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设计看似完美却测不过？ Intra-Pair Skew 是「讯号完整性（Signal Integrity）」里最隐形的杀手

news 来源：原创 2025/6/19 1:52:25

各位不知道有没有遇过，一对很长的差分走线，看起来很正常，但是测试结果偶尔会fail偶尔会pass，不像是软件问题，也不像是制程问题。看了一下Layout，发现阻抗匹配控制的非常好，TDR测试也显示阻抗好棒棒，虽然线是长了点，但是损耗还是有不少Margin。那... 为什么会有问题？

如果您遇到过，那恭喜您，这应该是PCB玻璃纤维造成的Intra-Pair Skew，而导致差动对P/N两条线有着时间差。在差动对的理论基础上，开宗明义就有提到，两条线必须等长，或说是相等时间差，才会是完美的差动讯号。如果这个时间差，或说是delay，两两不一致，则所引起的讯号损耗会变的过大以及产生难以控制的共模效应（Common-mode）。

本周，我们来看看何谓Differential Pair Intra-Pair Skew，这个Skew到底是怎样影响我们的通道设计！

回顾一下差动对理论

在高速信号传输的设计中，差动对（Differential Pair）是一种非常常见的走线方式，这种走线方式虽然牺牲的一倍的走线面积，但是换来对于高速信号干扰的抵抗性。而要达到一个良好的差动对设计，「等长」这件事几乎是SI与Layout两个团队的基本功。那到底为什么差动对要等长？原

Differential Intra-pair skew，指的就是在差动对里，正负讯号线之间出现的「延迟时间差」。差动对是两条走线成对一起运作，传输同一组讯号，不过一条走的是正讯号，另一条则是相反方向的负讯号。这两条信号必须保持高度同步，才能在接收端被正确还原回原始信号。简单来说，原本应该同时到达的两条讯号线，却有人先跑、有人后到，这种「步调不一致」就叫做 skew。在高速数据传输中，哪怕只是微小的延迟偏移或是讯号的「错开」，都可能左右讯号的完整性。

当Skew变大时，讯号波形的形变也会变得更严重！

当Skew越来越大时，眼图随之变差！

发生Intra-Pair Skew造成的状况

Intra-Pair Skew发生时，会有以下几个负面影响：

损耗变大，产生高频谐振点
产生共模效应，降低差动特性
随着Data Rate上升，Skew对于UI占比越来越大，导致讯号严重失真

以下我们一个一个来解析！

Skew使得高频损耗变的更严重

Skew会带来高频谐振，如果要知道对于损耗的影响范围，我们可以来计算这个谐振点的发生频率：

首先，我们先假设一个复数传输函数H(f)

H(f)=|H(f)|ejθ(f)

其中，|H(f)|表示DUT的幅度响应，而θ(f)则为其相位响应。

相位响应可以进一步定义为：

θ(f)=−2π×f×Δt(f)

这里的Δt(f)是传输函数的相位延迟，因此可以根据相位响应直接反推得到相位延迟：

Δt(f)=−θ(f)2πf

而我们就可以得到这个谐振频率点：

f=12Δtpd

也就是说，Skew越小，谐振点就越高频，且这个谐振点会在奇数倍数频率出现，假设1GHz有谐振点，则3GHz、5GHz、7GHz也会出现谐振点。

接着我们可以通过这个公式，计算不同Skew时间下，谐振点的频率，并与实际SI模拟的频率点做比对看看这个公式有没有效。可以发现，公式与模拟的谐振频率，大概差了7%，公式计算得到的频率会较低一些，但是整体而言还算可以接受！

从实测的结果我们也可以发现这不是纸上谈兵，一个10G-KR的通道，原本设计的Loss好好的，可以通过这条黑色的Spec，可是当我们刻意将skew调整至13ps（两条线大约差70mil），Loss在30GHz之后直接往下跑，超出Spec，以我们的计算12.7ps大约是42GHz，从这个实测结果来看，应该是可以对得上的对吧！

Skew导致Common-Mode Noise上升

我们在看系统级的差动对特性时，最先关注的通常是Differential Return Loss（Sdd11）和Differential Insertion Loss（Sdd21），再来可能根据Crosstalk是否严重而去关注Sdd31 and Sdd41，比较少会去关注共模特性。

P.S. 如果是Connector与Cable厂商则例外，这些零组件牵扯到对机台外部的连接，可能会有EMI的问题，因此对于共模很关注。一些规范也都有针对这些零部件有Scd的要求。

可是其实Common-mode noise是非常重要的。我们可以从Scd这个参数来判断，到底这个通道设计有多少的不平衡（unbalance）效应。越大的Unbalance，表示越多的Common-mode noise，表示这个差动对设计越不好，通常表示的是Skew越大！

从这张图可以清楚地看出，Common-mode noise（ACCM）会随Skew变大而变大：

一样透过实测数据让大家对于Skew造成的负面性应更加明了，Skew越大则Common-mode noise越惨呀！

IEEE 802.3ck针对MTF（Mated Test Fixture）的Scd（与Sdc相同）的规范：

Skew的时间占比随着Data Rate变快，而越来越大

最后，我们简单讨论下时序方面的问题。

首先，我们来聊聊什么是 UI（Unit Interval）。它是高速信号设计中最小的时间单位，意思就是：一个「0」或「1」所占据的时间长度，就叫做一个 UI。

这个单位要怎么算呢？其实很简单，就是把 Data Rate 取倒数。比如说，如果你设计的是一个 10G的通道，那它的 UI 就是 1 / 10G，也就是 100ps。也就是说，在 10G 的速度下，每个 bit 的时间长度就是 100ps。不管这个 bit 是 0 还是 1，都只会占用 100ps 的时间，不会更短了。

