SATA ケーブルベンチマーク試験 White paper（リアルタイムオシロスコープをベースとした簡易的な評価方法）＜Produced＞
JVCKENWOOD Corporation
Yoshinobu Nagase
MIKASA SHOJI CO.,LTD.
Ryosuke Shimizu

Toshiba Corporation Semiconductor & Storage Products Company
Atsuo Iida

＜Sample Cable ＞
FCI Japan K.K.
Kajiura Motomu 、Yamazaki Haruki 、Motoyama Masahiko

Teledyne LeCroy Japan Corporation

Agilent Technologies Japan, Ltd.

Yoshiki Tsuji

Katsuyoshi Horibe

Hiroshi Torigoe
Wataru Itoh
TFF Corporation, Tektronix Company

TOYO Corporation

Satsuma Yasufumi

Masumi Okada

Katsuhiko Suzuki

Tatsuya Fukuzaki

ARTEK INC

ARP Co.,Ltd.

Kiyoshi Sone
YAMAICHI ELECTRONICS CO., LTD
Hiroaki Kukita
Kei Yamazaki

2014/1/16

Koji Fukutomi

Introduction
SATA ケーブル評価規定は SATA-IO の規格、SATA、Rev3.1 と Interop UnifiedTest Rev1.4.3 で定められており、その評価規定は Interop UnifiedTest の SI01 から SI09 で構成されているが、単にユーザーが自分で設定した閾値をベースとして、複数の SATA ケーブルの性能比較を求める場合、別な方法（簡易的な方法）も考えられる。
そこで、IDEMA JAPAN では、SATA 規格上の絶対的な性能評価を行うまでもなく、単に、ユーザーが自分で設定した評価に関する閾値をベースとして、複数の SATA ケーブルの性能比較だけを目的として、その閾値の目安としてどのような評価数値を用い、又そのためにどのような評価を行えば良いかの検討を進めてきた。
IDEMA JAPAN では、この評価方法について、最も汎用的なリアルタイムオシロスコープを用いて SATA ケーブルの伝送路の評価方法を行うことを提案し、閾値の目安となる評価数値については、参加メーカーの元行われたいくつかの評価結果から、少数の評価項目でも高周波損失に関連した項目に対して、相対測定が可能であるとの結論を得ることができたので、この評価結果に基づく方法を提案する。
本評価方法は、これらの結果に基づいて、複数の SATA ケーブルのサンプル内での相対比較評価方法に限り、有効に SATA ケーブルの評価ができる手法について IDEMA JAPAN が定めたものである。
なお、この評価方法で得られたデータの解釈は、独自の閾値を設定した評価ユーザーに委ねられる物で有り、評価した SATA ケーブルの絶対的な性能を示すものでは無い。

2014/1/16

SATA ケーブルベンチマーク試験結果
1.

測定結果の一覧表

Agilent
番号
テスト項目
測定パラメータ パターン 0 m 1m ケーブル 2m ケーブル 3m ケーブル 4m ケーブル 5m ケーブル
1.1
Test-01
EYE Height [mv]445.00340.00248.00181.00118.0068.00
1.2 アイ・ダイアグラ EYE Width [ps]306.78304.94294.56269.50244.44185.17
LBP
Test-02
DDJ [ps]
8.18
13.87
26.10
46.02
63.41
90.73
2.1
ジッタ

Teledyne LeCroy
番号
1.1
1.2
2.1

テスト項目
測定パラメータ パターン 0 m 1m ケーブル 2m ケーブル 3m ケーブル 4m ケーブル 5m ケーブル
Test-01
490.3
433.6
319.7
202.8
134.3
61.6
EYE Height [mv]アイ・ダイアグラ
313.9
305
290.4
263
238.5
197.5
EYE Width [ps]LBPム
Test-02
6.9
14.3
30.6
54.7
83.5
126.2
DDJ [ps]
ジッタ

Tektronix
番号
テスト項目
1.1
Test-01
1.2 アイ・ダイアグラ
Test-02
2.1
ジッタ

2014/1/16

測定パラメータ パターン 0 m 1m ケーブル 2m ケーブル 3m ケーブル 4m ケーブル 5m ケーブルEYE Height [mv]521.85441.62345.67264.86202.24141.39EYE Width [ps]314.73306.37292.14271.66253.29222.81LBP
DDJ [ps]
6.42
11.95
23.47
39.67
57.36
83.76

2.

