SnP 파일 기반 SPISim을 활용한 COM 분석 및 Crosstalk 평가

 

 

Introduction 

이번 호에서는 SnP 파일을 활용한 채널 특성 분석 방법을 다룹니다. 고속 신호 전송 환경이 복잡해지면서 채널에서 발생하는 다양한 간섭 현상을 정량적으로 평가하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 특히 Near-End Crosstalk(NEXT), Far-End Crosstalk(FEXT), Inter-Channel Noise(ICN)와 같은 주요 파라미터는 신호 무결성(SI)을 확보하기 위한 핵심 지표로 자리 잡고 있습니다. 본 글에서는 SnP 파일을 기반으로 SPISim의 Channel Operating Margin(COM) 분석을 활용하는 구체적인 절차를 소개합니다. 이를 통해 NEXT, FEXT, ICN을 직접 확인하고, 두 기능이 채널 특성을 분석하는 접근 방식에서 어떤 차이를 가지는지 비교합니다. 마지막으로 이러한 절차를 바탕으로 Crosstalk과 ICN을 단계별로 추출하여 실무에 적용할 수 있는 가이드를 제공합니다.

 

■ 고속 신호 환경과 채널 특성 분석의 필요성

요즘 전자기기의 데이터 전송 속도는 점점 빨라지고 있습니다. 속도가 빨라질수록 채널 안에서는 여러 가지 간섭 현상이 생기게 되는데, 이를 제대로 관리하지 않으면 신호 품질이 쉽게 무너질 수 있습니다. [그림 1]처럼 대표적으로 많이 언급되는 것이 Near-End Crosstalk(NEXT), Far-End Crosstalk(FEXT), 그리고 Inter-Channel Noise(ICN)입니다.

• NEXT (Near-End Crosstalk) : 송신단 근처에서 발생하는 간섭으로, 전송선 간의 전자기 결합에 의해 인접한 선로로 신호가 섞여 들어가는 현상
• FEXT (Far-End Crosstalk) : 신호가 전송선을 따라 진행하면서 수신단 쪽에서 나타나는 간섭으로, 커플링이 누적된 결과 수신단에서 관측되는 현상
• ICN (Inter-Channel Noise) : 여러 채널이 동시에 동작할 때 발생하는 Crosstalk 성분이 합쳐져 누적된 잡음

 

[그림 1] Aggressor-Victim 라인 간 Crosstalk 경로

 

이러한 파라미터들은 단순 삽입 손실(Insertion Loss)이나 반사 손실(Return Loss)만으로는 확인할 수 없는 신호 열화 메커니즘을 설명해줍니다. 따라서 NEXT, FEXT, ICN을 정량적으로 평가하고 관리하는 것이 중요합니다.

 

■ 분석 도구 소개: SPIsim

SPISim을 간략히 소개합니다. SPISim은 고속 인터페이스의 채널을 빠르게 평가·검증하기 위한 채널 분석/모델링 플랫폼으로, 측정·해석 데이터(Touchstone 등)와 IBIS/IBIS-AMI 모델을 한 흐름에서 다룰 수 있게 설계되었습니다. 핵심은 [그림 2]처럼 두 모듈입니다. VPro는 [그림 3]처럼 S-파라미터와 파형 데이터를 불러와 포트/임피던스 정리, 혼합모드 변환, 디임베드·캐스케이드 같은 전처리부터 NEXT/FEXT, PSXT, ICN, IL/RL 산출과 리포트 자동화까지 담당합니다. MPro는 송수신기 IBIS/AMI 모델을 작성·튜닝을 검증합니다.

 

[그림 2] SPISim Module의 종류

 

[그림 3] (a) Module: VPro (b) Module: MPro 에서 제공하는 기능

 

SPIsim은 [그림 4]처럼 AEDT실행 후 Tools 탭에 SPIsim을 클릭하여 실행할 수 있습니다.

 

[그림 4] SPISim 실행

 

■ COM(Channel Operating Margin) 이란 무엇인가?

