設計看似完美卻測不過？ Intra-Pair Skew 是「訊號完整性（Signal Integrity）」里最隱形的殺手

各位不知道有沒有遇過，一對很長的差分走線，看起來很正常，但是測試結果偶爾會fail偶爾會pass，不像是軟件問題，也不像是制程問題。看了一下Layout，發現阻抗匹配控制的非常好，TDR測試也顯示阻抗好棒棒，雖然線是長了點，但是損耗還是有不少Margin。那... 為什么會有問題？

如果您遇到過，那恭喜您，這應該是PCB玻璃纖維造成的Intra-Pair Skew，而導致差動對P/N兩條線有著時間差。在差動對的理論基礎上，開宗明義就有提到，兩條線必須等長，或說是相等時間差，才會是完美的差動訊號。如果這個時間差，或說是delay，兩兩不一致，則所引起的訊號損耗會變的過大以及產生難以控制的共模效應（Common-mode）。

本周，我們來看看何謂Differential Pair Intra-Pair Skew，這個Skew到底是怎樣影響我們的通道設計！

回顧一下差動對理論

在高速信號傳輸的設計中，差動對（Differential Pair）是一種非常常見的走線方式，這種走線方式雖然犧牲的一倍的走線面積，但是換來對于高速信號干擾的抵抗性。而要達到一個良好的差動對設計，「等長」這件事幾乎是SI與Layout兩個團隊的基本功。那到底為什么差動對要等長？原

Differential Intra-pair skew，指的就是在差動對里，正負訊號線之間出現的「延遲時間差」。差動對是兩條走線成對一起運作，傳輸同一組訊號，不過一條走的是正訊號，另一條則是相反方向的負訊號。這兩條信號必須保持高度同步，才能在接收端被正確還原回原始信號。簡單來說，原本應該同時到達的兩條訊號線，卻有人先跑、有人后到，這種「步調不一致」就叫做 skew。在高速數據傳輸中，哪怕只是微小的延遲偏移或是訊號的「錯開」，都可能左右訊號的完整性。

當Skew變大時，訊號波形的形變也會變得更嚴重！

當Skew越來越大時，眼圖隨之變差！

發生Intra-Pair Skew造成的狀況

Intra-Pair Skew發生時，會有以下幾個負面影響：

損耗變大，產生高頻諧振點
產生共模效應，降低差動特性
隨著Data Rate上升，Skew對于UI占比越來越大，導致訊號嚴重失真

以下我們一個一個來解析！

Skew使得高頻損耗變的更嚴重

Skew會帶來高頻諧振，如果要知道對于損耗的影響范圍，我們可以來計算這個諧振點的發生頻率：

首先，我們先假設一個復數傳輸函數H(f)

H(f)=|H(f)|ejθ(f)

其中，|H(f)|表示DUT的幅度響應，而θ(f)則為其相位響應。

相位響應可以進一步定義為：

θ(f)=?2π×f×Δt(f)

這里的Δt(f)是傳輸函數的相位延遲，因此可以根據相位響應直接反推得到相位延遲：

Δt(f)=?θ(f)2πf

而我們就可以得到這個諧振頻率點：

f=12Δtpd

也就是說，Skew越小，諧振點就越高頻，且這個諧振點會在奇數倍數頻率出現，假設1GHz有諧振點，則3GHz、5GHz、7GHz也會出現諧振點。

接著我們可以通過這個公式，計算不同Skew時間下，諧振點的頻率，并與實際SI模擬的頻率點做比對看看這個公式有沒有效。可以發現，公式與模擬的諧振頻率，大概差了7%，公式計算得到的頻率會較低一些，但是整體而言還算可以接受！

從實測的結果我們也可以發現這不是紙上談兵，一個10G-KR的通道，原本設計的Loss好好的，可以通過這條黑色的Spec，可是當我們刻意將skew調整至13ps（兩條線大約差70mil），Loss在30GHz之后直接往下跑，超出Spec，以我們的計算12.7ps大約是42GHz，從這個實測結果來看，應該是可以對得上的對吧！

Skew導致Common-Mode Noise上升

我們在看系統級的差動對特性時，最先關注的通常是Differential Return Loss（Sdd11）和Differential Insertion Loss（Sdd21），再來可能根據Crosstalk是否嚴重而去關注Sdd31 and Sdd41，比較少會去關注共模特性。

P.S. 如果是Connector與Cable廠商則例外，這些零組件牽扯到對機臺外部的連接，可能會有EMI的問題，因此對于共模很關注。一些規范也都有針對這些零部件有Scd的要求。

可是其實Common-mode noise是非常重要的。我們可以從Scd這個參數來判斷，到底這個通道設計有多少的不平衡（unbalance）效應。越大的Unbalance，表示越多的Common-mode noise，表示這個差動對設計越不好，通常表示的是Skew越大！

從這張圖可以清楚地看出，Common-mode noise（ACCM）會隨Skew變大而變大：

一樣透過實測數據讓大家對于Skew造成的負面性應更加明了，Skew越大則Common-mode noise越慘呀！

IEEE 802.3ck針對MTF（Mated Test Fixture）的Scd（與Sdc相同）的規范：

Skew的時間占比隨著Data Rate變快，而越來越大

最后，我們簡單討論下時序方面的問題。

首先，我們來聊聊什么是 UI（Unit Interval）。它是高速信號設計中最小的時間單位，意思就是：一個「0」或「1」所占據的時間長度，就叫做一個 UI。

這個單位要怎么算呢？其實很簡單，就是把 Data Rate 取倒數。比如說，如果你設計的是一個 10G的通道，那它的 UI 就是 1 / 10G，也就是 100ps。也就是說，在 10G 的速度下，每個 bit 的時間長度就是 100ps。不管這個 bit 是 0 還是 1，都只會占用 100ps 的時間，不會更短了。

而一個UI內的波形不能失真過多，否則Receiver會無法判別此波形是0或1，這就是我們在探討訊號完整性的初衷。

很多問題都會導致一個UI的波形變差，Loss、Reflection、Crosstalk、Jitter、還有我們今天要強調的“Skew”。其實每個參數都會對信號質量有所貢獻，當Data Rate還沒有很高時，絕大多數都是Loss、Reflection、Jitter在搞鬼。但隨著傳輸速度越來越快，像是現在主流的 112G，甚至是最新的 224G，很多以往「可以忍耐的小問題」都開始變成「致命傷」。舉個例子來說，在224G的速度下，一個UI的長度大約只有8.9ps。如果你的設計中出現 1ps 的 Skew，那就等于讓整個 UI 失真了 11%！這還只是Skew的貢獻，還沒加上材料損耗、阻抗不連續、反射等其他破壞因素。所以呀，Skew這件事情真的很需要被放在心上！

通常會發生Intra-Pair Skew的情況

基本上，只要設計者不惡搞，例如故意把線長不等長，故意亂拉走線的話，Intra-Pair skew通常會發生在以下這些情況：

Trace Length Mismatch（發生機率低）
PCB玻璃纖維效應（Fiber Weave）
Cable

Trace Length Mismatch

我們最前面提到，差動對我們會在Layout上讓兩條線盡可能等長，拜現在Layout軟件進步所賜，56G-PAM4的速度以上，物理長度的Skew已經可以控制在1mil以內。

這種線長的不匹配通常來自于轉折處，由于外圈會比內圈走得還遠，所以內圈的走線就得額外拉長，以匹配線長。

相信業界最有名的莫過于Intel在用的3W2S rule，也就是在差動對去做等長設計時，短的那條線進行繞線補償時，補償的高度和寬度的定義，3W指的是兩個凸包的距離為3倍的線寬W（B=D=F=3W），2S是指凸包最遠的位置與另外一條線距離為2倍的差動對間距S（S1=2S）。

我們在SI這條路上已經遇到太多人跟我們說，要照Intel這條設計準則走，人家是測試過的，一定要照這條做，不然會有問題。恩... 講真的，對于SI而言，我們對這個規則是不太關注的，不是說Intel的這條準則有問題，而是，我們相信一條規則是無法適用到全部的高速訊號設計上。每個設計有不同的疊構、材料、線長、Data Rate等等，真的可以這么簡單用一條準則來設計？

要知道當紅炸子雞，nVIDIA推崇的設計是完全不一樣喔，那... 兩者沖突，您要選誰？

各有門派，我們也不多做討論，我們的做法是Case by Case，試著透過模擬方法找出最佳的設計，例如這個Case，我們討論3W2S、3W2.5S、2W2.5S，發現2W2.5S有著較好的阻抗匹配，設計上我們當然選擇它！

PCB Fiber Weave

PCB的玻璃纖維效應，這主要來自于CCL材料里頭的玻璃纖維與樹脂的介電常數（DK）不同所導致。 CCL材料里頭的玻璃纖維主要強化材料的剛性，跟織衣服類似，會有經向（Warp）與緯向（Weft）。像下圖，編織成品會留下一個一個洞，這個洞就是樹脂的位置。而傳統玻纖（E-Glass）的介電常數大約是6，樹脂的介電常數是3.5，兩者合起來就接近4.4，這樣可以理解為什么傳統FR4材料的DK是4.4了吧！

由于材料內的DK有落差，會使得差動對兩條線“可能”參考到不同的DK，兩條線的訊號傳遞速率會變得不一樣，越大的DK則訊號傳遞速率會變慢，而導致兩條線到Receiver時會有Skew產生。

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而且，很討厭的是，因為Fiber weave產生的Skew，還是隨機出現的。因為，每張板子的每個位子的玻纖是不同的，所以就算是一樣的走線，在每批料之間也是不一樣的狀況，所以文章開頭我們才會說，各位有沒有遇過隨機發生的狀況！

這邊我們介紹一個常見的做法，以減少玻璃纖維造成的Skew效應。透過將CCL疊兩層，或稱2ply，將樹脂的孔洞變小，從數據來看可以很明顯看到Skew會更加集中在較小的范圍，不像1ply那樣，會有一些離散數據落在較大的skew值。

Cable

我們在這邊介紹過Cable已經成為現在機臺內部連接一個重要的關鍵零組件，nVIDIA的GB200 NVL36/72都用了Flyover cable以減少PCB走線帶來的損耗。

對于損耗控制上，Cable的確有著非常好的特性，可是在制造上，由于傳統的Twinax cable除了兩根訊號線外，還會再塞入GND pin，這個GND pin可以用來抑制EMI。可是由于制造的tolerance，當這根GND pin位置偏掉，靠得離某根訊號線太近，則會引起PN unbalance，skew就會出現，common-mode noise也隨之發生。（有興趣可以參考這里)