測定パターン

1ｍケーブル評価結果
Agilent

2014/1/16

Teledyne LeCroy

Tektronix

2014/1/16

２ｍケーブル評価結果
Agilent

2014/1/16

Teledyne LeCroy

Textronix

2014/1/16

５ｍケーブル評価結果
Agilent

2014/1/16

Teledyne LeCroy

Textronix

2014/1/16

3.

測定結果グラフ1.

Test-01 アイ・ダイアグラム
EYE HIGHT

Agilent

Teledyne LeCroy

600

Test-01-1 EYE Height

Test-01-1 EYE Height600

500400300

EYE HIGHT[mV]

EYE Height [mV]

500

200
100400300

20000Tektronix1234
ケーブル長 [m]5610000123

ケーブル長[m]2014/1/16

45

EYE WIDTH
Agilent

Teledyne LeCroy

400

Test-01-2 EYE Width

Test-01-2 EYE Width
400

350

250

300

200

150
100
5000

Textronix1234
ケーブル長 [m]56

EYE WIDTH[ps]EYE Width [ps]

300

200

10000123

ケーブル長[m]2014/1/16

42.

Test-02 ジッタ（DDJ）

Agilent

Teledyne LeCroy

Test-02 ジッタ（DDJ）150

Test-02 ジッタ(DDJ)
150

10050001234
ケーブル長 [m]56

DDJ[ps]

DDJ [ps]10050

Textronix00123

ケーブル長[m]2014/1/1644.

結論

これまでの評価結果より、1m、2m、３ｍ等とケーブル長が異なる同一性能の SATA ケーブルでは、各測定結果に各計測器ベンダ共通の傾向が見られることが分かる。
特にこれまでの測定結果から、ケーブル長が長くなるほど SATA ケーブルの高周波損失が多くなることが判断出来た。
このことから、White paper として提案するこれら３つのパラメータは、SATA ケーブルの相対評価において、以上のような測定上の変化を確かに示すことが出来るものとして、このパラメータを用いてのケーブルの相対評価をIDEMA JAPAN では、SATA ケーブルベンチマーク試験と規定する。

2014/1/16

Appendix １.
IDEMA JAPAN では、本 White paper 作成にあたり、オシロスコープによる測定をメインとした簡易的な方法による SATA 伝送路評価方法の検討を行ってきた。
SATA-IO の説明、評価方法について、評価項目は下記のようにコンプライアンステストの仕様書に明記されている。

この各項目に対する評価方法は、同仕様書に記載されており、例えば DDJ に関する内容は、下記のように JMD（Jitter Measurement Device、オシロなど）を使って DJ を測定するという仕様になっている。
なお、DJ の測定アルゴリズムについては、仕様書には明記されておらず、各計測機器ベンダに依存している。

当初、IDEMA JAPAN では、コンプライアンステストの仕様書の中で、特にオシロスコープで測定可能な SI-04、SI-05、SI-06、SI-09 をメインとして、相対的評価により、ケーブルの性能を評価できるかの可能性について検討を行ってきた。
評価にあたり、評価の基準サンプルとして、同一材質から切り出した、長さの異なる SATA ケーブルを作成し、ケーブルの長さ成分が伝送路の性能に影響を与えることを事前に評価することから行っている。
事前評価は、FCI ジャパン殿に、基準サンプルとして、同じケーブルの材質から切り出した、ケーブルの特性を均2014/1/16