COM은 채널에서 신호 강도 대비 잡음 여유(margin)를 표현하는 지표로, 일종의 SNR(Signal-to-Noise Ratio)입니다. 단순 IL이나 RL처럼 각각의 성능 지표만 보는 대신, 신호 간섭과 잡음, Equalizer(EQ) 효과까지 한 번에 판단할 수 있는 통합적 도구입니다.

 A_S : 수신단에서 관측된 Peak Signal amplitude

N : Peak BER 노이즈 성분 (수신 신호 품질을 가장 크게 악화시키는 노이즈)

 

이 방식은 신호 전달 품질 저해 요소(예: Crosstalk, ISI, jitter)와 이퀄라이저 적용 결과를 모두 고려해, 채널이 어느 정도 여유를 남기고 정상 동작할 수 있는지를 수치로 평가합니다. 이처럼 COM은 채널 품질을 단일 수치로 나타내며, 전통적인 지표 관리 방식의 두 가지 한계, 즉 1. 지표 간 상호작용을 반영하지 못하는 점과 2. Tx/Rx EQ 효과를 반영할 수 없는 점을 극복할 수 있도록 고안되었습니다. 따라서 COM은 고속 채널(25Gbps 이상) 설계 및 검증에서 필수적으로 사용되는 지표로 자리 잡고 있으며, 실제로 채널이 얼마나 여유를 두고 정상 동작할 수 있는가를 직관적으로 알려주는 강력한 기준이라 할 수 있습니다.

 

■ SPIsim Channel Operating Margin(COM)

먼저 SPIsim이 실행되면 [그림 5]와 같이 S-Parm탭에서 Generate Report > Chanel Operating Margin 클릭하여 COM Toolkit을 실행합니다.

 

[그림 5] COM Toolkit 실행

 

COM분석을 시작하기 위해서는 먼저 [그림 6]처럼 “Thru type S-Param” 항목에 채널의 SnP 파일을 불러와야 합니다. 이 SnP에는 Victim 채널(분석 대상)과 Crosstalk을 유발하는 Aggressor 채널에 대한 정보가 포함되어 있어야 하며, COM 계산에서 기준이 되는 데이터로 활용됩니다.

 

[그림 6] SnP 파일 불러오기

 

[그림 7]처럼 Victim 채널을 기준으로 주변에 여러 Aggressor 채널이 존재할 때, COM 분석에서는 이들을 모두 고려해 THRU, NEXT, FEXT 응답을 계산합니다. Victim 채널의 신호 전달 특성은 THRU 경로를 통해 평가하며, 각 Aggressor 채널은 Victim에 유입되는 근거리 간섭(NEXT)과 원거리 간섭(FEXT) 경로를 형성합니다. COM 스펙은 이러한 분석을 위해 Victim과 각 Aggressor 쌍을 묶은 4포트 단위의 S-파라미터(s4p)를 요구하는데, Victim 하나당 Aggressor가 5개라면 총 1(THRU) + 5(NEXT) + 5(FEXT) = 11개의 s4p가 필요합니다. 하지만 실제로는 멀티포트 S-파라미터 파일(s12p, s20p 등) 하나에 모든 정보가 포함되어 있으므로, 툴이 내부적으로 필요한 부분만 추출하여 Victim과 Aggressor 쌍별 4포트 데이터로 자동 분리(correlation)해 계산을 수행합니다.

 

[그림 7] Victim 및 Aggressor 쌍 간의 THRU, NEXT, FEXT 경로

 

 

그 다음 단계는 포트 순서(Port order)를 지정하는 것입니다. COM Report를 생성할 때 포트 매핑 방식은 [그림 8]처럼 Incremental과 Even-odd 두 가지로 구분됩니다. Incremental 방식은 포트가 순차적으로 증가하는 번호로 짝지어지는 것으로, 예를 들어 P1-P2, P3-P4, P5-P6 형태로 차동쌍이 구성되며 가장 단순하고 직관적인 방식이라 실제 설계에서 차동쌍이 물리적으로 순서대로 배열된 경우 주로 사용됩니다. 이 방식은 포트 매핑 오류 가능성이 낮아 간단한 레이아웃에서 특히 유용합니다. 반면 Even-odd 방식은 포트를 홀수-짝수 번호로 구분해 짝지어 주는 것으로, 예를 들어 P1-P3, P2-P4, P5-P7, P6-P8과 같은 형태를 가지며 레이아웃에서 포트 번호가 물리적 순서와 다르게 배치된 경우에 활용됩니다.

