) is given to each segment S 0 to S 11 . As a result, a mismatch point of characteristic impedance is generated at the boundary between two adjacent segments (the boundary between S 0 and S 1 , the boundary between S 1 and S 2 , etc.), and a reflected wave is generated. In this embodiment, the characteristic impedance of the reflected wave generated at each boundary, the capacitive load C L reflected wave generated by also mutually superposed, including individual as cancel one another segment S 0 to S 11 Adjust Z i (Z 0 to Z 11 ). In other words, in this embodiment, the concept of conventional wiring design, which has been designed to prevent the generation of reflected waves, is reversed, and the waveform distortion is reduced by superimposing these at the boundaries of each segment. Let

ここで、セグメントの数をm、各セグメントのとり得る特性インピーダンスの値をn通りとすると、全体で可能な組合せはn通りとなる。例えば、m=10、n=100(100Ωの範囲で1Ωきざみ)とすると、10010通りとなり、全検探索は不可能となる。そこで実施の形態では、各セグメントの特性インピーダンスの決定に遺伝的アルゴリズムを適用する。図2に示すように、セグメント分割された伝送線の各特性インピーダンスZ〜Z11をそのまま個体の染色体(Chromosome)上の遺伝子にマッピングすることが可能であり、基本的にこのまま遺伝的アルゴリズムの遺伝操作を適用することが可能である。なお、後述するように、具体的には、各セグメントS〜S11の特性インピーダンスZ(Z〜Z11)の他に伝送線の終端抵抗Rやダンピング抵抗Rも設計パラメータとなり、これらも含めて遺伝子にマッピングする。 Here, if the number of segments m, the value of possible characteristic impedance of each segment and n as capable throughout combination becomes as n m. For example, when the (1 [Omega increments in the range of 100Ω) m = 10, n = 100, becomes ways 100 10, all test search becomes impossible. Therefore, in the embodiment, a genetic algorithm is applied to determine the characteristic impedance of each segment. As shown in FIG. 2, each characteristic impedance Z 0 to Z 11 of the segmented transmission line can be directly mapped to a gene on an individual chromosome (Chromosome). Genetic manipulation can be applied. As will be described later, specifically, in addition to the characteristic impedance Z i (Z 0 to Z 11 ) of each segment S 0 to S 11 , the transmission line termination resistance RT and damping resistance R O are also design parameters. Include these and map to genes.

各セグメントS〜S11の特性インピーダンスZ(Z〜Z11)を決定した後、Zを実現するように各セグメントの形状を設計する。具体的には、特性インピーダンスZは配線の幅W、厚さT、絶縁体の厚さD、及び基板の絶縁体の比誘電率εの関数である(Z=f(W,T,D,ε))。実際には、厚さT及び絶縁体の厚さDは基板上の全ての配線パターンで一定(すなわち、TとD)であることが一般的である。そこで、セグメントS〜S11毎に幅寸法Wを変えて特性インピーダンスZを実現する。図3に高周波実装用回路基板としてのプリント基板上のマイクロストリップラインを対象としたセグメント分割伝送線の例を示す。図3において、上段には配線パターンの平面図を示してあり、下段には各部の横断面図を個別に示してある。図3の例では、各セグメントの長さLが等しい。しかし本発明を適用する場合には、セグメントの長さLも可変として、セグメント毎に長さを異ならせてもよい。この場合、各セグメントの長さLによって反射波の伝搬長が異なることになるため、セグメントの長さLも特性インピーダンスZと同様のパラメータとして遺伝的アルゴリズムにより決定する必要がある。 After determining the characteristic impedance Z i (Z 0 to Z 11 ) of each segment S 0 to S 11 , the shape of each segment is designed so as to realize Z i . Specifically, the characteristic impedance Z i is a function of the wiring width W i , the thickness T i , the insulator thickness D i , and the relative dielectric constant ε r of the substrate insulator (Z i = f ( W i , T i , D i , ε r )). In practice, the thickness T i and the insulator thickness D i are generally constant (ie, T and D) for all wiring patterns on the substrate. Therefore, the characteristic impedance Z i is realized by changing the width dimension W i for each of the segments S 0 to S 11 . FIG. 3 shows an example of a segmented transmission line intended for a microstrip line on a printed circuit board as a high frequency mounting circuit board. In FIG. 3, a plan view of the wiring pattern is shown in the upper stage, and a cross-sectional view of each part is shown individually in the lower stage. In the example of FIG. 3, the length L of each segment is equal. However, when the present invention is applied, the length L of the segment may be variable and the length may be different for each segment. In this case, since the propagation length of the reflected wave varies depending on the length L i of each segment, it is necessary to determine the segment length L i as a parameter similar to the characteristic impedance Z i by a genetic algorithm.

