摘要：随着SerDes芯片集成度，复杂度，传输速率的不断提高，传统的自动化测试系统已经无法满足SerDes测试速率需求。为解决该测试难题，通过Nautilus UDI方案的导入，成功得实现了32 Gbps SerDes在93000平台上量产测试。本文将介绍Nautilus UDI方案是如何实现高速SerDes测试的,包括UDI结构,输入时钟设计，Load board设计，socket选型等多个测试环节。
关键词：SerDes; 93000; 32 Gbps
32 Gbps SerDes High Speed I/O Production Test Solution
Cao Xurong，Fang Yanfeng，Wang Yeqing
（Advantest China Co. Ltd,Shanghai 20170327）
Abstract: With the development of SerDes at integration, complexity and transmission data-rate, the traditional automatic testing system is unable to meet the testing demand of data rate of high speed I/O. In order to solve the test problem, it is achieved to test 32 Gbps SerDes high speed I/O on 93000 platform through the introduction of the Nautilus UDI solution. In this paper, we will introduce how to realize 32 Gbps SerDes testing with Nautilus UDI Solution, including UDI structure, Reference clock design, load board design and socket.
Key words: SerDes; 93000; 32 Gbps
0 引言
随着信息通信技术的发展，对数据传输的速率、效率要求越来越高，传统并行接口的速度已经达到一个瓶颈，速度更快的串行接口是技术发展趋势。于是原本用于光纤通信的SerDes技术成为了高速串行接口的主流。
SerDes自动化测试受制于测试系统传输速率限制及硬件设计，导致SerDes测试远远落后SerDes芯片的发展。爱德万经过多年的研发及高速IO测试经验的积累，基于93000平台研发出了一套完善的,最高速率支持到32.8 Gbps测试方案（Nautilus UDI），弥补了16G-32.8 Gbps SERDES高速IO自动化测试的空白。如图1：93000平台提供了支持最高速率速率为9 Gbps, 16 Gbps, 32.8 Gbps多种传速速率SerDes测试方案。
图1：93000 0-32G传速速率测试方案
1 SerDes
SerDes是英文Serialize (串行器)/De-Serialize (解串器) 的简称。它是一种主流的时分多路复用(TDM)、点对点(P2P)的串行通信技术。即在发送端多路低速并行信号被转换成高速串行信号，经过传输媒体(光缆或铜线)，最后在接收端高速串行信号重新转换成低速并行信号[1]。日常见到的消费类电子产品中的PCIE、SATA等接口即是SerDes技术的应用案例。
SerDes主要由PLL组成时钟模块, 控制模块，发射器和接收器组成（如图2所示）。为了解决测试难题及降低测试成本，如今的SerDes还添加了伪随机码（PRBS）产生器, 伪随机码（PRBS）检验器和环回路径等模块辅助测试。
图2：SerDes结构
2 SerDes测试
SerDes测试主要分BIST测试和high speed I/O测试。BIST测试主要依赖于芯片内部的测试模块，测试芯片功能是否正常，其主要特点是测试效率高，成本低，对load board等硬件制作要求低，但无法测试芯片的特性，测试覆盖率相对较低，并且无法失效定位。而High speed I/O测试基本可以满足所有SerDes测试需求，测试覆盖率高，但是对于硬件制作要求高，测试成本高。
SerDes High speed I/O 依据测试模块可分成接收器测试和发送器测试两大部分。接收器性能指标主要有：灵敏度测试，抖动容忍度测试，skew测试，阻抗测试等。发送器性能指标主要有：输出幅度测试，眼高，眼宽测试，上升下降时间测试，抖动测试（TJ，RJ/DJ）,眼图测试，共模电压测试，skew测试，阻抗测试等[2]。
3 Nautilus UDI方案
Nautilus UDI（下面我们简称UDI）方案如图3所示，93000发送4路8 Gbps信号至UDI，经UDI内部MUX合成成1路32 Gbps信号至芯片，结合芯片内部伪随机码检验器实现接收器测试。芯片内部发射器发送32 Gbps 信号，通过DEMUX分解成4路8 Gbps信号后，被93000采样测试分析，实现了发射器测试。借助芯片parallel loop back模型[3]，在实际的量产中我们通常以环回眼图测试来覆盖接收器和发送器。UDI测试速率为16G~32.8 Gbps (未来最高速率可达64 Gbps) ，能够支持最多16组接收器和发射器测试。
Nautilus UDI（下面我们简称UDI）方案如图3所示，93000发送4路8 Gbps信号至UDI，经UDI内部MUX合成成1路32 Gbps信号至芯片，结合芯片内部伪随机码检验器实现接收器测试。芯片内部发射器发送32 Gbps 信号，通过DEMUX分解成4路8 Gbps信号后，被93000采样测试分析，实现了发射器测试。借助芯片parallel loop back模型[3]，在实际的量产中我们通常以环回眼图测试来覆盖接收器和发送器。UDI测试速率为16G~32.8 Gbps (未来最高速率可达64 Gbps) ，能够支持最多16组接收器和发射器测试。