一とする 1/2/3/4/5/6/7/8/9/10m ケーブルを作成して頂き、それを東陽テクニカ殿の LECROY PeRT3 Eagle でジッタ耐久力の測定を行った。以下にその結果を示す。
なお、評価に使用したケーブルは長さが SATA 規格上、規格外のものも含まれるが、測定手法の検証のために一時的に使用したものである
この測定結果では、5m まで測定することが出来、6m からはリンクが取れず測定不能であった。
この結果から、6m 以上はジッタ耐久量が評価できないレベルまで伝送路性能が悪いことが判ったので、本評価
では 6m 以上のケーブルは、評価から外し、それ以下の長さのケーブルで測定を行っている。

１ｍ2m
2014/1/16

3m

4m

2014/1/16

５ｍ
これらの測定結果より、基準となるケーブルの材質に最初から統一性のあることから、少なくとも評価したジッタ耐久力の落ち方は相対的に伝送路長に起因するものであるといえる。
次に、IDEMA JAPAN では、この事前評価の結果に基づき、長さにより伝送路性能が劣化していく同一材質のこれらの基準ケーブルを使用し、SI-05、SI-06、SI-09 に対して各計測器ベンダでオシロスコープによる測定を行い、伝送路性能の劣化に対して、測定結果がどのように関連するかの評価を進めてきた。
このように、IDEMA JAPAN では、SI-05、SI-06、SI-09 をベースとして、基準ケーブルを使用しての伝送路評価を進めてきたところ、
Eye Height
Eye Width
DDｊの３点が、各計測器ベンダ間で測定結果について互換性が取れ、評価方法として運用するについて問題ないことを確認することができた。
そこで、本 White paper では、その評価結果を示すとともに、評価を実現するための測定方法を、各ベンダの手順書として添付するものである。

2014/1/16

Appendix ２.
本評価方法について、基準ケーブルを評価するに当たり、信号源として、統一されたリファレンス HDD を BIST-Tモードに入れて使用し、HDD から出力される LBP 波形を用いて行った。
このリファレンス HDD を SATA-IO で規定されたコンプライアンステストに基づき評価した、Rise time Differential（mean）の各計測器ベンダの評価結果を示す。
このときの評価波形は、コンプライアンステストの規定に基づき、LFTP を BIST-T でリファレンス HDD から出力したもので評価している。
リファレンスして使用した HDD は
HGST 社製「 HDS721032CLA362」(ps) pattern
Agilent
Teledyne LeCroy
Tektronix

Rise time Differential

93.36

Fall time Differential

96.39

Rise time Differential

89.57

Fall time Differential

90.58

Rise time Differential

86.64

Fall time Differential

92.03

LFTP

この結果から、リファレンスで使用した HDD の Rise time はおよそ 90psec で有ると言える。
SATA-IO で規定する Rise time の最悪値は、Gen２で１３６psec なので、評価に使用したリファレンス HDD は、SATA-IO の規格を満たした十分早い立ち上がり性能を持つ。

2014/1/16

Appendix ３.
IDEMA JAPAN では、本 White paper の評価を行うにあたり、本評価だけの特別な投資を極力抑える為、測定器として最も汎用的なリアルタイムオシロスコープを用いるとともに、ジェネレータとして、一般に市販されているHDD を用いる構成にて実現できることを検討した。
評価では、HDD をジェネレータとして使用するため、T bit を ON にした BIST モードに入れて使用する。
SATA-IO の規格上、HDD の BIST モードを開始するために、一般的に、BIST アクティベータと呼ばれる HDD に対し、BIST を Activate する、規格で指定された FIS を送り出せる機材を使用して行う。
BIST アクティベータでは、BIST を Activate する FIS を定義する DWord#0 の Pattern Definition で T Bit を設定するとともに、DWord#1 と DWord#2 に出力するテストパターンを設定することにより、設定した波形を HDDから連続して出力することが出来る。
ここで設定するテストパターンは基本的に SATA-IO の規格で定められており、HFTP、MFTP、LBP、LFTP などが使用されるが、本 White paper では、コンプライアンステストより、ジッタの評価に用いるテストパターンは、LBP が指定されていることから、LBP を DWord#1 と DWord#2 に設定し、HDD に対し、BIST を Activate している。
このように固有の信号源として、BIST モードに入れた HDD から出力される LBP の信号波形は、固有の HDD ごとに同じ波形を出力するので、HDD を信号源として固定した状態で、評価したいケーブルをつなぎ替えることにより、本 White paper で求める Eye Height、 Eye Width 、DDｊを測定することが出来ることを確認した。
IDEMA JAPAN では、HDD を BIST モードに入れるための BIST の FIS を送り出せる機材について、商品として、この機能を特徴とする、次の機種で評価を行っている。
アジレント・テクノロジー（株）
BusMod Micro SAS/SATA エラー・インジェクタ/BIST ジェネレータ U3053C

