[SI-LIST] Re: Controlled ESR capacitor

  • From: "Iliya Zamek" <dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx> (Redacted sender "i_zamek" for DMARC)
  • To: "si-list@xxxxxxxxxxxxx" <si-list@xxxxxxxxxxxxx>, "Cheng, Chris" <chris.cheng@xxxxxxx>
  • Date: Thu, 30 Aug 2018 06:48:40 +0000 (UTC)

Hi Chris, Sorry for the late reply; I was busy after work tonight. Thank you 
for reading my paper "On-chip Jitter and system Power Integrity" DesignCon 2012.
You are still having in mind a design and how we can improve it, but this is 
not a case. This paper main goals were: 1) to describe the method for PDN 
validation through Jitter measurements which less impacted by parasitic and 
applicable for any ICs weather they have special features, or not, that other 
methods require; 2) using this method we revealed Jitter resonance induced by 
PDN noise that origin of switching on-die logic.   Â  Note, that this is a 
characteristic of PDN performance "looking from the die side".3) next, using 
this method we researched how on-board decoupling impacts the PDN resonances. 
 
The method: two logic domains in standard FPGA were used that share the same 
PDN; one logic domain was used as an Aggressor, and other as a Victim. Both 
were switching periodically and asynchronously. Switching frequency 
sequentially changing and Jitter of a Victim was each time measured. Jitter 
resonance: switching of an aggressor creates pulses of a current 
corresponding each rise and fall time of Aggressor signal; these current pulses 
causes PDN voltage variations (noise). Changing Aggressor frequency we change 
noise frequency; when noise frequency reaches PDN resonance the impact on the 
Victim became higher and victim Jitter reaches the peak. So, this is a way to 
find a PDN resonances.   Â Decoupling: we changed on-board decoupling and 
measured Jitter; we obtained that with rising decoupling at 36 MHz the 
resonance became stronger and in field 100-200 MHz Jitter slightly reduced - 
this effect also explained in paragraph following the graph. These measurements 
are time consuming and we did not measure higher resonances. I think that 
Jitter reduction at 100-200 MHz with increasing decoupling is an evidence that 
higher frequency resonances also became more narrow and higher.  Â Â 
So, we did not sacrifice nothing; we just did an experiment, got data, and 
explained the effects. 
I was glad to see Binayak' good explanation of the effect that I also got from 
these experiments: looking from die capacitance through package inductance to 
the decoupling we see parallel resonance. Its' ESR is decreasing with rising 
number of the capacitances. When ESR is decreased, Q-factor rising and, also, 
the resonance peak.  Â Â 
Chris, I agree with you that these results are important as an illustration of 
new effects that has not been noted before: particular, it was demonstrated 
that the traditional approachto the reducing PDN resonances by increasing the 
decoupling on PCB does not help toremove resonance peaks. Otherwise,lowering 
the PCB impedance by adding more capacitances makes the situation evenworse, - 
the values of the peaks increase.
I will be glad to continue this discussion, which is very interesting for me 
personally. However might be not all Si-listers are interested in it;  should 
we move it off-line?
Best regards, Iliya  


On Wednesday, August 29, 2018, 4:59:50 PM PDT, Cheng, Chris 
<chris.cheng@xxxxxxx> wrote:

Your clarification makes me even more puzzled about your conclusions. If this 
is general one die core noise to clock tree buffer power, why would you 
sacrifice the critical >100MHz noise damping that most core logic will care for 
the 30MHz or so that most switching logic don't care ? Is your chip only 
working in 30-40MHz ?
Back to the PLL jitter issue. As long as the clock buffer output is used for 
the PLL phase detector input, it is still part of the closed PLL controlled 
loop. You can see below 20MHz the PLL loop bandwidth corrected the induced 
jitter on the clock tree buffer. You just luck out that when the reduced cap 
configuration peaked around 10MHz, that was below the PLL loop bandwidth. Had 
the PLL loop bandwidth is forced to be lowered by crazy PLL spec like PCIE to 
5MHz, the 10MHz peaking of the red curve will most probably be higher than the 
high cap count configuration peak around 35MHz. 
Sorry, these are important design trade-offs that I am not sure you have drawn 
the right conclusion. We should keep this discussion going.

Chris Cheng
Distinguished Technologist , Electrical
Hewlett-Packard Enterprise Company
 
+1 510 344 4439/ Tel 
chris.cheng@xxxxxxx / Email 
940 N. McCarthy Blvd., Milpitas, CA 95035
USA


From: Iliya Zamek [mailto:i_zamek@xxxxxxxxx] 
Sent: Wednesday, August 29, 2018 1:28 PM
To: Cheng, Chris <chris.cheng@xxxxxxx>
Cc: dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx; binayaks@xxxxxxxxx <binayaks@xxxxxxxxx>; 
tom@xxxxxxxxxxxxxxxxx; si-list@xxxxxxxxxxxxx <si-list@xxxxxxxxxxxxx>; FRED 
MOTTER <motter@xxxxxxxxxxxxx>; FRED B <FRED@xxxxxxxxxxxxx>; Jacques Tazartes 
<jacquest15@xxxxxxxxxxxxx>; EmadIbrahim <EIbrahim@xxxxxxxxx>; 
Myrna5@xxxxxxxxxxxxxx <Myrna5@xxxxxxxxxxxxxx>; Istvan Novak 
<istvan.novak@xxxxxxxxxxx>; junichi.yamada.ak@xxxxxxxxxxx 
<junichi.yamada.ak@xxxxxxxxxxx>; Cosmin Iorga <ci42775@xxxxxxxxx>
Subject: Re: [SI-LIST] Re: Controlled ESR capacitor

Hi Chris,

Thank you for your comments. 

Both, 30-40 and 100-200 MHz jitter 

components are important. There is no 

point to sacrifice one, or other. 

This was special experiment to validate  

the role of board decoupling on 

interaction of two logic domains inside 

the chip which shared the same 

power supply: core logic was switching 

(Aggressor) impacting routing 

component's and clock tree' jitter (victims). 

 PLL on clock tree was using other, quiet 

power supply.  Scale is the same as on 

figure 4: (jitter at core switching)/(jitter 

at core quiet).

Let me know if you have more questions.

Thank you.

Iliya





On Aug 29, 2018 11:10 AM, "Cheng, Chris" <chris.cheng@xxxxxxx> wrote:
Why do you think it is worth sacrificing the 100-200MHz jitter performance with 
high cap count for the narrow range of 30-40MHz jitter performance with lower 
cap count ? 
In the world of XbitY coding for the 10+Gb/s world, I would think the 
100-200Mhz jitter performance is much more important than those 30-40MHz. 
To me, the best conclusion I can draw from the two graph seems to point out the 
price we pay for the obsession of jitter transfer over jitter accumulation. 
Clearly the 30-40Mhz jitter peaking could be fixed by uping the PLL loop 
bandwidth from around 10MHz to 40+MHz. In the name of saving a few $ in cheap 
clock source, we paid this price for all PLL jitter accumulation downstream. 
To recap : 
a) Who would feed a PLL with raw unfiltered power and rely on decoupling cap 
ESR to maintain PLL jitter performance ? 
b) Why is it worth sacrificing 100-200MHz jitter performance to a lower band 
30-40MHz ? 
Also, what was the vertical scale of the graphs ? 

