11 de noviembre de 2026
Modelo preditivo para testes de manufatura de SerDes de alta velocidade
Bruno Henrique Parreiras Fernandes; Luis Fernando Pacheco Pereira
DOI: 10.22167/2675-6528-202604454
Artigo derivado de Trabalho de Conclusão de Curso (TCC), com conteúdo baseado no trabalho original do aluno e adaptado ao formato editorial da Revista E&S com apoio da ferramenta ResumeAI, solução de inteligência artificial desenvolvida pelo Instituto Pecege para síntese e organização textual.
Resumo
O aumento das taxas de transmissão em sistemas digitais de comunicação impôs a necessidade de interfaces SerDes de alta velocidade. A avaliação da confiabilidade dessas interfaces exige tempos de teste inviáveis ou modelos estatísticos que simplificam fenômenos físicos. Buscou-se desenvolver modelos preditivos baseados em aprendizado de máquina, capazes de classificar conexões SerDes como “aprovadas” ou “reprovadas” a partir de parâmetros elétricos mensuráveis em testes de produção. Para isso, empregou-se um banco de dados real com mais de 23 milhões de amostras, submetido a pré-processamento, filtragem de inconsistências e padronização. Algoritmos de regressão logística, máquina de vetores de suporte, árvores de decisão e redes neurais artificiais foram comparados em termos de precisão, sensibilidade, especificidade, área sob a curva ROC e tempo de inferência, explorando-se seus hiperparâmetros. Os modelos resultantes demonstraram alta sensibilidade na classificação. Para o receptor A, a árvore de decisão alcançou 99,9136% de sensibilidade, enquanto para o receptor B, a regressão logística obteve 99,8990%. Os tempos de inferência foram viáveis para sistemas embarcados. A pesquisa demonstrou a viabilidade de utilizar esses modelos em um ambiente embarcado de detecção de falhas, oferecendo uma solução eficiente para testes de manufatura de SerDes de alta velocidade.
Palavras-chave: aprendizado de máquina; comunicação serial; integridade de sinal; modelo preditivo.
1. Introdução
O aumento contínuo das taxas de transmissão em sistemas digitais de comunicação tem impulsionado a transição de barramentos paralelos para barramentos seriais, que utilizam a arquitetura serializador/desserializador (SerDes). Essa mudança é motivada pelas limitações intrínsecas dos barramentos paralelos, que afetam a integridade dos sinais elétricos transmitidos. Entre essas limitações, destacam-se os desvios de fase entre canais (skew), a interferência entre canais (crosstalk) e a necessidade de um sinal de clock adicional para sincronização. Tais problemas se intensificam com o aumento das taxas de transmissão, especialmente acima de dez gigabits por segundo, conforme apontado por Nozadze et al. (2025). Além disso, barramentos paralelos elevam a complexidade, o custo das placas de circuito impresso e o consumo de energia, devido à exigência de múltiplas trilhas físicas. Por essas razões, a tecnologia SerDes tem se estabelecido como padrão para interconexões de alta velocidade em aplicações modernas, como Ethernet, HDMI e PCIe (IEEE, 2024; PCI-SIG, 2022; Park et al., 2020).
Aplicações que empregam SerDes frequentemente requerem taxas de erro de bit (BER) extremamente baixas, na ordem de 10 elevado a menos 15. Isso significa que, no máximo, um bit de informação pode ser corrompido a cada um quatrilhão de bits transmitidos. Para ilustrar, um protocolo como o HDMI 2.1, com taxa de transmissão de até 48 Gbps, demandaria mais de cinco horas para transmitir 10 elevado a 15 bits. Em testes de manufatura, dedicar cinco horas para verificar a confiabilidade de um único canal de comunicação é inviável. Diante disso, métodos indiretos são empregados para estimar a BER, como as curvas bathtub e os diagramas de olho. Esses métodos medem métricas como as aberturas horizontal e vertical do diagrama de olho após a transmissão de um número menor de bits, por exemplo, 10 elevado a nove bits. Modelos estatísticos são então utilizados para extrapolar o valor aproximado da BER para um número maior de bits, como 10 elevado a 15 bits. Embora essa prática reduza o tempo de teste, ela compromete a exatidão da estimativa da BER (Fang et al., 2015).
