设计下一代的接口主要在于以更高的速度来发送更多的数据。对于带宽日益增长的需求正在推动着实现各种新的应用,其中的芯片和连接器在速度上必须作出极大的改进,同时保持可以接受的性能特性,以及管理更高的系统工作温度。

对速度的需求正在引领着系统设计上的演进,包括在更大的范围内使用 PAM4 调制、保持高速下的信号完整性,以及开发针对高速运行而具有定制特点和功能的连接器。

比如说,NRZ 信令在很长时期以来都是行业标准,然而,由于能够处理 56 Gbps、100 Gbps 以及更高的数据速率,PAM4 调制的使用也在不断增长。与 NRZ 方法相比,PAM4 在速度上作出了巨大的改善,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。但是,随着 PAM4 应用数量的不断增长,额外的速度性能要比提高了的处理成本更加重要。

尽管趋势是迁移到 PAM4,NRZ 对于一些高速应用来说仍然是一种可行的替代方案。这样一来,便开发了背板连接器,在 PAM4 和 NRZ 设计中都可以提供超过 50 Gbps 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。

这类增强了速度的背板必须针对更高数据速度下可能发生的阻抗不连续、增加的串扰以及提高的电磁干扰而提供保护。此外还有重要的一点是背板需要向下兼容(适合现有接头使用),从而可以集成到现有的设计当中。比如说,如果只增强子卡的功能,那么就可以使用相同的接头。

随着速度的不断增长,保持信号的完整性也会带来挑战。一种可选的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这类新技术,可以同时在 50 Gbps 的 NRZ 和 50 Gbps 的 PAM4 实时编码序列通信中采用这一替代方法。

高速连接带来的另一问题则是产生了更多的热量。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,将消耗更多的功率——在 100 Gbps下约为4.5至5瓦,并且产生更多的热量。

在模块中一般必须将温度保持在 70°C 以下,而在外壳中则必须将环境温度保持在 45°C 以下。这样,便需要新的热管理方法。一种方案就是采用专门设计的内置散热片和保持架,从而优化空气运动,这样可以使模块温度降低 9°C。预计下一代的模块支持的功率将不低于 7 瓦,如此一来,像这样的热控制策略甚至会更加重要。

设计新型接口的另一种方法就是采用高速夹层系统,可以为架构师提供更高的设计灵活性。最近已经演示了这样的一套系统,运行过程中使用了测试设备和软件。这种模块化的系统配有可调谐的差分对,堆叠高度较低,并且通过阶梯形接口配置来实现了顺应针端接,所提供的数据速率高达 28 Gbps。这样可以理想用于需要更高的速度和更小的尺寸、而空间往往受限的电信、自动化和医疗行业应用。

此外,某些时候印刷电路板必须重新使用或者是返工。夹层系统中使用的传统的 SMT 连接器以永久方式固定,几乎不可能再重新使用印刷电路板。在 SMT 端接失效后,如果要尝试对其返工,则会发生短路。作为一种替代方法,压配合式夹层连接器允许重新使用印刷电路板,而其信号完整性往往较低。新技术可以提供顺应针端接方式,同时使近端和远端串扰降至最低,达到 SMT 连接器的信号完整性,从而解决这一问题。另外,顺应针还可使设计人员对印刷电路板返工,在使系统的利用程度达到最高的同时,还不会牺牲信号的完整性。

最后,正在开发当中的新型设计工具可以大幅缩短系统设计仿真所需的时间。在传统的手动仿真中,各个组成部分都会独立的进行仿真,可能需要一到两周的时间来完成一项设计的仿真工作。基于软件的新方法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,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,为设计人员开发新系统开拓了极具价值的新视野。在上市时间的重要性与日俱增的同时,这类工具将可以帮助设计人员更加迅速的开发出自身的工具。

在当前以及未来,新的互连解决方案必须满足日益提高的网络带宽和先进技术的需求。产品必须能够支持不同尺寸和形状的连接器的一系列数据速率。这些解决方案还必须满足行业对高速性能日益严格的要求,同时还要提供下一代系统架构所需的灵活性与可升级性。

作者:Jairo Guerrero | 市场总监,Molex 公司企业事业部