[SI-LIST] Observations on channel skew

  • From: "Wilson, Ralph (Nokia - US/Naperville)" <ralph.wilson@xxxxxxxxx>
  • To: si-list@xxxxxxxxxxxxx
  • Date: Wed, 14 Jun 2017 13:18:07 -0500

I've recently been doing some post-route / pre-fab analysis on some 25G 
channels
between an FPGA and a couple QSFPs on one of our boards.  Some 
"discoveries" (for me at
least) I thought worth sharing. These might be obvious to those sage 
gurus and
experts out there, but to us mumbling meathead skulkers who normally sit 
back with
our shades on and bask in the wisdom and knowledge that flows forth from 
this
illustrious forum there might be something to be gained herein - or, as 
likely, debated.

As mentioned, the channels under evaluation run between an FPGA and two 
QSFPs on
board and are intended to operate at 25Gbps (each, 100Gbps aggregate).
No connectors (other than the QSFP itself) are involved.  The board has an
impedance controlled stackup, a G-S-G-S-G layer assignment, (relatively) 
low loss
material, spread weave glass, VLP copper and will have back-drilling. 
The longest channels
are ~16 cm in length.  The longest channel actually routes south, east, 
north, west,
and finally, south - making a net 360 degree route - all without skew 
compensation
(a flag went up!).

For channel analysis I pulled out the SFF-8679 standards which call out 
IEEE 802.3bj
OIF CEI v3.1 (among others), which subsequently led to the 100GBase-KR4 
and CEI-28G-SR
specifications as being applicable to these particular channels (optical 
SFPs).

I built 3D models of all vias. Since I want to include via-to-via 
coupling between
channels to include in the FEXT/NEXT analysis, the 3D models included 
multiple via
pairs where appropriate (my engineering guess).  Coupling was set to 
pick up multiple
neighbors and the channel "bundles" (all Tx/Rx channels to/from each 
QSFP) were
exported into a single .s32p Touchstone file for analysis.

Results:
100GBase-KR4:
     - Sdd21 - passes with margin
     - Sdd11 - passes with margin
     - Sdd22 - passes with margin
     - COM - passes with margin (~7 dB)

CEI-28G-SR:
     - Sdd21 minimum - passes with margin
     - Sdd21 maximum - passes with margin
     - Sdd11 - passes with margin
     - Sdd22 - passes with margin
     - NEXT - (don't have a real good way of explicitly 
displaying/viewing this,
                 so since COM is good, I assume this is ok)
     - FEXT - ditto NEXT
     - Fitted attenuation - calculated - ok
     - IL Deviation - passes with margin
     - ICN - not calculated, but based on COM analysis - ok

Initial conclusion - all metrics associated with the channels look good 
- all pass with margin.
Surprisingly, even without skew compensation, the channels look good! 
Hey! we're good to go!

Not.

Product management steps in and says they want to have the option of 
running copper SFPs.
Oops.  Re-open the book and add 100GBase-CR4 to the mix.

Results:
100GBase-CR4 as applied to the Host board (Annex 92A)
     - Sdd21 - fails (but this is for a 5m cable, we anticipate a 2m 
cable, so need to investigate further)
     - Sdd11 - passes with margin
     - Sdd22 - passes with margin
     - COM - passes with margin

Still looking good.  However, 802.3bj for the cable assembly has a few 
additional requirements.  For
good measure, I choose to apply these to the host board as well:
     - Scd11 - passes with margin
     - Diff to com mode conversion loss: |Scd21 - Sdd21| - I see 
failures!!!!!!
     - Scc11 - passes with margin
     - Scc22 - passes with margin

After all the analysis, the only metric showing a problem is the 
differential to common mode conversion
loss.  A little thinking tells me this could be due to the lack of skew 
management on the channels - the
worst offender is the longest channel with the most bends and, hence, 
the greatest skew.

I export the channel to a sandbox, add skew compensation to every bend, 
extract new S-parameters
and run them through the various analyses: all pass with greater margin 
than before, and the
diff to com mode conversion metric now passes with flying colors.

Overall observations / conclusions:
*) At these rates, skew is important - we know that - why do the channel 
specifications in the
     100GBase-KR, CEI-28G-SR (and likely many others) not detect skew?

*) At 25Gbps, a bit is only 6mm "long" on a typical PWB trace (someone 
can check my math - I'm
     notorious for dropping decimal points). A typical backplane channel 
might have as many as 50 or more
     bits simultaneously propagating on it at any point in time. Wrap 
you head around that!

*) One rule of thumb says for a 25Gbps channel we want no more than 
~75um skew at any point in the channel - yet
     each bend on this board added about 260um of skew - yet all of the 
"standard" channel metrics were
     happy - in fact had margin - with a net total of 2mm skew on the 
worst channel analyzed!???

and finally,

*) I don't care what standard is appropriate for future analysis of any 
particular channel - I will
     be applying the differential to common mode conversion test to ALL 
channels operating near
     or above 25Gbps. I'm also interested/open to other S-parameter 
metrics that are suitable
     as channel skew indicators.

Thanks for listening,
Ralph Wilson
Nokia



------------------------------------------------------------------
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:

  • » [SI-LIST] Observations on channel skew - Wilson, Ralph (Nokia - US/Naperville)