2014/1/16

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. Toshiba Corporation Semiconductor & Storage Products Company

Ryosuke Shimizu 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 Koji Fukutomi

YAMAICHI ELECTRONICS CO., LTD

Hiroaki Kukita

Kei Yamazaki

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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。

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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 EYE Height [mv] 445.00 340.00 248.00 181.00 118.00 68.001.2 EYE Width [ps] 306.78 304.94 294.56 269.50 244.44 185.17

2.1Test-02

ジッタDDJ [ps] 8.18 13.87 26.10 46.02 63.41 90.73

Test-01

アイ・ダイアグラLBP

Teledyne LeCroy

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 EYE Height [mv] 490.3 433.6 319.7 202.8 134.3 61.6

1.2 EYE Width [ps] 313.9 305 290.4 263 238.5 197.5

2.1

Test-02

ジッタDDJ [ps] 6.9 14.3 30.6 54.7 83.5 126.2

Test-01

アイ・ダイアグラ

ム LBP

Tektronix

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 EYE Height [mv] 521.85 441.62 345.67 264.86 202.24 141.391.2 EYE Width [ps] 314.73 306.37 292.14 271.66 253.29 222.81

2.1Test-02ジッタ

DDJ [ps] 6.42 11.95 23.47 39.67 57.36 83.76

Test-01アイ・ダイアグラ

LBP

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2. 測定パターン

1ｍケーブル評価結果

Agilent

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Teledyne LeCroy

Tektronix

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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

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3. 測定結果グラフ

1. Test-01 アイ・ダイアグラム

EYE HIGHT

Agilent Teledyne LeCroy

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6

EY

E H

IGH

T[m

V]

ケーブル長[m]

Test-01-1 EYE Height

Tektronix

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6

EY

E H

eig

ht

[mV

]

ケーブル長 [m]

Test-01-1 EYE Height

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EYE WIDTH

Agilent Teledyne LeCroy

0

100

200

300

400

0 1 2 3 4 5 6

EY

E W

IDT

H[p

s]

ケーブル長[m]

Test-01-2 EYE Width

Textronix

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5 6

EY

E W

idth

[p

s]

ケーブル長 [m]

Test-01-2 EYE Width

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2. Test-02 ジッタ（DDJ）

Agilent Teledyne LeCroy

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6

DD

J[p

s]

ケーブル長[m]

Test-02 ジッタ(DDJ)

Textronix

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6

DD

J [

ps]

ケーブル長 [m]

Test-02ジッタ（DDJ）

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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。

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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

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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。

１ｍ

2m

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3m

4m

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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。

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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 Rise time Differential 93.36

LFTP

Fall time Differential 96.39

Teledyne LeCroy Rise time Differential 89.57

Fall time Differential 90.58

Tektronix Rise time Differential 86.64

Fall time Differential 92.03

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。

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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 AWG7000シリーズ

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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

番号 テスト項目 測定パラメータ パター

ン Emulator

1.1 Test-01

EYE Parameter

EYE Height[mV]

LBP

404.8

1.2 EYE Width[ps] 302.2

2.1 Test-02

Jitter DDj 16.9

2. 測定パターン

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3. Sdd21の比較

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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

LCP:100um

ﾎﾟﾘｲﾐﾄﾞｶﾊﾞｰﾚｲ

Cu:18um

Cu:18um Test sample L=300mm,400mm,47

0mm

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(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)

YFLEXTM

オシロスコープ

SDA820Zi-A

(TELEDYNE LECROY社製)

HDD

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。

PeRT3(BISTモード切替に使用)

測定条件

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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。