Chris Cheng 
Distinguished Technologist , Electrical 
Hewlett-Packard Enterprise Company 
  
+1 510 344 4439/ Tel 
chris.cheng@xxxxxxx / Email 
940 N. McCarthy Blvd., Milpitas, CA 95035 
USA 



-----Original Message----- 
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx [mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On ;
Behalf Of Iliya Zamek 
Sent: Monday, August 27, 2018 8:39 PM 
To: binayaks@xxxxxxxxx 
Cc: dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx; Cheng, Chris <chris.cheng@xxxxxxx>; 
tom@xxxxxxxxxxxxxxxxx; si-list@xxxxxxxxxxxxx; FRED MOTTER 
<motter@xxxxxxxxxxxxx>; FRED B <FRED@xxxxxxxxxxxxx>; Jacques Tazartes 
<jacquest15@xxxxxxxxxxxxx>; EmadIbrahim <EIbrahim@xxxxxxxxx>; 
Myrna5@xxxxxxxxxxxxxx; Istvan Novak <istvan.novak@xxxxxxxxxxx>; 
junichi.yamada.ak@xxxxxxxxxxx; Cosmin Iorga <ci42775@xxxxxxxxx> 
Subject: [SI-LIST] Re: Controlled ESR capacitor 

Somehow my email was distorted. Re-sending.  

Hi Binayak, 
Your effect description is correct. 
If you look at papers which links were included in my email sent 2 days ago 
(August 25) you can see the graph that described exactly the same - how low 
PCB impedance causes rising on-die transients. 
If you could not find these papers, you might connect me off-line and I'll send 
it to you. 
Thank you. 
Iliya. 

intensive on-board decoupling does not reduce PDN resonances respect to the 
chip die, but even make PDN performance worse, - resonances are rising. 

I will be glad to continue this discussion, however might be not all Si-listers 
are interested in it and we should move it off-line?
Best regards, Iliya  


   On Wednesday, August 29, 2018, 4:59:50 PM PDT, Cheng, Chris 
<chris.cheng@xxxxxxx> wrote:  
 
 Your clarification makes me even more puzzled about your conclusions. If this 
is general one die core noise to clock tree buffer power, why would you 
sacrifice the critical >100MHz noise damping that most core logic will care for 
the 30MHz or so that most switching logic don't care ? Is your chip only 
working in 30-40MHz ?
Back to the PLL jitter issue. As long as the clock buffer output is used for 
the PLL phase detector input, it is still part of the closed PLL controlled 
loop. You can see below 20MHz the PLL loop bandwidth corrected the induced 
jitter on the clock tree buffer. You just luck out that when the reduced cap 
configuration peaked around 10MHz, that was below the PLL loop bandwidth. Had 
the PLL loop bandwidth is forced to be lowered by crazy PLL spec like PCIE to 
5MHz, the 10MHz peaking of the red curve will most probably be higher than the 
high cap count configuration peak around 35MHz. 
Sorry, these are important design trade-offs that I am not sure you have drawn 
the right conclusion. We should keep this discussion going.

Chris Cheng
Distinguished Technologist , Electrical
Hewlett-Packard Enterprise Company
 
+1 510 344 4439/ Tel 
chris.cheng@xxxxxxx / Email 
940 N. McCarthy Blvd., Milpitas, CA 95035
USA


From: Iliya Zamek [mailto:i_zamek@xxxxxxxxx] ;
Sent: Wednesday, August 29, 2018 1:28 PM
To: Cheng, Chris <chris.cheng@xxxxxxx>
Cc: dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx; binayaks@xxxxxxxxx <binayaks@xxxxxxxxx>; 
tom@xxxxxxxxxxxxxxxxx; si-list@xxxxxxxxxxxxx <si-list@xxxxxxxxxxxxx>; FRED 
MOTTER <motter@xxxxxxxxxxxxx>; FRED B <FRED@xxxxxxxxxxxxx>; Jacques Tazartes 
<jacquest15@xxxxxxxxxxxxx>; EmadIbrahim <EIbrahim@xxxxxxxxx>; 
Myrna5@xxxxxxxxxxxxxx <Myrna5@xxxxxxxxxxxxxx>; Istvan Novak 
<istvan.novak@xxxxxxxxxxx>; junichi.yamada.ak@xxxxxxxxxxx 
<junichi.yamada.ak@xxxxxxxxxxx>; Cosmin Iorga <ci42775@xxxxxxxxx>
Subject: Re: [SI-LIST] Re: Controlled ESR capacitor

Hi Chris,

Thank you for your comments. 