图3：UDI测试方案模型
3．1 Nautilus UDI工作原理
UDI主要由MUX和DEMUX 2部分电路组成。MUX内置1个4：1多路复用器（如图4所示），通过RX_CLK（4 Ghz）x2倍频时钟控制第一级2：1复用器，实现AC, BD合成，经过X4倍频时钟控制第二级2：1复用器后转换成ABCD。再通过一个输出幅度（0～1200mV）可调的放大器及10db衰减器作为输出(0~260mV)，满足了测试接收器灵敏度功能及精度需求。RX_CLK除了提供复用器触发时钟外，通过在RX_CLK上增加抖动的方式来实现在输出信号上添加抖动，从而达到测试接收器容忍度的目的。DEMUX结构和MUX近似，内置1个1：4多路解复用器，并且在DEMUX前增加了一个无源的均衡器，使因路径插损造成畸变的信号更平坦，降低因路径造成的码间干扰。
图4：MUX和DEMUX结构
3．2芯片输入时钟
SerDes对于参考时钟有较高的要求，输入时钟的RJ会被SerDes混入，无法测试出芯片真正的Jitter， 如图5所示使用RJ=1ps的参考时钟（SerDes要求RJ<400fs），眼图散点太多无法保证测试稳定性。为此我们选用了一个标准化模块Jitter Attenuator Module（简称JAM），通过93000对其可编程控制，实现了不同频率时钟输入降噪处理，经过JAM后的参考时钟RJ降低到300fs以内（如图6），扫描的眼图没有散点（如图7），保证了量产测试稳定性。
图5:RJ=1ps系统时钟条件下，PLB眼图
图6: JAM输出时钟相位噪声指标
图7: 使用JAM作系统时钟PLB眼图
3.3 Load Board 设计
SerDes高速IO接口测试，对发射和接收管脚外围电路的信号完整性要求是很高的，稍有不慎，就会导致测试结果出现巨大误差。对于SI规则我们提出了以下几点：
1） 对于TX,RX全链路（包含过孔）的TDR要求是单端阻抗50Ω±5Ω,差分阻抗要求100Ω±10Ω。
2） 需要考虑封装因素，做到以lane间的衰减相等代替原先只考虑Load board的走线的等长。
3） 对于Load Board的材质，尽量使用介电常数小的材质，如Roger,Megtron6,Necole等，介电常数越小，线损衰减也越小[4]。
4） 全链路采用高速布线的要求（线宽，间距需满足一定比例，信号包地处理等）。
5） Load board设计完成之后必须使用“3D”仿真，以满足S21>-3db@15GHz;S21>-6db@30GHz的要求。
3.4 Socket选择
Socket也是测试过中比较重要的部分，主要有pogo pin和导电胶2种材质，Pogo pin的socket耐用性好，高低温差异不大，适合量产使用。导电胶 socket 由于加工工艺特性，信号衰减小，适合高频测试，但是由于其不耐磨，无法满足大批量生产的需要，所以只适合特性测试。
4测试结果
应用UDI的方案我们对32 Gbps SerDes芯片进行了PRBS15 Loopback测试，UDI测试的眼宽眼高分别为19ps,270mV(图8)，和DCA量测结果(图9)基本保持一致。
图8：UDI眼图SHMOO扫描
图9：DCA 实测结果
5 结论
Nautilus UDI方案提供是一套实现高速I/O接口特性测试及量产测试自动化的完善方案，一经推出即得到许多国内外客户的认可，并且与国内某知名半导体公司合作，实现了多个25～32G Bps SerDes芯片的稳定量产，相信未来能够帮助更多还在为高速SerDes测试而困扰的客户解决高速I/0测试这个难题。
参考文献：
[1] SERDES 百度文库．201-07-17[引用日期2016-12-26]
[2] 刘潇骁,SerDes电路的可测性集成设计与机台测试，《国防科学技术大学》, 2013
[3] D. Keezer, D. Minier, P. Ducharme and A. Majid, “An Electronic Module for 12.8 Gbps Multiplexing and Loopback Test,” IEEE International Test Conference 2008.
[4] Eric Bogatin. Signal and Power Integrity - Simplified, Second Edition. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall. 2009. ISBN 978-0-13-234979-6.
Nautilus UDI方案提供是一套实现高速I/O接口特性测试及量产测试自动化的完善方案，一经推出即得到许多国内外客户的认可，并且与国内某知名半导体公司合作，实现了多个25～32G Bps SerDes芯片的稳定量产，相信未来能够帮助更多还在为高速SerDes测试而困扰的客户解决高速I/0测试这个难题。
参考文献：
[1] SERDES 百度文库．201-07-17[引用日期2016-12-26]
[2] 刘潇骁,SerDes电路的可测性集成设计与机台测试，《国防科学技术大学》, 2013
[3] D. Keezer, D. Minier, P. Ducharme and A. Majid, “An Electronic Module for 12.8 Gbps Multiplexing and Loopback Test,” IEEE International Test Conference 2008.
[4] Eric Bogatin. Signal and Power Integrity - Simplified, Second Edition. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall. 2009. ISBN 978-0-13-234979-6.