次に、セグメント分割伝送線設計支援システムについて説明する。本発明の方法を実現するために、セグメント分割伝送線の設計支援システムを作成した。図4は、このシステムの構成を示す。本願明細書においては、作成した設計統括用のプログラムをSTLデザイナー(STL Designer)呼び、このプログラムと既存の電子回路シミュレータ(SPICE)とからこのシステムは構成される。ここでSTLデザイナーは、セグメント分割伝送線(STL)設計全体のフロー制御、遺伝的アルゴリズムによる最適化計算、電子回路シミュレータ(SPICE)の起動、そしてOS[現在はUnix(登録商標)を使用]のシェルとのインタフェースを実行する。電子回路シミュレータ(SPICE)は1960年台後半から開発に着手されて以来、広く世界中で使用されている電子回路シミュレータであり、「http://bwrc.eecs.berkeley.edu/Classes/IcBook/SPICE/」及び「Resve Saleh,井上隆秀及び井戸幸彦共著の“回路シミュレータの現状と展望−−シミュレータへの期待と海外研究動向
を踏まえた実現上の課題”信学論(A),Vol.J74−A No.8,PP.1188−1196,1991発行」に詳しく説明されている。また電子回路シミュレータ(SPICE)を用いた伝送線に関する実験結果もこれまで多く報告されており、その信頼性の高さは広く認められている。例えば、「廣瀬 啓及び安浦寛人著の“クロストークを考慮したバス遅延削減手法”信学論(A),Vol.J83−A No.8,PP.989−998,2000発行」、「遠藤哲郎,船木寿彦、中村広記、桜庭 弘及び舛岡富士男著の“新しい基板コンタクト型パストランジスタ”信学論(C),Vol.J84−C No.3,PP.192−198,2001発行」及び「関根敏和,小林邦勝及び横川泉二著の“損失のある不均一線路のFDTD法を用いた時間領域解析”信学論(A),Vol.J84−A No.8,PP.1018−1026,2001発行」に報告がある。
Next, a segmented transmission line design support system will be described. In order to realize the method of the present invention, a design support system for a segmented transmission line was created. FIG. 4 shows the configuration of this system. In the present specification, the created design management program is called an STL designer, and this system is composed of this program and an existing electronic circuit simulator (SPICE). Here, the STL designer is responsible for the flow control of the entire segmented transmission line (STL) design, optimization calculation by genetic algorithm, activation of the electronic circuit simulator (SPICE), and OS [currently using Unix (registered trademark)] Run the interface with the shell. The electronic circuit simulator (SPICE) is an electronic circuit simulator which has been widely used all over the world since the start of development in the late 1960s. “Http://bwrc.eecs.berkeley.edu/Classes/IcBook/ "SPICE /" and "Resale Saleh, Takahide Inoue and Yukihiko Ido" Current status and future prospects of circuit simulators--Implementation issues based on expectations of simulators and overseas research trends "Science theory (A), Vol. -A No. 8, PP. 1188-1196, 1991 ”is described in detail. In addition, many experimental results on transmission lines using an electronic circuit simulator (SPICE) have been reported so far, and their high reliability is widely recognized. For example, “Hiroshi Hirose and Hiroto Yasuura's“ Bus Delay Reduction Method Considering Crosstalk ”, Theory of Science (A), Vol. J83-A No. 8, PP. 989-998, 2000”, “Tetsuro Endo” , Toshihiko Funaki, Hiroki Nakamura, Hiroshi Sakuraba and Fujio Tsujioka, “New Substrate Contact Type Pass Transistor”, Science Review (C), Vol. J84-C No. 3, PP. 192-198, 2001 ”and“ Sekine Toshikazu, Kunibayashi Kobayashi and Izumi Yokokawa, “Time-domain analysis of lossy heterogeneous lines using the FDTD method”, Science (A), Vol. J84-A No. 8, PP. There is a report in “Issuance of 2001”.

STLデザイナーは、スクリプト言語「perl」で書かれたスクリプトであり、電子回路シミュレータSPICEとSTLデザイナーは以下の連係動作を行なう。   The STL designer is a script written in the script language “perl”, and the electronic circuit simulator SPICE and the STL designer perform the following linking operations.

1.STLデザイナーは回路モデルのパラメータ(セグメント分割伝送線の各セグメントの特性インピーダンスと終端抵抗値等)に対してGA計算(遺伝操作)を行なう。電子回路シミュレータ(SPICE)は、このGA計算(遺伝操作)の中の適応度評価の際に用いられる。具体的には、GA計算の適応度評価(fitness evaluation)の中で、入出回路を含めたセグメント分割伝送線の回路記述をファイル(circuit description file)として出力する。   1. The STL designer performs GA calculation (genetic operation) on circuit model parameters (characteristic impedance and termination resistance value of each segment of the segmented transmission line). The electronic circuit simulator (SPICE) is used for fitness evaluation in the GA calculation (genetic operation). Specifically, in a GA evaluation (fitness evaluation), a circuit description of a segmented transmission line including an input / output circuit is output as a file (circuit description file).

2.STLデザイナーは回路記述ファイルを出力後、電子回路シミュレータ(SPICE)に起動をかける。   2. After outputting the circuit description file, the STL designer activates the electronic circuit simulator (SPICE).

3.電子回路シミュレータ(SPICE)は回路記述ファイルを読み込み、これを解析した後に解析結果を信号波形結果ファイル(signal wave form file)として出力する。   3. The electronic circuit simulator (SPICE) reads a circuit description file, analyzes the circuit description file, and outputs the analysis result as a signal waveform result file (signal wave form file).

4.STLデザイナーは信号波形結果ファイルを読み込み、これより適応度(fitness)を計算しGA計算(遺伝操作)を続けて実行する。   4). The STL designer reads the signal waveform result file, calculates the fitness (fitness) based on the signal waveform result file, and continuously executes the GA calculation (genetic operation).

次に遺伝操作について説明する。図3に示すように、セグメントに分割された伝送線の各特性インピーダンス(Z〜Z11)は、そのまま個体の遺伝子にマッピングすることが可能である。このマッピングにより、交差、突然変異、選択操作をそのまま致死遺伝子を発生させることなく適用することができる。 Next, genetic manipulation will be described. As shown in FIG. 3, each characteristic impedance (Z 0 to Z 11 ) of the transmission line divided into segments can be directly mapped to an individual gene. By this mapping, crossover, mutation, and selection operations can be applied as they are without generating lethal genes.

適応度評価のための適応度関数は、「理想的な伝送波形にどれだけ近いか」によって定義することができる。すなわち、I(t)をインピーダンス整合が完全にとれた理想的な伝搬波形(Ideal Wave Form)、R(t)を本発明の方法で整形対象とする伝搬波形(Wave Form Under Adjusting)とし、Tを周期としたとき、

Figure 2005150644
Figure 2005150644
The fitness function for fitness evaluation can be defined by “how close to an ideal transmission waveform”. That is, let I (t) be an ideal propagation waveform with ideal impedance matching (ideal wave form), R (t) be a propagation waveform (wave form under adjusting) to be shaped by the method of the present invention, and T Is the period,
Figure 2005150644
Figure 2005150644

として定義することができる。 Can be defined as

図5は、理想的な伝送波形(Ideal Wave Form)と整形対象である伝送波形(Wave Form Under Adjusting)の関係を示している。ここで、Diffは、図5の斜線部が示すI(t)とR(t)の差分の絶対値に等しい。   FIG. 5 shows a relationship between an ideal transmission waveform (ideal wave form) and a transmission waveform (wave form under adjusting) to be shaped. Here, Diff is equal to the absolute value of the difference between I (t) and R (t) indicated by the hatched portion in FIG.

次に、実際のプリント基板の配線を対象として、セグメント分割伝送線の評価を行った。対象とした具体的な配線系は、パーソナルコンピュータなどで用いられているDIMM(Dual In−line Memory Module)のクロック供給配線である。図6に設計対象とした配線系を示す。図6において、DIMMはプリント基板上に実装し、メイン・メモリを構成するメモリモジュールであり、これがCPUに対していかに広い帯域のメモリバンド幅を供給できるかがシステム性能を大きく左右する。メモリバンド幅は転送速度とデータ幅の積で決まるため、DIMMを高速動作させるためには、高速で高品質なクロック信号を供給する必要がある。そして基板上で高速かつ高品質な信号を伝搬させるためには、反射の少ない理想的な伝送構造を実現する必要がある。DIMMのクロック供給配線系では、DIMM自体が伝送構造に対するインピーダンス不整合点となり、波形歪みを引き起こす。現在のパーソナルコンピュータではこのような理想的なクロック信号を供給することが難しく、CPUのクロック周波数が数GHzに達する性能向上を示している半面で、基板上のクロック信号速度は、数百MHz程度に留まっている。   Next, the segmented transmission lines were evaluated for actual printed circuit board wiring. A specific wiring system used is a clock supply wiring of DIMM (Dual In-line Memory Module) used in personal computers and the like. FIG. 6 shows a wiring system as a design object. In FIG. 6, a DIMM is a memory module that is mounted on a printed circuit board and constitutes a main memory. How wide a memory bandwidth can be supplied to the CPU greatly affects the system performance. Since the memory bandwidth is determined by the product of the transfer speed and the data width, it is necessary to supply a high-speed and high-quality clock signal in order to operate the DIMM at high speed. In order to propagate high-speed and high-quality signals on the substrate, it is necessary to realize an ideal transmission structure with less reflection. In the clock supply wiring system of the DIMM, the DIMM itself becomes an impedance mismatch point with respect to the transmission structure and causes waveform distortion. Although it is difficult to supply such an ideal clock signal with a current personal computer and the performance of the CPU clock frequency reaches several GHz, the clock signal speed on the board is about several hundred MHz. Stay on.

図6に示すように通常のクロック信号供給系では、クロックドライバ(Clock Driver)から出力されたクロック信号は、ダンピング抵抗Rを通った後、基板上の伝送線(図中のクロックライン(Clock line))を伝搬して、終端抵抗Rで終端される。伝送線の特性インピーダンスZは、通常70Ω程度が用いられる。この評価実験では、実際の配線系の実測値からZ=76Ωとした。 As shown in FIG. 6, in a normal clock signal supply system, a clock signal output from a clock driver passes through a damping resistor RD and then passes through a transmission line on the substrate (clock line (Clock in the figure)). line)) and is terminated with a termination resistor RT . The characteristic impedance Z 0 of the transmission line is usually about 70Ω. In this evaluation experiment, Z 0 = 76Ω was determined from the actual measured value of the wiring system.

この伝送線にDIMMのクロック信号ピン(図中のClock In)を接続し、クロック信号はここからDIMMに供給される。通常のDIMMでは、DIMMの片面に対して2つのクロック信号ピンがあり、図6もこれに対応している。なお、本評価対象では、伝送線の長さを10cmとしている。この長さは、典型的なクロック信号配線長(数cmから20cm程度)の範囲である。   A clock signal pin (Clock In in the figure) of the DIMM is connected to this transmission line, and the clock signal is supplied from here to the DIMM. In a normal DIMM, there are two clock signal pins on one side of the DIMM, and FIG. 6 corresponds to this. In this evaluation object, the length of the transmission line is 10 cm. This length is a range of a typical clock signal wiring length (several centimeters to about 20 centimeters).