Os modelos estatísticos convencionalmente utilizados para essa extrapolação assumem um comportamento estacionário e linear do canal físico de comunicação. Essa premissa ignora fenômenos importantes, como ruído dependente de dados (DDJ), ruídos de baixa frequência, crosstalk, variações térmicas, acoplamento eletromagnético e não linearidades na equalização. Tais fenômenos podem alterar a distribuição de erros ao longo do tempo, invalidando a extrapolação baseada em medições curtas, como discutido por Chen et al. (2025). Adicionalmente, esses modelos frequentemente pressupõem que o ruído aleatório (RJ) é gaussiano e independente, o que não se verifica em modulações digitais modernas, como a modulação PAM4, onde o ruído entre níveis adjacentes é correlacionado e assimétrico (IEEE, 2024).
A aprovação de uma conexão SerDes defeituosa em testes de manufatura acarreta a substituição de hardware em campo, o que gera custos elevados, danos à reputação da empresa e redução da produtividade do cliente. A necessidade de uma solução eficiente e precisa para a detecção de falhas em testes de manufatura de SerDes de alta velocidade é, portanto, premente. Modelos preditivos baseados em aprendizado de máquina surgem como uma alternativa promissora para superar as limitações dos métodos de extrapolação clássicos, oferecendo a capacidade de identificar padrões complexos que escapam aos testes tradicionais (Markatos e Mousavi, 2023).
Para contornar as limitações da abordagem clássica de extrapolação, o presente estudo utilizou um banco de dados real com mais de 23 milhões de amostras e dezenas de parâmetros elétricos mensuráveis. Foram empregados algoritmos de aprendizado de máquina, incluindo regressão logística, máquina de vetores de suporte, árvores de decisão e redes neurais artificiais, comparados em termos de precisão, sensibilidade, especificidade, área sob a curva ROC e tempo de inferência. O objetivo da pesquisa foi desenvolver um modelo preditivo, baseado em aprendizado de máquina, capaz de classificar conexões SerDes como “aprovada” ou “reprovada”, a partir de um conjunto de dezenas de métricas mensuradas no transmissor e receptor da conexão, que incluem os parâmetros de aberturas horizontal e vertical do diagrama de olho, mas que não se limitam apenas a estes dois parâmetros.
2. Material e Métodos
A presente pesquisa caracterizou-se como um estudo de natureza quantitativa e abordagem aplicada, com o objetivo de desenvolver um modelo preditivo baseado em aprendizado de máquina. Este modelo visou classificar conexões SerDes como “aprovada” ou “reprovada” em testes de manufatura. A estratégia metodológica envolveu a coleta e o pré-processamento de um vasto conjunto de dados, o treinamento de diversos algoritmos de aprendizado de máquina e a avaliação de seu desempenho.
O objeto empírico do estudo consistiu em dados de testes de produção de interfaces SerDes de alta velocidade, provenientes de uma empresa do setor de Automação de Projeto Eletrônico (EDA), localizada em San Jose, Estados Unidos da América. O banco de dados utilizado foi alimentado continuamente por testes de produção, e uma seção específica foi selecionada para esta pesquisa.
Coletaram-se 23.308.109 conjuntos de medições, acumulados ao longo de um período de um ano. Cada conjunto de medições era composto por 114 métricas elétricas, totalizando 27 GB de dados brutos. Essas métricas incluíam parâmetros como as aberturas horizontal e vertical do diagrama de olho, além de dezenas de outros indicadores mensurados no transmissor e receptor das conexões.
Identificaram-se dois tipos de receptores de sinais no produto estudado: receptor A e receptor B. O receptor A operava a uma taxa de transmissão de 15,46875 Gbps e possuía 22 métricas relevantes por conjunto de medição. O receptor B, mais sofisticado, operava a 15,46875 Gbps ou 20,625 Gbps e possuía 85 métricas relevantes por conjunto de medição.
Os dados brutos foram submetidos a um processo de pré-processamento. Inicialmente, realizou-se a filtragem de valores extremos, conhecidos como “outliers”, utilizando os intervalos definidos para cada métrica. Em seguida, removeram-se as entradas que apresentavam valores faltantes em qualquer uma das métricas consideradas.
Adicionalmente, entradas com valores inconsistentes foram removidas. Consideraram-se inconsistentes as medições onde a abertura horizontal do diagrama de olho (hmargin), o número de palavras com erros não corrigíveis (ue) e o número de palavras com erros corrigíveis (ce) eram simultaneamente nulos. Este critério foi aplicado para garantir a integridade dos dados.
Outros critérios de inconsistência incluíram a ausência de sinal no receptor (sigdet nulo), o reconhecimento ou transmissão de sinal pseudo-aleatório (prbs_ok ou prbs_en unitários), o número de palavras recebidas durante um processo mal sucedido de sincronização (linkcnt diferente de zero) ou o número total de palavras recebidas (wcnt nulo), sempre em conjunto com ue e ce nulos.
Após a filtragem, procedeu-se à rotulação dos dados. Uma conexão SerDes foi classificada como “reprovada” se apresentasse uma taxa de erro de bit (BER) não nula durante um teste de cinco minutos.
Na ausência de erros de bit, a conexão era classificada como “reprovada” se sua margem horizontal do diagrama de olho fosse inferior a um limite previamente estabelecido, indicando risco de corrupção da informação em testes mais longos. Caso contrário, a conexão era classificada como “aprovada”.
Para o desenvolvimento dos modelos preditivos, empregaram-se algoritmos de aprendizado de máquina, incluindo regressão logística, máquina de vetores de suporte (SVM), árvores de decisão e redes neurais artificiais. O treinamento dos modelos foi realizado em um ambiente computacional que utilizou a linguagem de programação Python, com o auxílio das bibliotecas `numpy`, `pandas` e `scikit-learn`.
A base de dados foi dividida em 80% para treinamento e 20% para teste. Durante a etapa de treinamento, aplicou-se a validação cruzada com cinco dobras (“folds”), conforme Bakariya e Bhagat (2025), para aumentar a generalização dos modelos. As variáveis inteiras e decimais foram padronizadas por meio da transformação Z-score, assegurando média zero e desvio padrão unitário.
A seleção dos hiperparâmetros para cada algoritmo foi realizada por meio de uma busca exaustiva (“grid search”). Este procedimento buscou identificar o conjunto de hiperparâmetros que maximizasse a área sob a curva ROC (AUC-ROC) no conjunto de dados de treinamento. Os modelos para os receptores A e B foram treinados separadamente, considerando as diferenças nos conjuntos de variáveis explicativas.
A avaliação dos modelos resultantes foi conduzida no conjunto de dados de teste, que não havia sido utilizado no treinamento. As métricas de desempenho consideradas foram precisão, sensibilidade (recall), especificidade, área sob a curva ROC (AUC-ROC) e tempo de inferência. O ambiente computacional para treinamento e teste consistiu em uma máquina com 72 núcleos, CPU Intel® Xeon® Gold 6240 e 2 TB de memória RAM.
3. Resultados e Discussão
A análise dos resultados da pesquisa iniciou-se com a determinação dos hiperparâmetros ótimos para cada algoritmo de aprendizado de máquina, visando maximizar a área sob a curva ROC (AUC-ROC) no conjunto de dados de treino. Para a regressão logística, o valor ótimo para o inverso da intensidade da regularização foi 10 elevado a menos 1, utilizando o método de otimização “lbfgs” e penalidade L2, com balanceamento de classe ativo. Esses parâmetros indicam uma preferência por um modelo que não penalize excessivamente a complexidade, permitindo capturar padrões mais detalhados nos dados, ao mesmo tempo em que lida com a assimetria das classes.
Para a Máquina de Vetores de Suporte (SVM), o inverso da intensidade da regularização também foi definido como 10 elevado a menos 1, com a função de perda “hinge” e balanceamento de classe ativo. A árvore de decisão, por sua vez, teve como critério de divisão a “entropy”, profundidade máxima de cinco, e um mínimo de cinquenta amostras para divisão, com balanceamento de classe ativo. A rede neural artificial apresentou vinte neurônios na camada escondida, função de ativação “relu” e intensidade da regularização de 10 elevado a menos 5. A escolha desses hiperparâmetros reflete um equilíbrio entre a capacidade de aprendizado do modelo e a prevenção de sobreajuste, conforme discutido por Bakariya e Bhagat (2025).