而一个UI内的波形不能失真过多，否则Receiver会无法判别此波形是0或1，这就是我们在探讨讯号完整性的初衷。

很多问题都会导致一个UI的波形变差，Loss、Reflection、Crosstalk、Jitter、还有我们今天要强调的“Skew”。其实每个参数都会对信号质量有所贡献，当Data Rate还没有很高时，绝大多数都是Loss、Reflection、Jitter在搞鬼。但随着传输速度越来越快，像是现在主流的 112G，甚至是最新的 224G，很多以往「可以忍耐的小问题」都开始变成「致命伤」。举个例子来说，在224G的速度下，一个UI的长度大约只有8.9ps。如果你的设计中出现 1ps 的 Skew，那就等于让整个 UI 失真了 11%！这还只是Skew的贡献，还没加上材料损耗、阻抗不连续、反射等其他破坏因素。所以呀，Skew这件事情真的很需要被放在心上！

通常会发生Intra-Pair Skew的情况

基本上，只要设计者不恶搞，例如故意把线长不等长，故意乱拉走线的话，Intra-Pair skew通常会发生在以下这些情况：

Trace Length Mismatch（发生机率低）
PCB玻璃纤维效应（Fiber Weave）
Cable

Trace Length Mismatch

我们最前面提到，差动对我们会在Layout上让两条线尽可能等长，拜现在Layout软件进步所赐，56G-PAM4的速度以上，物理长度的Skew已经可以控制在1mil以内。

这种线长的不匹配通常来自于转折处，由于外圈会比内圈走得还远，所以内圈的走线就得额外拉长，以匹配线长。

相信业界最有名的莫过于Intel在用的3W2S rule，也就是在差动对去做等长设计时，短的那条线进行绕线补偿时，补偿的高度和宽度的定义，3W指的是两个凸包的距离为3倍的线宽W（B=D=F=3W），2S是指凸包最远的位置与另外一条线距离为2倍的差动对间距S（S1=2S）。

我们在SI这条路上已经遇到太多人跟我们说，要照Intel这条设计准则走，人家是测试过的，一定要照这条做，不然会有问题。恩... 讲真的，对于SI而言，我们对这个规则是不太关注的，不是说Intel的这条准则有问题，而是，我们相信一条规则是无法适用到全部的高速讯号设计上。每个设计有不同的叠构、材料、线长、Data Rate等等，真的可以这么简单用一条准则来设计？

要知道当红炸子鸡，nVIDIA推崇的设计是完全不一样喔，那... 两者冲突，您要选谁？

各有门派，我们也不多做讨论，我们的做法是Case by Case，试着透过模拟方法找出最佳的设计，例如这个Case，我们讨论3W2S、3W2.5S、2W2.5S，发现2W2.5S有着较好的阻抗匹配，设计上我们当然选择它！

PCB Fiber Weave

PCB的玻璃纤维效应，这主要来自于CCL材料里头的玻璃纤维与树脂的介电常数（DK）不同所导致。 CCL材料里头的玻璃纤维主要强化材料的刚性，跟织衣服类似，会有经向（Warp）与纬向（Weft）。像下图，编织成品会留下一个一个洞，这个洞就是树脂的位置。而传统玻纤（E-Glass）的介电常数大约是6，树脂的介电常数是3.5，两者合起来就接近4.4，这样可以理解为什么传统FR4材料的DK是4.4了吧！

由于材料内的DK有落差，会使得差动对两条线“可能”参考到不同的DK，两条线的讯号传递速率会变得不一样，越大的DK则讯号传递速率会变慢，而导致两条线到Receiver时会有Skew产生。

v=cεr−−√

而且，很讨厌的是，因为Fiber weave产生的Skew，还是随机出现的。因为，每张板子的每个位子的玻纤是不同的，所以就算是一样的走线，在每批料之间也是不一样的状况，所以文章开头我们才会说，各位有没有遇过随机发生的状况！

这边我们介绍一个常见的做法，以减少玻璃纤维造成的Skew效应。透过将CCL叠两层，或称2ply，将树脂的孔洞变小，从数据来看可以很明显看到Skew会更加集中在较小的范围，不像1ply那样，会有一些离散数据落在较大的skew值。

Cable

我们在这边介绍过Cable已经成为现在机台内部连接一个重要的关键零组件，nVIDIA的GB200 NVL36/72都用了Flyover cable以减少PCB走线带来的损耗。

对于损耗控制上，Cable的确有着非常好的特性，可是在制造上，由于传统的Twinax cable除了两根讯号线外，还会再塞入GND pin，这个GND pin可以用来抑制EMI。可是由于制造的tolerance，当这根GND pin位置偏掉，靠得离某根讯号线太近，则会引起PN unbalance，skew就会出现，common-mode noise也随之发生。（有兴趣可以参考这里)

再加上，Cable绝对是需要弯折的，在弯折的时候，两条线的电磁场可能就没办法保持恒定，进而导致Skew的产生！

所以在高速信号SI分析上，我们就得分析不同的skew差异对于通道的影响是什么，尝试找出Worst-case，以满足大量量产的系统可靠度！说实在话，真的是件大工程！