図6に対する回路図を図7に示す。伝送線は複数のセグメントに分割され、それぞれ異なった特性インピーダンスZをもつ(本図では、ZからZ10の10個のセグメントに分割した例を示している)。DIMMはそのクロック信号ピンの位置で負荷容量Cと等価であり、今回の評価ではその実測値からC=10pFとした。また、クロックドライバは、信号源Vと内部抵抗Ronとして表される。 A circuit diagram for FIG. 6 is shown in FIG. The transmission line is divided into a plurality of segments, each having a different characteristic impedance Z i (in this figure, an example in which the transmission line is divided into 10 segments Z 1 to Z 10 is shown). The DIMM is equivalent to the load capacitance C l at the position of the clock signal pin, and in this evaluation, C l = 10 pF from the actual measurement value. The clock driver is expressed as the signal source V and the internal resistance R on.

設計目標は、クロック信号入力点(観測点)P1、P2において理想的なクロック信号を実現する各セグメントの特性インピーダンスZを求めることであり、前述した「セグメント分割伝送線設計支援システム」を用いる。 The design goal is to obtain the characteristic impedance Z i of each segment that realizes an ideal clock signal at the clock signal input points (observation points) P1 and P2, and the above-described “segment division transmission line design support system” is used. .

以下評価結果について説明する。   The evaluation results will be described below.

[実験1]
伝送するクロック信号の切り替わり時間(立上り/立下がり)を20ps、信号振幅を3.3V、周期を10nsとしたときの実験結果を図8乃至図13に示す。図8は、観察点P1における基本整合配線系における観測波形を示しており、図9は観察点P2における基本整合配線系における観測波形を示している。また図10は、セグメント分割伝送系における観察点P1における観測波形を示しており、図11はセグメント分割伝送系における観察点P2における観測波形を示している。そして図12は負荷トレース系(従来手法)における観測点1における観測波形を示しており、図13は負荷トレース系(従来手法)における観測点2における観測波形を示している。信号の切り替わり部分は高い周波数成分を含むため、この切り替わりが原因で大きな反射ノイズが発生する。この実験では、この信号切り替わりにおけるセグメント分割伝送線の効果を評価するために非常に短い立上り時間(20ps)を設定し、クロックの周波数は100MHzと遅いものとした。なお、切り替わり時間20psは現在のクロック信号の切り替わり時間に比べて短い値であるが、今後、VLIS(超大規模集積回路)内においては10GHz級のクロック信号が要求されることから、プリント基板上においてもGHz級のクロック伝送が望まれ、この要求を実現するためには十分現実的な値である。なお、信号の振幅は3.3[V]とした。
[Experiment 1]
8 to 13 show the experimental results when the switching time (rise / fall) of the clock signal to be transmitted is 20 ps, the signal amplitude is 3.3 V, and the period is 10 ns. FIG. 8 shows an observation waveform in the basic matching wiring system at the observation point P1, and FIG. 9 shows an observation waveform in the basic matching wiring system at the observation point P2. FIG. 10 shows an observation waveform at the observation point P1 in the segment division transmission system, and FIG. 11 shows an observation waveform at the observation point P2 in the segment division transmission system. FIG. 12 shows an observation waveform at observation point 1 in the load trace system (conventional method), and FIG. 13 shows an observation waveform at observation point 2 in the load trace system (conventional method). Since the signal switching portion includes a high frequency component, a large reflection noise occurs due to this switching. In this experiment, a very short rise time (20 ps) was set to evaluate the effect of the segmented transmission line in this signal switching, and the clock frequency was as slow as 100 MHz. Note that the switching time 20 ps is shorter than the current clock signal switching time, but in the future, a 10 GHz class clock signal will be required in a VLIS (very large scale integrated circuit). However, GHz-class clock transmission is desired, and this value is sufficiently realistic to realize this requirement. The amplitude of the signal was 3.3 [V].

図8及び図9は、それぞれ基本整合配線系にDIMMを接続したときに観測点P1,P2で観測された波形である。ここで、基本整合配線系とは無負荷時(DIMMなどの負荷が接続されていないとき)に完全にインピーダンス整合のとれた理想的な伝送系のことである。図8及び図9には、この基本整合配線系のみ(負荷無し)のときに観測点P1,P2において観測された波形(図中のIdeal Wave Form)も同時に示している。基本整合配線系のみの場合には、クロック信号は歪みを生じることなくそのまま理想的な波形で伝搬する。一方、この基本整合配線系にDIMMが接続された場合、DIMMがインピーダンス不整合点となり反射ノイズ(図中の反射ノイズ:Reflection Noise)が発生し理想的波形に大きな歪みが発生している。さらにこの波形歪みが信号の伝送遅延(図中のDelay)を引き起こしている。   8 and 9 are waveforms observed at observation points P1 and P2 when a DIMM is connected to the basic matching wiring system, respectively. Here, the basic matching wiring system is an ideal transmission system in which impedance matching is perfectly achieved when there is no load (when a load such as a DIMM is not connected). 8 and 9 also show the waveforms (ideal wave form in the figure) observed at the observation points P1 and P2 when only the basic matching wiring system (no load) is shown. In the case of only the basic matching wiring system, the clock signal propagates in an ideal waveform as it is without distortion. On the other hand, when a DIMM is connected to this basic matching wiring system, the DIMM becomes an impedance mismatch point, and reflection noise (reflection noise in the figure: reflection noise) is generated, resulting in a large distortion in the ideal waveform. Further, this waveform distortion causes a signal transmission delay (Delay in the figure).

図10及び図11は、図7に示すセグメント分割伝送線による観測点P1,P2での観測波形である。比較のために、図8に示した理想波形(Ideal Wave Form)も示している。わずかな伝送遅延(図中のDelay)とレベルの振動が観測されるが、遅延時間は200ps程度(観測点P2)であり、図8における遅延時間の約1/5である。またレベルの振動も誤動作を生ずるほど大きくはなく、ほぼ理想的な信号伝送を実現している。なお、本セグメント分割伝送線の設計のために用いたGAの個体数は10であり、約300世代進化させた結果を用いた。   10 and 11 show observed waveforms at the observation points P1 and P2 by the segment division transmission line shown in FIG. For comparison, the ideal waveform (ideal wave form) shown in FIG. 8 is also shown. A slight transmission delay (Delay in the figure) and level oscillation are observed, but the delay time is about 200 ps (observation point P2), which is about 1/5 of the delay time in FIG. Further, the level of vibration is not so great as to cause malfunction, and almost ideal signal transmission is realized. Note that the number of GA individuals used for the design of this segmented transmission line is 10, and the result of evolution of about 300 generations was used.

ここで、式(1)、(2)による適応度値で、基本整合配線系(Z=76Ω)にDIMMを接続した時の適応度値をforiginal、セグメント分割伝送線によって得られた適応度値をfSTLとして改善率rimpを両者の比と定義すると

Figure 2005150644
Here, the fitness value obtained when the DIMM is connected to the basic matching wiring system (Z 0 = 76Ω) with the fitness value according to the formulas (1) and (2) is represented as “ original” , and the adaptation obtained by the segmented transmission line If the degree of improvement is f STL and the improvement rate r imp is defined as the ratio of both
Figure 2005150644

となる。この改善率からも、セグメント分割伝送線によって、伝送信号の信号品質が大幅に改善されたことがわかる。 It becomes. This improvement rate also shows that the signal quality of the transmission signal is greatly improved by the segmented transmission line.

図12及び図13は、従来技術である負荷トレース法を用いたときの観測点P1,P2における観測波形である(比較のために図8に示した理想波形(Ideal Wave Form)も示している)。負荷トレース法は、図14に示すように、伝送線(特性インピーダンスZ)に接続された負荷Cに対して、その近傍の配線の特性インピーダンスを局所的に調整し(特性インピーダンスZ’に変更)、CとZ’の合成インピーダンスをZに近づける手法である。具体的に今回の実験では、図15に示す伝送系を用いた。負荷トレースの長さはCの両側でそれぞれ長さ1cmとし、その特性インピーダンスZ’は特性インピーダンスの整合計算よりZ’=526Ωとした(詳細は付録に記載)。ここで、Z’=526Ωのような高インピーダンス配線を実現することは製造プロセス上困難であり、実際には100〜150Ω程度(製造可能な範囲でできるだけ高い値)の配線を用いる。しかしながら今回は、比較のためにこの理論的な整合計算値Z’=526[Ω]を用いた。なお、前述の通り、その他のパラメータZ、R、(Ron+R)76Ωとした。図12及び図13では、図8で示した大きな反射ノイズは無くなっているが、遅延時間(Delay)が増加しており、また信号レベルの大きな振動(Bounce Noise)が観測される。これは、負荷Cの影響を局所的なインピーダンスZ’で消そうとしたため、結果的にZ’の値がとても大きくなり、従って、局所的にインダクタンスが非常に高くなったためと考えられる。このような局所的なインピーダンス整合は、ディジタル信号の切り替わり時間が長い時、すなわち、信号の切り替わりにおける周波数の成分が低い場合は効果がある。しかし、高速な切り替わりでは、負荷トレース部が集中定数ではなく分布定数となるので本結果が示すように効果が少なくなる。 12 and 13 show observed waveforms at the observation points P1 and P2 when using the load trace method that is a conventional technique (for comparison, the ideal waveform (ideal wave form) shown in FIG. 8 is also shown. ). Load tracing method, as shown in FIG. 14, to the connected load C L in the transmission line (characteristic impedance Z 0), the characteristic impedance in the vicinity of the wiring locally adjusted (characteristic impedance Z ' change), is a technique to approximate the combined impedance of C L and Z 'to Z 0. Specifically, in this experiment, the transmission system shown in FIG. 15 was used. The length of the load trace the respective length 1cm either side of the C l, its characteristic impedance Z 'is Z than matching calculation of characteristic impedance' was = 526Ω (details described in the Appendix). Here, it is difficult in the manufacturing process to realize a high impedance wiring such as Z ′ = 526Ω, and actually a wiring having a value of about 100 to 150Ω (as high as possible within a manufacturable range) is used. However, this theoretical calculation value Z ′ = 526 [Ω] was used for comparison this time. As described above, the other parameters Z 0 , R T , (R on + R D ) 76Ω were used. 12 and 13, the large reflection noise shown in FIG. 8 is eliminated, but the delay time (Delay) is increased, and a large vibration (Bounce Noise) of the signal level is observed. This is thought to be because the value of Z ′ became very large as a result of trying to eliminate the influence of the load C 1 with the local impedance Z ′, and therefore the inductance became very high locally. Such local impedance matching is effective when the digital signal switching time is long, that is, when the frequency component in the signal switching is low. However, at high speed switching, the load trace portion becomes a distributed constant instead of a lumped constant, so that the effect is reduced as shown in this result.