A avaliação da AUC-ROC no conjunto de treino revelou que todos os algoritmos apresentaram desempenhos bastante similares para ambos os receptores. Para o receptor A, a regressão logística obteve 99,7768%, a SVM 99,7747%, a árvore de decisão 99,7732% e a rede neural artificial 99,7943%. No caso do receptor B, os valores foram 99,7493% para regressão logística, 99,7835% para SVM, 99,6605% para árvore de decisão e 99,7056% para rede neural artificial. Essa similaridade sugere que, no contexto do treinamento, a capacidade de discriminação entre as classes “aprovada” e “reprovada” foi consistentemente alta em todas as abordagens testadas, independentemente da complexidade intrínseca de cada algoritmo.
Uma observação importante durante o treinamento foi a preferência pelo balanceamento de classes, o que impediu que os modelos fossem dominados pela classe majoritária, que representa as conexões aprovadas. Além disso, a tendência de regulizações menos intensas permitiu que os modelos aprendessem padrões mais complexos a partir das variáveis explicativas. A complexidade moderada dos modelos foi evidenciada pelo fato de que a árvore de decisão não utilizou a profundidade máxima disponível e a rede neural não empregou o número máximo de neurônios na camada escondida, indicando que o aumento indefinido da complexidade não resultaria em melhoria significativa do desempenho.
Os tempos de treinamento dos modelos, utilizando os hiperparâmetros ótimos, variaram conforme a complexidade do algoritmo e o número de variáveis explicativas. Para o receptor A, a regressão logística levou 1 minuto e 27 segundos, a SVM 4 minutos e 16 segundos, a árvore de decisão 1 minuto e 47 segundos e a rede neural artificial 4 minutos e 29 segundos. Para o receptor B, que possui um número significativamente maior de métricas (85 contra 22 do receptor A), os tempos foram substancialmente maiores: 9 minutos e 31 segundos para regressão logística, 17 minutos e 20 segundos para SVM, 17 minutos e 28 segundos para árvore de decisão e 65 minutos e 22 segundos para rede neural artificial. O custo de treinamento, no entanto, não foi um critério de seleção, pois é um investimento único.
A avaliação dos modelos no conjunto de dados de teste para o receptor A revelou que a árvore de decisão se destacou em termos de sensibilidade, alcançando 99,9136%. A precisão geral foi de 99,8976%, com especificidade de 99,6977%. A AUC-ROC no teste foi de 99,6969%, ligeiramente inferior à do treino, o que é esperado. O tempo de inferência para a árvore de decisão foi de 3,0852 segundos. A alta sensibilidade é crucial para o objetivo do estudo, que é evitar falsos negativos, ou seja, a aprovação de uma conexão SerDes defeituosa, o que geraria custos elevados e danos à reputação da empresa.
Em comparação, a regressão logística para o receptor A obteve 99,6975% de sensibilidade, a SVM 99,6543% e a rede neural artificial 99,7407%. Embora todos os modelos apresentassem alta precisão, a árvore de decisão demonstrou a melhor capacidade de identificar corretamente as conexões reprovadas. Isso reforça a ideia de que, mesmo algoritmos de complexidade moderada, como a árvore de decisão, podem ser altamente eficazes quando os hiperparâmetros são cuidadosamente otimizados e o foco está em métricas específicas de desempenho, como a sensibilidade para a detecção de falhas.
Para o receptor B, a regressão logística apresentou a maior sensibilidade no conjunto de teste, atingindo 99,8990%. Sua precisão foi de 99,8831%, com especificidade de 99,6831%. A AUC-ROC no teste foi de 99,6998%, e o tempo de inferência foi de 35,2823 segundos. A rede neural artificial, apesar de sua maior complexidade, obteve uma sensibilidade de 97,8809%, inferior à regressão logística, enquanto a SVM alcançou 97,4773% e a árvore de decisão 99,5964%. Esses resultados indicam que, para o receptor B, a regressão logística foi a mais eficaz em minimizar falsos negativos, mesmo sendo um modelo computacionalmente mais simples.