（株）東陽テクニカULINK DRIVE MASTER

株式会社 A・R・P
Serial Protocol Monitor SATAⅡ－１

又、汎用ジェネレータの機能の一部として、BIST の FIS を送り出せる機材として、次の機種で評価を行っている。
（株）TFF テクトロニクス社／ケースレーインスツルメンツ社
任意波形ジェネレータ

2014/1/16

AWG7000 シリーズ

Appendix ４.
本評価方法の評価過程で、SATA-IO のコンプライアンステストの内容を満足する基準ケーブルの長さを各計測器ベンダで検証した結果、1m ケーブルが SATA-IO のコンプライアンステストの内容を十分に満たすことが確認された。
そこで IDEMA JAPAN では、SATA-IO のコンプライアンステストを十分に満たすケーブルの性能を、アルテック殿の協力で、ケーブルエミュレータとして再現し、作成を行った。
本ケーブルエミュレータを測定することにより、SATA-IO のコンプライアンステストを満足する、1m ケーブルの性能をいつでも再現することが出来る。
このケーブルエミュレータの評価結果を示す。

1.

測定結果の一覧表
パター

番号

テスト項目

測定パラメータ

Emulatorン

1.1

Test-01

EYE Height[mV]

1.2

EYE Parameter

EYE Width[ps]

404.8
302.2
LBP

Test-02
2.1

DDj
Jitter2.

測定パターン

2014/1/16

16.9

3.

Sdd21 の比較

2014/1/16

Appendix 5.
HDD を使用する機器において、HDD 本体とマザーボード等の接続にフレキシブル性が求められる機器内にてその配線が長くなる場合、FPC ケーブルが使用されるケースがある。
特にカーナビ等の機器は薄型/長尺で駆動性のよい FPC が使用されるケースが多く、その使用限界/市場条件については各社/機器毎に仕様が違うのが現状である。
本評価方法では、低損失である山一電機㈱社製 FPC ケーブル（YFLEXTM）において、より現実的な使用を考え、そのケーブルで SATA 規格を満足する FPC ケーブルの長さを検討し、本評価方法が FPC ケーブルに適用できることを確認した。
検討条件として、評価に使用したサンプルの構造を下記に示す。

YFLEXTM 構成

YFLEXTM Structure: cross section
ﾎﾟﾘｲﾐﾄﾞｶﾊﾞｰﾚｲ

Test sample

Cu:18um
LCP:100um
Cu:18um

L=300mm,400mm,470mm

2014/1/16

ﾎﾟﾘｲﾐﾄﾞｶﾊﾞｰﾚｲ

測定条件
測定条件
左記のような接続でHDDをBISTモードにして、出力したLBP波形をYFLEXTMに通してオシロスコープで観察した。
オシロスコープ
SDA820Zi-A(TELEDYNE LECROY社製)

YFLEXTMPeRT3(BISTモード切替に使用)(テスト用フィクスチャーを用いてHDDとオシロを直結した状態)

2014/1/16

HDD

2014/1/16以上の結果より、サンプルとして用いた、低損失 FPC ケーブル（470mm）は、SATA-IO で規定されたケーブル（1m）とほぼ同等の性能を有することが確認できた。
このように本評価方法によって、SATA-IO で規定されたケーブルと同様に低損失 FPC ケーブルの比較評価が可能であること確認された。

2014/1/16