本設計で得られたセグメント分割伝送線の結果を表1に示す。表中の配線幅(transmission−line−width)Wは特性インピーダンスZと配線形状の関係式

Figure 2005150644
Table 1 shows the results of the segmented transmission line obtained in this design. Table in wire width (transmission-line-width) W i is the characteristic impedance Z i and the wiring shape of the relation
Figure 2005150644

によって求められる。ここで、D(=140mμ)とT(=35mμ)は、それぞれ、基板の絶縁体の厚さと配線の厚さである(図3参照)。また、ε(=4.2)は、絶縁体の誘電率である.
[実験2]
信号切り替わり時間の依存性を評価するため、実験1の立上り時間をt=200psに変えた場合の結果を表2にまとめる。この実験においてもセグメント分割伝送線による改善率はrimp=2.66となり、高い効果が得られている。
Sought by. Here, D (= 140 mμ) and T (= 35 mμ) are the thickness of the insulator of the substrate and the thickness of the wiring, respectively (see FIG. 3). Ε r (= 4.2) is the dielectric constant of the insulator.
[Experiment 2]
To assess the dependence of the signal switching time, it summarizes the results of the case of changing the rise time of the experiment 1 to t r = 200 ps in Table 2. Also in this experiment, the improvement rate by the segmented transmission line is r imp = 2.66, and a high effect is obtained.

図16の表1と図17の表2の比較からわかるように、両者の対応するセグメントの特性インピーダンスZは異なっている。特に、立上り時間20psの時、Zは64Ωと全セグメントの中で最も高い特性インピーダンス値となっている(図16)。一方、立上り時間200psの時、Zは22Ωと全セグメントの中で最も低い特性インピーダンス値となっている(図16)。これは、両者の信号切り替わりにおける周波数成分が異るために異なった反射ノイズが発生するためである。セグメント分割伝送線はこれらの異なった反射ノイズに適応し、それぞれのケースにおいて個々のセグメントの特性インピーダンスを調整することで理想的な伝送信号を実現している。 As can be seen from the comparison between Table 1 in FIG. 16 and Table 2 in FIG. 17, the characteristic impedances Z i of the corresponding segments are different. In particular, when the rise time is 20 ps, Z 6 is 64Ω, which is the highest characteristic impedance value of all the segments (FIG. 16). On the other hand, when the rise time is 200 ps, Z 6 is 22Ω, which is the lowest characteristic impedance value of all the segments (FIG. 16). This is because different reflection noises occur because the frequency components in the signal switching are different. The segmented transmission line is adapted to these different reflection noises, and an ideal transmission signal is realized by adjusting the characteristic impedance of each segment in each case.

[実験3]
実験1と実験2では、特に大きな波形歪みが生じる信号の切り替わりに注目して実験を行った。このため、クロック周波数については100MHzという遅い値を用いた。本実験では、信号周期(クロック周波数)を500MHHzとして実験を行った。500MHHzの信号波長は伝送線長10cm(図7)とほぼ等しく、従って実験1、実験2以上に多くの多重反射が発生すると考えられる。そこで本実験では、セグメント数を20として自由度をさらに増やすことでこれに対応した(その他の設定値は全て実験2と同じである)。結果を図20の表3にまとめる。また、P1において観測される波形を図18と図19に示す。図18は、基本整合配線系にDIMMを接続した時の観測波形(Wave Form under Capacitance)とDIMMが無い時の理想波形(Ideal Wave Form)である。DIMMを接続した影響により、大きな反射ノイズが発生し、矩形波の切り替わり部分(立上りと立ち下がり部分)が大きく削り取られて正弦波形のように歪んでいることがわかる。図19は、セグメント分割伝送線の波形(Wave Form under Capacitance)と理想波形(Ideal Wave Form)である。図18において大きく削り取られた信号切り替わり部分が改善され、理想波形に近付い波形に整形されていることがわかる。この実験においてもrimp=2.13となり、良好な改善効果が得られている。
[Experiment 3]
In Experiment 1 and Experiment 2, the experiment was conducted paying attention to the switching of signals that cause particularly large waveform distortion. For this reason, a slow value of 100 MHz was used for the clock frequency. In this experiment, the experiment was performed with the signal period (clock frequency) set to 500 MHz. The signal wavelength of 500 MHHz is almost equal to the transmission line length of 10 cm (FIG. 7). Therefore, it is considered that more multiple reflections occur than in Experiments 1 and 2. Therefore, in this experiment, the number of segments was set to 20, and the degree of freedom was further increased to cope with this (all other set values are the same as those in Experiment 2). The results are summarized in Table 3 in FIG. The waveforms observed at P1 are shown in FIGS. FIG. 18 shows an observed waveform (Wave Form under Capacitance) when a DIMM is connected to the basic matching wiring system and an ideal waveform (Ideal Wave Form) when there is no DIMM. It can be seen that due to the influence of the DIMM connection, a large reflection noise is generated, and the rectangular wave switching portion (rising and falling portions) is greatly scraped and distorted like a sine waveform. FIG. 19 shows a waveform (Wave Form under Capacitance) and an ideal waveform (Ideal Wave Form) of the segmented transmission line. It can be seen that the signal switching portion greatly cut out in FIG. 18 is improved and is shaped into a waveform that approaches the ideal waveform. Also in this experiment, r imp = 2.13, and a good improvement effect is obtained.