A diferença nos tempos de inferência entre os receptores é notável. Para o receptor A, os tempos variaram de 3,0852 segundos (árvore de decisão) a 3,3349 segundos (SVM). Para o receptor B, os tempos foram significativamente maiores, variando de 34,4867 segundos (SVM) a 35,8759 segundos (rede neural artificial). Essa disparidade é atribuída à maior quantidade de variáveis explicativas (85 métricas) utilizadas para o receptor B, o que naturalmente demanda mais processamento para a inferência. No entanto, mesmo os tempos mais longos para o receptor B são considerados viáveis para aplicação em um sistema embarcado de detecção de falhas, que possui limitações de tempo e recursos computacionais.
A severa assimetria na frequência das classes, onde as conexões “aprovadas” são a vasta maioria (99,8113% para receptor A e 99,9706% para receptor B), inflou as medidas de precisão. Um modelo simplório que classificasse todas as entradas como “aprovada” já alcançaria uma acurácia superior a 99,81% para o receptor A e 99,97% para o receptor B. Por essa razão, a sensibilidade, que mede a capacidade de identificar corretamente as conexões reprovadas, e a especificidade, que mede a capacidade de identificar corretamente as aprovadas, tornaram-se métricas mais relevantes para a avaliação do desempenho dos modelos, especialmente para evitar falsos negativos.
Todos os modelos apresentaram especificidade semelhante, o que é importante para minimizar falsos positivos, ou seja, alertas espúrios de falha. A especificidade também foi influenciada pelo domínio dos verdadeiros negativos no banco de dados. A viabilidade dos tempos de inferência para um ambiente embarcado de detecção de falhas é um achado crucial, pois permite a aplicação prática desses modelos em testes de manufatura de SerDes de alta velocidade. A pesquisa demonstrou que modelos mais complexos nem sempre resultam em melhor desempenho, como visto na comparação entre a regressão logística e a rede neural para o receptor B.
Em síntese, o estudo identificou a árvore de decisão como o modelo ótimo para o receptor A, com sensibilidade de 99,9136% e tempo de inferência de 3,0852 segundos. Para o receptor B, a regressão logística foi o modelo de melhor desempenho, alcançando 99,8990% de sensibilidade com um tempo de inferência de 35,2823 segundos. Esses resultados confirmam a viabilidade de utilizar modelos preditivos baseados em aprendizado de máquina para classificar conexões SerDes em testes de manufatura, superando as limitações dos métodos tradicionais de extrapolação e oferecendo uma solução eficiente e precisa para a detecção de falhas.
4. Conclusão
O presente estudo buscou desenvolver modelos preditivos, baseados em aprendizado de máquina, capazes de classificar conexões SerDes como “aprovadas” ou “reprovadas” a partir de dezenas de parâmetros elétricos mensuráveis em testes de produção. Verificou-se que algoritmos como regressão logística, máquina de vetores de suporte, árvores de decisão e redes neurais artificiais demonstraram alta capacidade de discriminação entre as classes. Para o receptor A, a árvore de decisão alcançou 99,9136% de sensibilidade, enquanto para o receptor B, a regressão logística obteve 99,8990%. Os tempos de inferência para ambos os receptores foram considerados viáveis para aplicação em sistemas embarcados, mesmo com a maior complexidade de métricas do receptor B. A alta sensibilidade dos modelos é um achado crucial, pois minimiza a aprovação de conexões defeituosas, superando as limitações dos métodos tradicionais de extrapolação que simplificam fenômenos físicos e comprometem a exatidão da estimativa de BER.
A principal contribuição do trabalho reside na demonstração da viabilidade de utilizar modelos preditivos baseados em aprendizado de máquina para testes de manufatura de interfaces SerDes de alta velocidade, oferecendo uma solução eficiente e precisa para a detecção de falhas. Atualmente, a aplicação desses modelos em um sistema embarcado de detecção de falha encontra-se em fase de estudo, com a proposta de utilizar um modelo de conjunto que combine o modelo simplificado já existente com os novos modelos desenvolvidos. Para trabalhos futuros, sugere-se investigar a relevância das variáveis explicativas para a interpretabilidade dos modelos, o que é fundamental em contextos onde decisões equivocadas podem gerar danos à reputação. Adicionalmente, recomenda-se elaborar um teste de hipótese para avaliar se os modelos propostos são estatisticamente superiores ao modelo mais simples já existente.
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Artigo oriundo de Trabalho de Conclusão de Curso da Especialização em Data Science e Analytics do MBA USP/Esalq
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