SI（Signal Integrity）

信号品質の健全性評価。

評価するのは：

・波形が崩れていないか

・遅延していないか

・誤動作を起こさないか

 

PI（Power Integrity）

電源供給の安定性評価。

評価するのは：

・電圧が安定しているか

・瞬間電流に追従できるか

・ノイズが混入していないか

 

まとめると：SI＝信号の質　　PI＝電源の質

理由は明確。

① 高速化→ 信号立上りが急峻化

② 高周波化→ GHz帯域へ拡張

③ 高密度化→ 配線間距離が縮小

④ 高電流化→ 電源ノイズ増大

 

結果：信号と電源が互いに干渉する。

● アイパターン

信号品質の総合指標。

評価：

・開口幅

・ノイズマージン

・ジッター

目が閉じる＝通信エラー増加。

 

● ジッター

タイミング揺らぎ。

原因：

・電源ノイズ

・クロストーク

・PLL揺らぎ

高速通信では致命傷。

 

● クロストーク

隣接配線間干渉。

密配線ほど悪化。

 

● 反射（Reflection）

インピーダンス不整合で発生。

波形歪みの原因。

● IRドロップ

配線抵抗で電圧低下。

電流増大で悪化。

 

● 電源リップル

電圧の周期揺らぎ。

ロジック誤動作要因。

 

● 同時スイッチングノイズ（SSN）

多数I/O同時動作で発生。

電源揺らぎを誘発。

 

● PDNインピーダンス

電源供給経路の抵抗・インダクタンス。

低インピーダンス設計が必須。

評価は実測＋解析の両輪。

 

実測：

・高速オシロスコープ

・TDR（Time Domain Reflectometry）

・ネットワークアナライザ

 

解析：

・電磁界解析

・回路シミュレーション

・伝送線路解析

 

SI / PIは、設計段階から解析が必須。

影響因子は多い。

例：

・RDL配線幅・厚み

・バンプ高さ

・TSV密度

・基板誘電率

・グラウンド配置

 

結果：

・信号遅延

・ノイズ増大

・消費電力増加

 

つまり、パッケージ＝信号品質部品。

特徴は3つ。

 

① 超広帯域通信

HBM帯域：

数TB/s級

→ SI設計が最重要。

 

② 超高電流

GPU・AIチップは：

数百A級

→ PI設計が生命線。

 

③ 3D積層

TSV・Interposer構造で：

・配線長増加

・共振増加

 

評価は、2D → 3D電磁界解析へ進化。

代表例：

 

● インピーダンス整合設計
→ 反射低減

● グラウンドシールド
→ ノイズ遮蔽

● デカップリングコンデンサ配置
→ 電源安定化

● 配線長最適化
→ 遅延低減

● 差動配線設計
→ ノイズ耐性向上

 

SI / PIは、レイアウト設計そのもの。

SI / PI不良は、外観では見えない。

主な症状：

・通信エラー

・周波数低下

・誤動作

・発熱増加

 

そのため：設計段階で潰し込む必要がある。

・SI＝信号品質評価

・PI＝電源安定性評価

・高速・高密度化で重要度増大

・パッケージが電気性能に直結

・AIチップでは最重要設計領域

１．SIとPIの違いは何か？

２．クロストークが発生する主因は？

３．IRドロップは何によって発生するか？

４．なぜHBMではSI設計が重要になるのか？

 

 

 

 

コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。

 

※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません。