Design von High-Speed Serial-Links: Zwei Dinge, die Links funktionieren lassen (und zum Scheitern bringen)

Gastautor: Donald Telian (SI Guys) – Experte für Signalintegrität, Mitbegründer von IBIS und Autor des Buches „Signal Integrity, In Practice”.

Warum funktionieren Serial Links?

In diesem Beitrag erklärt Donald Telian, dass genau die beiden Faktoren, die Links funktionieren lassen, auch dafür verantwortlich sind, dass sie versagen – wenn sie nicht richtig umgesetzt werden. High-Speed-Links funktionieren elektrisch, wenn Sie:

1. Liefern Sie eine Genauigkeit von ~10 mV vom Sender (Tx) zum Empfänger (Rx).
2. Auf Systemebene richtig ausgleichen

In diesem Blogbeitrag werden die wichtigsten technischen Voraussetzungen beschrieben, um beides richtig zu machen. Donald hat mit Zehntausenden von Verbindungen in der Produktion festgestellt, dass die serielle Technologie überraschend robust ist: Wenn die Grundlagen stimmen, funktionieren die Verbindungen auf Anhieb. Wenn diese Grundlagen jedoch übersehen werden, klingelt sein Telefon.

Diese Grundlagen werden auch Thema eines Interviews mit Donald und Ralf Brüning (Zuken) sein, das wir demnächst aufnehmen werden. Wir würden uns sehr über Euren Input dazu freuen.

Stellt eure Fragen oder Vorschläge in den Kommentaren unten. Er könnte Teil der Diskussion werden, die am 15. September 2025 veröffentlicht wird.

Jedes neue Produkt – von Kfz-Radargeräten bis hin zu 112-Gb-Ethernet-Switch- Cards – basiert heute auf dem Design von High-Speed- Serial-Links. Diese Links übertragen Daten mit 7 bis 70 Gbit/s über nur wenige Differentialpaare, versetzen Ingenieure jedoch auch in eine Welt, in der Chip- to-Chip- Channels sich wie HF-Netzwerke und nicht wie Gleichstromleitungen verhalten. Ein gesunder 1-V-Schwankungsbereich am Sender kann sich am Empfänger auf kaum 10 mV verringern. Das Design innerhalb dieses engen Millivolt-Fensters ist möglich, aber nur, wenn Sie die beiden oben genannten Grundlagen beherrschen.

Den vollständigen Podcast ansehen

Bevor wir tiefer einsteigen, hör dir am besten Donalds Erläuterungen zu den Grundlagen im 30-minütigen SI-Guys-Podcast an. Dort bekommst du praxisnahe Beispiele aus Designs mit 7 bis 70 Gbit/s, lernst typische Fehler kennen, die Verbindungen zum Scheitern bringen – und erfährst, welche Lösungen du direkt anwenden kannst.

• Jetzt ansehen (YouTube) and download the accompanying slideset

Die zwei Grundlagen für zuverlässige Links

Alles lässt sich also auf zwei grundlegende Designprinzipien zurückführen. Wenn du diese konsequent beherzigst, steigt die Wahrscheinlichkeit deutlich, dass deine Links auf Anhieb funktionieren.

1) ~10 mV Genauigkeit an den Empfänger liefern

Bei den heutigen Geschwindigkeiten zählt jedes Millivolt. Wenn zwischen Sender und Empfänger zu viel Signal verloren geht, kann selbst die beste Entzerrung es nicht zurückholen. Stell dir den Kanal – bestehend aus Leiterbahnen, Durchkontaktierungen und Steckverbindern – wie ein Finanzamt vor, das bei jeder Unterbrechung und jedem Verlustfaktor eine „Millivolt-Gebühr“ kassiert. Sinkt dein Konto insgesamt unter 10 mV, geht dem Empfänger die Marge aus.

Breakout-Vias, Anschlusspads und kurze Durchkontaktierungen sind die üblichen Übeltäter. Eine Time-Domain-Reflektometer-Kurve (TDR), die Schwankungen von mehr als ±10 Ω um die Zielimpedanz (z. B. 85 Ω) zeigt, weist bereits vor der Laborzeit auf Probleme hin.

2) Wende die richtige System-Equalization (EQ) an.

Moderne Serializer/Deserializer-Geräte (SerDes) verfügen über digitale Signalverarbeitungs-Engines (DSP), die Techniken zur Entzerrung der Serial Links ausführen, wie zum Beispiel:

• CTLE (Continuous-Time Linear Equalization) – Man kann es sich so vorstellen, als würde man die Höhen aufdrehen, um verlorene Details im hohen Frequenzbereich wiederherzustellen.
• FFE (Feed-Forward Equalization) – Formt das Signal am Sender, um erwartete Kanalverluste auszugleichen.
• DFE (Decision-Feedback Equalization) – Entfernt Verzerrungen, die durch vorherige Bits verursacht wurden, sobald das Signal empfangen wird.

Richtig eingesetzt, wandelt der EQ diese winzige 10-mV-Wellenform wieder in etwas um, das Ihr Empfänger zuverlässig decodieren kann. Falsch eingesetzt, verstärkt er Rauschen und Jitter.