Both, 30-40 and 100-200 MHz jitter 

components are important. There is no 

point to sacrifice one, or other. 

This was special experiment to validate  

the role of board decoupling on 

interaction of two logic domains inside 

the chip which shared the same 

power supply: core logic was switching 

(Aggressor) impacting routing 

component's and clock tree' jitter (victims). 

 PLL on clock tree was using other, quiet 

power supply.  Scale is the same as on 

figure 4: (jitter at core switching)/(jitter 

at core quiet).

Let me know if you have more questions.

Thank you.

Iliya





On Aug 29, 2018 11:10 AM, "Cheng, Chris" <chris.cheng@xxxxxxx> wrote:
Why do you think it is worth sacrificing the 100-200MHz jitter performance with 
high cap count for the narrow range of 30-40MHz jitter performance with lower 
cap count ? 
In the world of XbitY coding for the 10+Gb/s world, I would think the 
100-200Mhz jitter performance is much more important than those 30-40MHz. 
To me, the best conclusion I can draw from the two graph seems to point out the 
price we pay for the obsession of jitter transfer over jitter accumulation. 
Clearly the 30-40Mhz jitter peaking could be fixed by uping the PLL loop 
bandwidth from around 10MHz to 40+MHz. In the name of saving a few $ in cheap 
clock source, we paid this price for all PLL jitter accumulation downstream. 
To recap : 
a) Who would feed a PLL with raw unfiltered power and rely on decoupling cap 
ESR to maintain PLL jitter performance ? 
b) Why is it worth sacrificing 100-200MHz jitter performance to a lower band 
30-40MHz ? 
Also, what was the vertical scale of the graphs ? 

Chris Cheng 
Distinguished Technologist , Electrical 
Hewlett-Packard Enterprise Company 
  
+1 510 344 4439/ Tel 
chris.cheng@xxxxxxx / Email 
940 N. McCarthy Blvd., Milpitas, CA 95035 
USA 



-----Original Message----- 
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx [mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On ;
Behalf Of Iliya Zamek 
Sent: Monday, August 27, 2018 8:39 PM 
To: binayaks@xxxxxxxxx 
Cc: dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx; Cheng, Chris <chris.cheng@xxxxxxx>; 
tom@xxxxxxxxxxxxxxxxx; si-list@xxxxxxxxxxxxx; FRED MOTTER 
<motter@xxxxxxxxxxxxx>; FRED B <FRED@xxxxxxxxxxxxx>; Jacques Tazartes 
<jacquest15@xxxxxxxxxxxxx>; EmadIbrahim <EIbrahim@xxxxxxxxx>; 
Myrna5@xxxxxxxxxxxxxx; Istvan Novak <istvan.novak@xxxxxxxxxxx>; 
junichi.yamada.ak@xxxxxxxxxxx; Cosmin Iorga <ci42775@xxxxxxxxx> 
Subject: [SI-LIST] Re: Controlled ESR capacitor 

Somehow my email was distorted. Re-sending.  

Hi Binayak, 
Your effect description is correct. 
If you look at papers which links were included in my email sent 2 days ago 
(August 25) you can see the graph that described exactly the same - how low 
PCB impedance causes rising on-die transients. 
If you could not find these papers, you might connect me off-line and I'll send 
it to you. 
Thank you. 
Iliya. 


------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
  Â  Â  Â  Â  Â  Â  http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:  Â  
    Â Â Â  //www.freelists.org/archives/si-list
 
Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
 Â Â Â  Â Â Â  http://www.qsl.net/wb6tpu
  

  
------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:     
                //www.freelists.org/archives/si-list
 
Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu
  

Other related posts: