网络服务和接入速度的持续发展,引起了带宽需求呈指数的增长,推动在路由器和交换机中采用更高速度接口的需求。这样就转而促进了 40Gb/s 和 100Gb/s 接口的新型互连技术与新标准的发展,而对 400Gb/s 速度的规划现在也正在成形:对于连接器的设计人员来说,永远不能止步。

以更高的速度来发送更多的数据,这一需求正在使系统设计发生不断的变化。新的战略包括开发功能和性能专为高速运行而设计的连接器、保持高速下的信号完整性,以及使用各种新协议。

例如,现在逐渐明朗的一点就是,PAM4(四层脉冲幅度调制)将在这一过渡过程中发挥不断增长的作用。NRZ(不归零)信号是一种行业标准,现在在众多应用中已经逐步让位给 PAM4 调制,原因则在于 PAM4 能够处理 56Gb/s、100Gb/s 以及更高的数据速率。

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Impel Plus 背板连接器可同时在 PAM4 和 NRZ 系统中实现 50Gb/s 以上的数据速率。(图片提供:Molex)

尽管与 NRZ 相比,PAM4 可以更进一步的改善速度,而其缺点则在于传输前必须将数据编码,然后在收到后需要解码。这就要求额外的处理能力,使 PAM4 的实施更具挑战性。在高速度具有重要作用的领域,PAM4 的出众能力则会被更高的处理成本所抵消。

与此同时,重要的一点是应当记住,NRZ 仍然适用于特定的高速应用。的确,新的背板连接器可以同时在 PAM4 和 NRZ 系统中提供高于 50Gb/s 的数据速率。与在线激光束相比,这类背板可以优化信号完整性性能并改善插入损耗,使接口的共振频率超过 30GHz。这类产品还可以优化几何外形与差分屏蔽,使阻抗的不连续性降至最低程度并减轻串扰,进而增强信号的完整性。

应对新挑战

随着速度的提高,传统连接器所遇到的挑战进一步加大。例如,数据速度更高的信道通常会增加电磁干扰、提高串扰以及阻抗的不连续性,因此设计必须考虑针对这些问题的保护。此外,上述连接器一般需要使用现有的接头(确保向下兼容),从而集成到现有的设计当中。比如说,如果只增强子卡的功能,那么便可以使用相同的接头。

系统速度提高带来的另一个问题则是需要保持相应的信号完整性。可以实现这一点的一个方法就是用高速铜缆,从印刷电路板上转移出高速信号。通过使用 QSFP 线缆组件和连接器接口,可以同时在 50Gb/s 的 NRZ 和 50Gb/s 的 PAM4 实时编码序列通信中采用这一替代方法。

加快设计的工具

在针对高速连接器的需要而开展的新的设计过程中,可以缩短系统设计仿真时间的工具得到了极大的欢迎。在传统的手动系统仿真中,每个组件都是独立的仿真。这就意味着需要一周或者更多的时间来为各个独立的系统设计进行仿真。在需要多个设计迭代的情况下,这样会使设计流程变得缓慢无比。

基于软件的新型设计工具通过一种不同的方式,采用预仿真的模型库,以典型的设计、材料、轨迹和通孔为基础。设计人员选择自己需要的模型、在电脑上按下回车键,然后几乎实时的便可得到结果。软件允许实现一阶系统逼近,为设计人员开拓了新视野,针对关键参数来开发新的系统。任务要求设计人员越来越快的将系统推向市场,而他们则越发的采用高速互连系统。这样一来,自动化设计工具的重要性与价值便与日俱增。

采用夹层方法的新途径

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Molex 的 NeoPress 高速夹层系统的组成部分,能够达到 56 Gb/s 的数据速率(图片提供:Molex)

高速夹层系统可以提供一种不同的方式来推动数据速度的增长。高速夹层连接器采用可调谐的差分对,可实现匹配的阻抗配置,以及采用单端线路和结合了一系列堆叠高度与顺应针端接方式的电源,从而使数据速率达到 56Gb/s。这类连接器适合多种应用,尤其是高速的信息技术应用与电信应用。

夹层连接器的典型连接方式为压配合或 SMT(以及一些压缩版本),这两种方案都具有各自的优势与劣势,例如,压配合夹层连接器在工艺上存在优势,而 SMT 连接器通过优化体积并且避免顺应针所产生的通孔根效应,一般可以使性能得到增强。其不足之处则主要在于返工率较高,相对于压配合连接来说更具挑战性。

在最近的时期内,新的技术使 SMT 和压配合之间的性能差距进一步缩小,直至在实际的应用中差异几乎为零。因此,在考虑到信号的完整性时,采用哪一种连接方法更是一种偏好的问题,主要受布局、路由方式以及电路板厚度的影响(此外还有其他一些变量)。此外,顺应针技术可使系统的设计人员重新设计电路板,使系统的实用性达到最大程度,同时还可达到必要的信号完整性。

最后,通过利用三晶片设计,高速夹层连接器可以实现以下方案:可调谐为 85 至 100 欧姆阻抗的高速差分对、用于低速选项的单端三元设计,以及三元电源。这样,设计人员只需要一台连接器即可实现不同的信号速度,释放印刷电路板上的空间,真实的反映出设计人员首选的引脚分配意图。

热管理策略

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Molex 的 zQSFP+ 线缆组件,即 zQSFP+ 互连系统,支持下一代的 100Gb/s 以太网和 100Gb/s InfiniBand 增强数据速率应用(图片提供:Molex)

随着速度的不断提高,以及新的模块不断涌向市场,增强的热管理解决方案正在成为下一代系统中的一个主要组成部分。

例如,堆叠式连接器可以提供更高的速度,但是,与标准互连系统相比,在 100Gb/s 的 QSFP 模块中将多消耗 4.5 至 5 瓦的功率,并且产生更多的热量。

在大多数情况下,企业系统内的温度必须得到控制,在模块中需要低于 70°C,而在外壳内需要环境温度低于 45°C。否则,则会使可靠性退化以及整体性能降低。

进行热管理的一种成功的新方法就是在内部设计内置的散热片和高流动保持架,从而优化空气运动。在仿真的 5 瓦光学 QSFP 模块中采用这些新技术后总体温度降低了 9°C。对于需要支持至少 7 瓦功率(或者更高)的下一代模块来说,像这样的热管理策略是非常重要的。

在我们逐步进入未来的高速数据时代的过程中,新型互连解决方案必须同时启用先进技术以及更高的网络带宽。成功的产品将需要使用多种形状与尺寸的连接器,以便具备支持一系列数据速率的能力。新的设计必须满足对高速性能的严格要求,同时还要提供下一代的高效率与高可靠性。

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