Contribution à la modélisation du couplage entre les alimentations et les signaux sensibles dans les cartes électroniques à haute densité d'interconnexions

Contribution to the modelling of crosstalk between power supplies and sensitive signals in high-density interconnection PCBs

• Auteur / Autrice : Faten Sahel
• Direction : Sylvain Feruglio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 28/03/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIP6 (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Hélier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Guilbault, Farouk Vallette, Mounira Bouarroudj-Berkani, Moncef Kadi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Geneviève Duchamp, Sonia Ben Dhia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcul intensif (informatique)

Alimentations à découpage

Circuits imprimés

Systèmes embarqués (informatique)

Mots clés libres

Intégrité du signal et de la puissance

Diaphonie

Circuits imprimés ultra-denses

Alimentations à découpage

Méthode de simulation

Prototypage virtuel

Signal and power integrity

Crosstalk

High density interconnection PCBs

Switching power supplies

Simulation flow

Résumé

Pour ses applications HPC (High Performance Computing), Atos conçoit des cartes électroniques ultra-denses, qui contiennent des processeurs fonctionnant à très fortes puissances, et des liens séries ultra-rapides. La densité de ces cartes induit un rapprochement inévitable entre des signaux sensibles, et des alimentations à découpage. Cette proximité entraine des phénomènes de couplage qui peuvent parfois être nuisibles au bon fonctionnement des systèmes électroniques constituants ces cartes. Un prototypage virtuel s’avère nécessaire afin de repérer par simulation les perturbations dues au couplage, et de vérifier l’efficacité des corrections nécessaires à apporter au système pour les réduire. Les outils de CAO actuels ne disposent pas d’application dédiée pour la modélisation de l’impact du fonctionnement d’une alimentation sur son environnement. Pour parer à cette lacune, on propose dans cette thèse une méthode de simulation robuste, permettant de modéliser fidèlement le couplage entre alimentations à découpage et des conducteurs avoisinants, sur des circuits imprimés à haute densité d’interconnexions. Cette méthode de simulation est d’abord développée sur un cas d’étude, avant d’être appliquée à un cas plus complexe. A travers ce prototypage virtuel, on parvient à simplifier l’identification du mode de couplage, et à tester les solutions pour le réduire, avant de les implémenter.

The high-density interconnection boards that Atos develop for HPC (High Performance Computing) applications contain processors functioning at very high currents and low voltages, along with high-speed serial links. With HDI (High Density Interconnection) technology, fast switching power supplies create coupling noise on nearby sensitive signals, that can lead to errors in the transmitted data, and in the worst case, may result in a malfunctioning circuit. Therefore, virtual prototyping is required to verify the signals’ behaviour in transmission lines, detect the parasitic effects on sensitive signals due to crosstalk, and thus allowing necessary adjustments to be made to reduce the noise. Today’s EDA tools lack a dedicated application able to model the impact of power supplies on their neighbouring signals. In this thesis, we suggest a simulation method using existing EDA tools, that would allow the modelling of the coupling between power supplies and nearby conductors in HDI boards. The simulation method is first applied to a case study board, then to a more complex one. This virtual prototyping method simplifies the coupling mode detection and allows us to test solutions to reduce the coupling noise, prior to their implementation.