上記実験から、設計した伝送線上の伝送波形と従来伝送線上の伝送波形を比較評価し、伝送波形の品質が2倍以上改善され、理想的な伝送波形が得られることが分かった。   From the above experiment, it was found that the transmission waveform on the designed transmission line and the transmission waveform on the conventional transmission line were compared and evaluated, and the quality of the transmission waveform was improved more than twice, and an ideal transmission waveform was obtained.

なお配線の特性インピーダンスZ’は、キャパシタンスC’とインダクタンスL’に以下のように分解される。

Figure 2005150644
The characteristic impedance Z ′ of the wiring is decomposed into a capacitance C ′ and an inductance L ′ as follows.
Figure 2005150644

ここで、tpdは配線基板の絶縁体の誘電率で決定される伝送遅延時間である。負荷容量Cの接続された負荷トレースの特性インピーダンスは、C’,L’,tpd及びCで計算することができ、また、この値をZと等しくすることから

Figure 2005150644
Here, t pd is a transmission delay time determined by the dielectric constant of the insulator of the wiring board. The characteristic impedance of the connected load trace with load capacitance C L can be calculated by C ′, L ′, t pd and C L , and this value is made equal to Z 0.
Figure 2005150644

と表される。これより、Z=76Ω,C’=10[pF]、tpd=112[ps]を代入することで、Z’=526[Ω]を得る。 It is expressed. Thus, Z ′ = 526 [Ω] is obtained by substituting Z 0 = 76Ω, C ′ = 10 [pF], and t pd = 112 [ps].

セグメント分割伝送線の概念を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the concept of a segment division | segmentation transmission line. 図1のセグメント分割伝送線の特性インピーダンスと抵抗の染色体上へのマッピングを示す図である。It is a figure which shows the mapping on the chromosome of the characteristic impedance and resistance of the segment division | segmentation transmission line of FIG. セグメント分割伝送線の例を示す図である。It is a figure which shows the example of a segment division | segmentation transmission line. セグメント分割伝送線設計支援システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a segment division | segmentation transmission line design support system. 整形対象波形と理想波形の差による適応度値を示す図である。It is a figure which shows the fitness value by the difference of a shaping object waveform and an ideal waveform. プリント基板上のクロック配線に接続されたメモリモジュールの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the memory module connected to the clock wiring on a printed circuit board. 図6の回路を示す図である。It is a figure which shows the circuit of FIG. 観察点P1における基本整合配線系における観測波形を示す図である。It is a figure which shows the observation waveform in the basic matching wiring system in the observation point P1. 観察点P2における基本整合配線系における観測波形を示す図である。It is a figure which shows the observation waveform in the basic matching wiring system in the observation point P2. セグメント分割伝送系における観察点P1における観測波形を示す図である。It is a figure which shows the observation waveform in the observation point P1 in a segment division | segmentation transmission system. セグメント分割伝送系における観察点P2における観測波形を示す図である。It is a figure which shows the observation waveform in the observation point P2 in a segment division | segmentation transmission system. 負荷トレース系(従来手法)における観測点1における観測波形を示す図である。It is a figure which shows the observation waveform in the observation point 1 in a load trace system (conventional method). 負荷トレース系(従来手法)における観測点2における観測波形を示す図である。It is a figure which shows the observation waveform in the observation point 2 in a load trace system (conventional method). 従来のインピーダンス整合手法(負荷トレース法)を説明するために用いる図である。It is a figure used in order to demonstrate the conventional impedance matching method (load trace method). メモリモジュール系に対する負荷トレースの設計を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the design of the load trace with respect to a memory module type | system | group. 実験1の結果を示す図表である。6 is a chart showing the results of Experiment 1. 実験2の結果を示す図表である。6 is a chart showing the results of Experiment 2. 基本整合配線系の観測点P1の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the observation point P1 of a basic matching wiring system. セグメント分割伝送系の観測点P1の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the observation point P1 of a segment division | segmentation transmission system. 実験3の結果を示す図表である。10 is a chart showing the results of Experiment 3. 超大規模集積回路実装基板上の配線と反射ノイズの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the wiring on a very large-scale integrated circuit mounting board | substrate, and reflected noise.

