第一部分 信号完整性

第1章 高速电路与信号完整性

1.1 工艺进步是高速化的引擎

有3个技术元素或引擎正推动着电子信息产业的突飞猛进。它们是：不断升级换代的半导体制造工艺；更大容量、更宽带的网络化信息平台；持续壮大的系统创新设计研发链。下面，首先讨论半导体工艺这一高速化引擎所引发的世界变革。

今天，一个用完即扔的音乐生日卡的计算能力要比十几年前的计算机主机还强；主流PC的处理器已达几吉赫；更高的20GHz处理器已经在一些实验室中运行。在PCB（印制电路板）中，一对铜差分对走线上已经成功传输高达12.5Gbps的数据率；在高速串行总线上，可以传输高达40Gbps的数据率。单个器件功能也变得更加强大，许多计算用器件集成了通信功能，而许多通信器件也具有很强的计算能力。

早在1965年，Intel公司创始人之一Gordon Moore发现的摩尔（Moore）定律指出——一个芯片上晶体管的数量每两年就要翻一番。20世纪80年代后期，摩尔定律的周期被调整为18个月。图1.1表明了处理器的发展趋势符合摩尔定律。摩尔定律并不是科学或自然定律，而是描述半导体工艺指数发展的独特法则。摩尔定律也是对目前实情的一种陈述——数字能力的指数型进展和性能/价格比的持续性提高。

图1.1 处理器的发展遵循摩尔定律的指数增长规律

随着单芯片内晶体管数量的增加，微处理器几乎所有的参数都在提高，例如速度和性能的提高速度要比晶体管数量增加得更快。i486处理器工作于25MHz，而奔腾Ⅳ处理器的速度达到3GHz以上，数十亿晶体管处理器的处理速度可达20GHz。从另一个角度看，早在20世纪90年代将i486的速度从25MHz提高到50MHz花了3年的时间，当今工程师只要用1个星期就可以将速度提高25MHz。几年之后，也许只要1天就可以将速度提高25MHz。在起初提出摩尔定律的年代，单个晶体管的价格高达5美元。而今，5美元则能买到500万个晶体管。

奔腾Ⅳ采用的工艺是0.13微米，短短几年，65纳米的器件工艺逐渐成为主流；22纳米工艺正处于研究试用阶段。相信不久之后，人们就可以用到价廉物美的22纳米器件了。随着处理器内晶体管数量和速度的提升，为了解决功耗、散热等问题，人们发明了很多新材料和新结构。同时，封装工艺也在高速发展。当前，3D封装已经广泛应用于消费电子产品中。

随着芯片速度的不断提升、元器件密度和I/O数量不断增加、系统功能不断增强、功耗不断升高、电磁辐射不断增强等，所有这些都对高速设计提出了全新的挑战。I/O数量的增多，导致PCB层数和密度不断增加。当前已有超过2000个I/O并且功耗高于200 W的IC，PCB的层数也超过了50层。如此复杂的高密度互连造成了封装工艺的迅速发展，出现了SoP（System on Package，封装上系统）、SiP和MCM等系统级封装和3D封装。同时，一些嵌入式元件和微孔等高新工艺也逐渐成为主流。形势迫使IC制造商、OEM（Original Equipment Manufacturer）、EMS（Electronic Manufacturing Service）、系统开发商必须相互合作，以便设计出新型的高性能芯片与系统。合作成果的形式包括高速设计工具箱、参考设计和智能数据库。

在高速大容量数据通信和电信网络应用中，光纤数据传输越来越影响PCB设计，特别是光电转换部分。电气部分必须工作在非常高速的状态，使得数字设计一跃进入了RF领域。一些微波术语（如频域、S-参数、谐振等）已经在高速设计中变得司空见惯。多数PCB设计师并非自觉去寻求挑战，光纤平台和市场需求决定了对通信和电子系统超大带宽的技术需求。差分信号、时钟数据恢复、数据传输拓扑和新型的互连结构等高速设计方案的开发，都是为了满足最终用户的需要。