Ein guter Ausgangspunkt:

• Schalte zuerst alle Tx EQ aus
• Lasse den adaptiven EQ des Rx seine Arbeit tun
• Nur das Minimum an Tx-Taps hinzufügen, die der Rx nicht selbst generieren kann

Herausforderungen bei der Signalintegrität bei Multi-Gbps

Sobald man diese beiden Grundsätze aus den Augen verliert, treten in der Regel drei große Probleme auf:

1) Entzerrung, die nicht stimmt – Automatische Einstellungen können den optimalen Punkt über- oder unterschreiten. Es ist nicht allzu schwierig, die EQ-Einstellung zu erlernen, sobald man einige Grundlagen verstanden hat – insbesondere die Impulsantwort des Kanals. Die Impulsantwort ist die Identität (der Fingerabdruck) des Kanals und gibt Aufschluss darüber, wie man den EQ mathematisch einstellen muss.

2) Kleine Unebenheiten im Kupfer – Jede Durchkontaktierung, jedes Kondensatorpad und jeder Stub wirkt wie eine Bodenwelle, die einige wertvolle Millivolt kostet. Donald listet acht Möglichkeiten auf, um diese Probleme zu beheben, aber in neun von zehn Fällen ist die beste Lösung, die Unebenheit zu entfernen oder sie so umzuformen, dass sie der umgebenden Impedanz entspricht.

3) Crosstalk zwischen Leiterbahnen – Häufig verursacht durch Lücken in den Masse- oder Stromflächen. Als Faustregel gilt, dass zwischen High-Speed-Paaren ein Abstand von mindestens 30 mil einzuhalten ist und empfindliche Leiterbahnen niemals unter einer großen Flächenlücke verlaufen sollten. Selbst ein Abstand von 6 mil kann etwa 1 mV pro mil Überlappung koppeln – was bei einem Gesamtbudget von nur 10 mV eine enorme Belastung darstellt.

Sender- vs. Empfängerentzerrung (High-Speed Links)

Es gibt zwei Hauptarten der Entzerrung:

• Tx equalization – Die Vor-/ Nachverzerrung verstärkt oder dämpft bestimmte Frequenzen, bevor das Signal den Sender verlässt.
• Rx equalization – CTLE stellt hochfrequente Inhalte wieder her, und DFE unterdrückt Intersymbolinterferenzen nach dem Empfang des Signals.

Balancing the two:

Durch Befolgen dieser Schritte lassen sich die klassischen „EQ-Kriege“ vermeiden, bei denen Tx und Rx sich gegenseitig überkorrigieren, was zu einer suboptimalen Leistung, Stromverschwendung und sogar zu Verbindungsausfällen führt.

Design Checkliste

Ein schneller Fünf-Stufen-Check vor der Freigabe, um sicherzustellen, dass die Leiterplatte weiterhin die Genauigkeitsvorgabe von 10 mV erfüllt und der EQ seine Aufgabe erfüllen kann:

1. Unterbrechungen verwalten oder entfernen. Modellierung aller Durchkontaktierungen, Steckverbinder und Pad-Übergänge sowie Anpassung Ihrer End-to-End-Impedanzen. TDR-Diagramme zeigen sowohl die Größe als auch die Position von Diskontinuitäten an.
2. Fingerabdruck des Kanals frühzeitig erstellen. Die Impulsantwort, die sich leicht durch Simulation erzeugen lässt, zeigt ob deutliche Verluste oder scharfe Reflexionen vorliegen, und gibt Aufschluss darüber, wie der EQ eingestellt werden muss.
3. Backdrill oder Stubs kürzen. Ein 100-mil-Stub bei 28 Gbit/s kann ein Signal zerstören und die gesamte Augenkontur entfernen. Verwende Backdrill oder Blind-/Buried-Vias.
4. Vorsicht bei Cut-Outs. Leerräume in Ebenen begünstigen Übersprechen. Halte den Boden unter High-Speed-Paaren durchgehend und verwende Stitching-Vias, um Rückwege aufrechtzuerhalten.
5. EQ Optimieren. Programmiere alle Tx/Rx-EQ-Register mit Werten, die für die Komponenten und das Verhalten Ihrer Verbindung geeignet sind. Das spart Tage, wenn neue Chips eintreffen.

Ready to Level Up?

• Live SI Guys Training – München, 29.-30. Oktober 2025: Eine zweitägige, anbieterneutrale Vertiefung aller oben genannten Themen. Nimm teil und lerne Gen2 SI kennen, um mit Signalintegrität in der Praxis erfolgreich zu sein. Jetzt anmelden
• 15. September 2025: Donald tauscht sich mit Ralf Brüning (Zuken) über die neuesten Trends im Bereich High-Speed-SI aus und gibt dabei Design-Tipps und erzählt Anekdoten aus der Praxis.

Wir freuen uns auf eure Fragen an Donald und Ralf!

Postet eure Fragen in den Kommentaren unten – wir werden die Beiträge prüfen, um die Diskussion vorzubereiten. Das ist eure Chance, Einfluss auf das zu nehmen, worüber zwei der führenden SI-Experten der Branche diskutieren werden. Und vergesst nicht, euch für Updates anzumelden, damit ihr bei Veröffentlichung der Diskussion sofort informiert werdet.