신호 및 전원 무결성

책 소개

제3판 서문 이 책 「Signal and Power Integrity—Simplified」 3판에는 2판에 중요한 부분을 새로 추가하였다. 바로 각 장의 끝부분에 있는 이해도를 테스트하고 강화하는 질문과 문제이다. 학생과 엔지니어는 이러한 질문에 답하고 문제를 풀어보면서 각 장에서 중요한 메시지를 습득하고 실제 문제를 해결하는 데 학습한 원리를 적용할 수 있는지 확인할 수 있다. 「Signal and Power Integrity—Simplified」 2판 출간 이후에 신호 무결성과 전력 무결성의 원리와 응용 방법과 분야는 달라지지 않았다. 전 세계를 돌아다니며 이 주제에 대해 강의하면서 그 어느 때보다 근본 원리가 중요하다는 것을 깨달았다. 기본 엔지니어링 원리와 간단한 근사식을 실제 문제에 적용하여 복잡해 보이는 문제까지도 해결할 수 있고 귀중한 통찰력을 얻을 수 있다는 사실에 놀랄 때가 많다. 이 책이 강조하는 바가 바로 이것이다. 이 책의 1판과 2판은 전 세계 수천 명의 엔지니어를 대상으로 신호 무결성과 전력 무결성 강의를 진행하면서 얻은 결과를 바탕으로 집필하였다. 이번 3판은 고속 직렬 링크를 사용하는 몇 가지 최신 사례와 콜로라도 대학교 볼더(University of Colorado Boulder) 캠퍼스에서 내 강의를 수강한 130여 명의 대학원생의 의견을 바탕으로 개정하였다. 학생들로부터 가장 많이 받은 피드백은 이해를 강화하고 테스트하는 데 도움이 되는 연습 문제를 원한다는 것이었다. 전문 엔지니어들에게 각 장의 끝에 문제를 추가한다고 말했을 때 압도적인 지지를 받았다. 엔지니어들은 도전적인 퍼즐과 문제를 좋아한다. 어려운 문제에 직면하고 이를 해결할 때마다 걸림돌을 디딤돌로 바꾸어 놓는다. 사람들은 종종 '직접 해보면서 가장 잘 배운다'라는 말을 하곤 하지만 나는 이 말이 완전히 맞는 말이라고는 생각하지 않는다. 나는 직접 해보는 활동에서 배운다고 생각하지 않는다. 직접 '해보는' 과정을 통해 근본 원리를 공부하면서 얻은 이해를 더욱 강화할 수 있다고 생각한다. 실험실에서 측정 결과를 해석하거나 시뮬레이션을 수행하거나 문제를 해결하는 등 근본 원리를 실제 현상에 적용할 때 머릿속에 있는 문제 해결 과정을 실행해보며 원리를 적용하는 방법을 알 수 있다. 엔지니어들은 문제를 해결하면서 “마침내 이해가 되었다”라고 내게 말했다. 이 책의 각 장의 맨 뒤에는 원리를 생각하게 만들어 결국 원리를 깨달을 수 있도록 도움을 주는 20~35개의 복습문제가 있다. 부록 D에는 복습문제의 답이 수록되어 있다. 추가 보충 정보는 웹사이트 www.beTheSignal.com에서 확인할 수 있다. 2017년 9월 에릭 보가틴 제2판 서문 「Signal Integrity—Simplified」 1판이 출간된 이후로 신호 무결성의 원리는 달라지지 않았다. 하지만 고속 직렬 링크 사용이 늘어나고 전원 무결성이 신제품 출시의 성공과 실패에 중요한 역할을 하고 있다는 점은 달라졌다. 이번 2판에서는 여러 장에서 특히 차동 쌍과 손실에 대해 세부 사항과 사례를 더욱 자세히 다루고 있다. 또한, 오늘날 엔지니어와 설계자의 요구를 충족할 수 있는 강력한 기반을 제공하기 위해 두 개의 새로운 장을 추가하였다. 새로 추가한 12장에서는 신호 무결성 응용 분야에서 사용되는 S-파라미터를 자세히 소개하고 있다. 고속 직렬 링크를 다루다 보면 S 파라미터를 접하게 된다. S 파라미터는 주파수 영역의 낯선 용어로 작성되어 있으므로 고속 디지털 설계자에게는 다소 어렵게 느껴질 수 있다. 이 책의 다른 모든 장과 마찬가지로 12장에서는 S 파라미터의 이러한 표현 방식을 이해하는 데 탄탄한 기초를 제공하여 모든 엔지니어가 S 파라미터의 강력한 기능을 활용할 수 있도록 도와준다. 12장에 이어 새로 추가한 13장에서는 전원 무결성에 대해 다룬다. 이 중요한 주제는 점점 더 설계 엔지니어의 몫이 되고 있다. 고속 응용 분야의 경우 전원 분배 경로를 이루고 있는 인터커넥트는 전원 공급뿐만 아니라 신호의 귀환 경로와 EMC 인증 시험의 통과에도 영향을 미친다. 13장에서는 전원 분배 인터커넥트의 역할을 소개하고, 설계와 기술의 선택이 전원 분배 네트워크의 성능을 어떤 방식으로 좋게 만들고 나쁘게 만드는지 설명한다. 