 

   

[그림 8] Port Mapping 방식

 

 

이는 PCB나 커넥터 환경에서 핀 배열이 교차되거나 포트 번호가 설계 순서와 불일치할 때 실제 회로의 페어링 관계를 유연하게 반영할 수 있다는 장점이 있습니다. 따라서 포트가 단순히 순서대로 묶여 있다면 Incremental 방식을, 홀짝 또는 교차 구조로 묶여 있다면 Even-odd 방식을 선택하는 것이 바람직하며, 올바른 방식을 선택하지 않으면 Victim과 Aggressor 매핑이 잘못되어 NEXT/FEXT 계산 결과가 왜곡될 수 있으므로 COM Report를 생성하기 전에 반드시 포트 배열을 확인해야 합니다. 또한, First thru port 옵션에서는 Thru(Victim 채널 지정)지정할 포트를 설정해야 하며, 이를 통해 분석 과정에서 어떤 포트를 메인 신호 경로로 삼을지를 명확히 정의할 수 있습니다.

COM Report를 생성할 때는 기본적으로 Incremental이나 Even-odd 방식으로 포트를 매핑하지만, 경우에 따라 이 두 가지 방식으로는 원하는 구조를 정확히 표현하기 어려울 수 있습니다. 예를 들어, 포트의 번호 배치가 Incremental이나 Even-odd 어디에도 해당되지 않는 독특한 배열을 가진 경우나, 특정 Victim Net에 대해서만 NEXT나 FEXT의 영향을 집중적으로 확인하고 싶은 경우가 있습니다. 이럴 때 [그림 9]처럼 Customized 활용하면 사용자가 직접 포트 매칭 순서를 정의할 수 있어, 분석 대상 네트워크를 유연하게 설정할 수 있습니다. 즉, Custom 방식을 사용하면 전체 채널을 일괄적으로 분석하는 대신 사용자가 지정한 특정 Net이나 특정 Aggressor와 Victim 조합만을 선택적으로 분석할 수 있으므로, 문제 발생 구간을 집중적으로 검증하거나 설계 특성을 반영한 맞춤형 분석이 가능합니다.

 

 

[그림 9] Port Customized UI

 

[그림 10]처럼 COM분석에 사용할 수 있는 표준 규격을 제공하며, 이를 통해 IEEE 802.3 및 MSA에서 정의한 채널 조건과 파라미터 세트를 쉽게 불러올 수 있습니다. 선택한 규격에 따라 채널 대역폭, 심볼 속도, 패키지·PCB 기생 요소, Crosstalk 모델링 방식, 이퀄라이저(EQ) 설정 등이 자동으로 설정되므로 사용하는 채널 환경에 맞는 규격을 선택하는 것이 중요합니다.

n   COM_100GBASE_CR4 → 100GBASE-CR4 케이블 채널용, PAM-4/NRZ 지원

n   COM_100GBASE_KP4 → 100GBASE-KP4 백플레인 환경, PAM-4 전송 기반

n   COM_100GBASE_KR4 → 동일 백플레인 환경에서 NRZ 기반 채널 분석용

n   COM_C2C_120d → 칩 간 인터커넥트(Chip-to-Chip) 환경 고려

 

 

[그림 10] 제공되는 COM 표준 규격

 

 

COM 시뮬레이션에서 어떤 매개변수 테이블을 선택해야 할지 확신이 서지 않는다면 [표1]의 f_b (채널 대역폭), L (인코딩 심볼 레벨), Include_PCB (PCB 기생 요소 고려), INC_PACKAGE (패키지 기생 요소 반영 여부) 네 가지 핵심 매개변수에 주목하세요. 이 네 가지는 채널 손실, Crosstalk, 아이 다이어그램 품질 등 COM 결과에 직접적으로 영향을 미치므로, 실제 시스템 환경과 동일하게 설정하는 것이 매우 중요합니다.

 

[표 1] 네 가지 핵심 매개변수

 

■ 결과 확인하기

COM 분석이 완료되면 그림과 같이 리포트 형식으로 결과를 제공합니다. 이 리포트에서는 [그림 11]처럼 채널 품질을 평가하는 데 중요한 지표들을 한눈에 확인할 수 있으며, 특히 COM, ICN, ILD 값은 설계 적합성을 판단하는 핵심 기준이 됩니다.

n   COM: 채널의 신호 대 잡음비(SNR) 기반 여유도를 나타내며, 단위는 dB입니다.

n   ICN: Victim 채널로 유입되는 전체 Crosstalk 노이즈 RMS 전압으로, 값이 높을수록 간섭 영향이 큽니다.

n   ILD: 이상적인 삽입 손실 대비 실제 채널의 편차(dB)를 나타내며, 값이 클수록 신호 열화 가능성이 커집니다.

또한 리포트에는 VEO(아이 오프닝), VEC(아이 클로저), Peak Interference, EQ 적용 후 신호 세기 등 세부 지표도 포함되어 있어 채널 품질을 종합적으로 평가하고 COM 마진에 영향을 주는 원인을 빠르게 파악할 수 있습니다.

 

[그림 11] COM 분석 리포트 결과 일부분

 

 

해석이 완료되면 SPISim에서 여러 종류의 *.raw 파일이 생성되며, [그림 12]처럼 이 파일들을 불러와 그래프 형태로 결과를 확인할 수 있다. 생성되는 주요 파일은 *_FD.raw(주파수 영역 데이터), *_TD.raw(시간 영역 데이터), *_ILD.raw(ILD 곡선) 등이 있으며, 특히 *_ILD.raw를 불러오면 채널 간섭(NEXT, FEXT)과 열화 특성 등 COM 분석의 핵심 결과를 한눈에 확인할 수 있다.

 

[그림 12] SPIsim으로 COM 결과 불러오기

 

[그림 13] COM 분석 Result

(a) ICN (b) PSFEXT/PSNEXT/PSXT (c) ICR (d) IL/ILD

 

SnP 파일을 SPISim에서 COM 규격에 맞춰 해석하면 채널 특성을 종합적으로 분석할 수 있으며, 다양한 결과를 통해 채널 성능을 직관적으로 평가할 수 있습니다. 해석이 완료되면 COM 분석 리포트가 생성되어 COM, ICN, ILD 등 주요 지표를 한눈에 확인할 수 있으며, 동시에 생성되는 *.raw 파일을 활용하면 [그림 13]처럼 삽입손실(IL), 반사손실(RL), Crosstalk(NEXT/FEXT), ILD(Insertion Loss Deviation) 등 채널 품질 지표를 주파수 및 시간 영역 그래프로 시각화 할 수 있습니다.

 

맺음말

이번 호에서는 SnP 파일을 기반으로 SPISim을 활용한 COM분석과 Crosstalk 평가 방법을 살펴보았습니다. COM 규격에 맞춰 채널 특성을 해석함으로써 삽입손실(IL), 반사손실(RL), Crosstalk(NEXT/FEXT), ILD 등 다양한 채널 품질 지표를 종합적으로 분석하고, 설계 단계에서 채널 성능을 직관적으로 평가할 수 있음을 확인했습니다. 또한, 해석 후 생성되는 보고서와 다양한 *.raw 파일을 활용해 주파수 및 시간 영역에서 채널 열화 원인을 시각적으로 파악하고, 이를 기반으로 최적화 방향을 효과적으로 설정할 수 있습니다.

앞으로 고속 신호 환경에서 채널 설계의 난이도가 점점 높아지는 만큼, 이번에 소개한 COM 기반 해석 방법을 실무에 적극 활용한다면 채널 성능 확보와 설계 효율성 향상에 큰 도움이 될 것으로 기대됩니다.