符号の説明Explanation of symbols

〜S11 セグメント
〜Z11 特性インピーダンス
終端抵抗
ダンピング抵抗
S 0 to S 11 segment Z 0 to Z 11 characteristic impedance R T termination resistance R O damping resistance

Claims (11)

高周波信号が伝送される伝送線を構成する配線パターンを備えた高周波用配線構造であって、
前記配線パターンは形状の相違により特性インピーダンスが異なる複数のセグメントにより構成され、
前記複数のセグメントのそれぞれの前記特性インピーダンスは、前記伝送線を伝播する前記信号の波形歪を減少させる反射波を隣接する二つの前記セグメントどうしの境界で発生させるように定められていることを特徴とする高周波用配線構造。
A high-frequency wiring structure having a wiring pattern constituting a transmission line through which a high-frequency signal is transmitted,
The wiring pattern is composed of a plurality of segments having different characteristic impedances due to differences in shape,
The characteristic impedance of each of the plurality of segments is determined so that a reflected wave that reduces waveform distortion of the signal propagating through the transmission line is generated at a boundary between two adjacent segments. Wiring structure for high frequency.
請求項1に記載の高周波配線構造を絶縁基板上に備えた高周波用実装基板。 A high-frequency mounting substrate comprising the high-frequency wiring structure according to claim 1 on an insulating substrate. 請求項1に記載の高周波配線構造を内部の配線パターン中に備えた集積回路。 An integrated circuit comprising the high-frequency wiring structure according to claim 1 in an internal wiring pattern. 絶縁性基板の表面上に200MHz以上の高周波信号が伝送される伝送線を構成する配線パターンを備え且つ前記配線パターンに電気的に接続される集積回路が実装される高周波用実装基板であって、
前記配線パターンは形状の相違により特性インピーダンスが異なる複数のセグメントにより構成され、
前記複数のセグメントのそれぞれの前記特性インピーダンスは、各セグメントの境界で発生する反射ノイズが重畳し合うことにより前記伝送線を伝播する前記信号の波形が整形されるように定められていることを特徴とする高周波用実装基板。
A high-frequency mounting substrate that includes a wiring pattern that constitutes a transmission line that transmits a high-frequency signal of 200 MHz or more on the surface of an insulating substrate, and on which an integrated circuit that is electrically connected to the wiring pattern is mounted,
The wiring pattern is composed of a plurality of segments having different characteristic impedances due to differences in shape,
The characteristic impedance of each of the plurality of segments is determined such that a waveform of the signal propagating through the transmission line is shaped by overlapping reflection noise generated at the boundary of each segment. Mounting board for high frequency.
前記セグメントの前記特性インピーダンスは、前記セグメントの幅寸法、長さ寸法及び厚み寸法の少なくとも一つを変えることにより所定の値に設定されている請求項4に記載の高周波用実装基板。 The high frequency mounting substrate according to claim 4, wherein the characteristic impedance of the segment is set to a predetermined value by changing at least one of a width dimension, a length dimension, and a thickness dimension of the segment. 前記セグメントの前記特性インピーダンスは、前記セグメントの長さ寸法を一定として、その幅寸法を変えることにより設定されている請求項2に記載の高周波用実装基板。 The high-frequency mounting substrate according to claim 2, wherein the characteristic impedance of the segment is set by changing a width dimension of the segment with a constant length dimension. 高周波信号が伝送される伝送線を構成する配線パターンを備えた高周波用配線構造を、形状の相違により特性インピーダンスが異なる複数のセグメントにより形成する方法であって、
最適化アルゴリズムを用いて、前記伝送線を伝播する前記信号の波形歪を減少させる反射波を隣接する二つの前記セグメントどうしの境界で発生させるように、前記複数のセグメントのそれぞれの前記特性インピーダンスを設計することを特徴とする高周波用配線構造の形成方法。
A method of forming a high-frequency wiring structure having a wiring pattern that constitutes a transmission line through which a high-frequency signal is transmitted, by a plurality of segments having different characteristic impedances due to differences in shape,
Using the optimization algorithm, the characteristic impedance of each of the plurality of segments is set such that a reflected wave that reduces waveform distortion of the signal propagating through the transmission line is generated at a boundary between two adjacent segments. A method for forming a high-frequency wiring structure characterized by designing.
前記セグメントの長さ寸法を一定として、その幅寸法を設計することにより前記特性インピーダンスを設計することを特徴とする請求項7に記載の高周波用配線構造の形成方法。 8. The method of forming a high-frequency wiring structure according to claim 7, wherein the characteristic impedance is designed by designing the width dimension of the segment with the length dimension of the segment being constant. 前記最適化アルゴリズムが遺伝的アルゴリズムである請求項7に記載の高周波用配意線構造の形成方法。 The method for forming a high-frequency intention line structure according to claim 7, wherein the optimization algorithm is a genetic algorithm. 高周波信号が伝送される伝送線を構成する配線パターンを備えた高周波用配線構造を変えることにより前記高周波信号を波形整形する方法であって、
前記配線パターンを形状の相違により特性インピーダンスが異なる複数のセグメントにより構成し、
前記複数のセグメントのそれぞれの前記特性インピーダンスを、各セグメントで発生する反射ノイズを重畳して前記伝送線を伝播する前記高周波信号の波形を整形するように定めることを特徴とする高周波信号の波形整形方法。
A method of shaping a waveform of the high-frequency signal by changing a high-frequency wiring structure having a wiring pattern that constitutes a transmission line for transmitting a high-frequency signal,
The wiring pattern is constituted by a plurality of segments having different characteristic impedances due to differences in shape,
The characteristic impedance of each of the plurality of segments is determined so as to shape the waveform of the high-frequency signal propagating through the transmission line by superimposing reflection noise generated in each segment. Method.
最適化アルゴリズムを用いて、前記複数のセグメントの形状を設計することを特徴とする請求項10に記載の高周波信号の波形整形方法。 The method for shaping a waveform of a high-frequency signal according to claim 10, wherein the shape of the plurality of segments is designed using an optimization algorithm.
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