평면 임피던스, 확산 인덕턴스, 디커플링 커패시터, 커패시터의 루프 인덕턴스의 근본 원리를 소개한다. 이러한 값진 통찰력은 엔지니어의 직관력을 기르는 데 도움을 주고 이를 통해 창의력을 발휘하여 새로운 설계 방법을 통합할 수 있게 해준다. 설계를 하고 그 설계의 성능을 분석하여 비용 대비 성능의 절충요소들을 탐색하고 PDN 임피던스 프로파일을 완벽하게 조정해 만들어낼 수 있도록 한다. 신호 무결성을 처음 접하는 경우라면 이 책 「Signal and Power Integrity—Simplified」 2판은 신호 무결성에 대해 강력한 기초를 다질 수 있는 출발점을 제공하고 신호 무결성 설계를 새로 시작할 때마다 처음부터 올바르게 이를 수행하는 데 도움을 줄 것이다. 제1판 서문 “모든 것은 가능한 한 간단해야 하지만 지나치게 간단해서는 안 된다.” 아인슈타인(Albert Einstein) 인쇄 회로 기판(printed circuit-board, PCB)과 IC 패키지 설계는 레이아웃(layout), CAD, 논리 설계(logic design), 열전달, 기계 공학, 신뢰성 분석에 대한 전문 지식이 필요한 분야였다. 최신 디지털 전자 시스템이 1 GHz의 장벽을 넘어서면서 패키징과 기판 설계자는 이제 이와 관련된 사항들을 포함하여 신호 무결성과 전기적 성능 사이에서 균형을 맞춰야 한다. 제품의 물리적 설계에 관여하는 모든 사람은 성능에 영향을 미칠 가능성이 있다. 모든 설계자는 자신이 하는 일이 신호 무결성에 어떤 영향을 미치는지 이해해야 한다. 아니면 최소한 신호 무결성을 담당하는 엔지니어와 대화를 할 수 있어야 한다. 작동하기를 바라면서 시제품(prototype)을 제작하고 나서 테스트를 통해 문제를 알아내는 기존의 설계 방법론은 비용과 성능만큼이나 출시 시점이 중요한 요즘에는 더 이상 비용면에서 효과적이지 않다. 처음부터 신호 무결성을 고려하지 않으면 설계한 제품이 처음부터 제대로 작동할 가능성이 거의 없다. 패키징과 상호 연결이 더 이상 신호에 전기적으로 투명하지 않은 새로운 '고속' 세상에서는 처음부터 제품을 올바르게 설계하기 위한 새로운 방법론이 필요하다. 이 새로운 방법론은 예측 가능성을 기반으로 한다. 첫 번째 단계는 공학 분야의 지식을 기반으로 확립된 설계 지침을 사용하는 것이다. 두 번째 단계는 “숫자를 넣어서” 예상되는 성능을 평가하는 것이다. 이것이 바로 공학(engineering)과 추측(guesswork)을 구분한다. 새로운 방법론에서는 경험 규칙(rule of thumb), 해석적 근사식(analytic approximation), 수치 시뮬레이션 도구( numerical simulation tool), 측정(measurement)이라는 네 가지 중요한 도구가 활용된다. 효율적인 설계와 시뮬레이션 과정을 통해 예상 성능과 최종 비용 사이의 여러 가지 트레이드오프(trade-off) 요소들을 설계 주기(design cycle)의 초기에 평가할 수 있는데 이는 시간, 위험, 비용 절감에 가장 큰 영향을 미친다. 신호 무결성 문제를 해결하는 방법은 먼저 문제의 원인을 파악한 다음, 가지고 있는 모든 도구를 이용하여 최적의 해결책을 찾고 이를 검증하는 것이다. 설계 과정은 직관적인 과정이다. 새로운 문제 해결 방식에 대한 영감은 상상력과 창의력이라는 신비로운 세계에서 비롯된다. 아이디어가 떠오르면 기술 교육을 통해 습득한 분석력이 그 아이디어를 실용적인 해결책으로 발전시킨다. 컴퓨터 시뮬레이션은 해결책을 최종적으로 검증하는 데 절대적으로 필요하지만, 직관적인 이해에는 거의 도움이 되지 않는다. 그보다는 메커니즘, 원리, 정의를 이해하고 가능성을 확인하는 것이 해결책을 만드는 데 도움이 된다. 처음에 추측을 시작하고 해결책을 찾아야 할 부분을 알아내려면 이해와 상상력이 필요하다. 이 책은 직관적인 접근…

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