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在ASIC到I/O的连接中实施高速双同轴解决方案的设计考虑

时间:2019-07-04 作者:Brent Hatfield 阅读:
从事架顶式(TOR)交换机、路由器及服务器设计的OEM都要求I/O和背板连接器能够提供极高的带宽速度与效率,同时确保在封装紧密的电路中提供适宜的热管理,而不会影响信号的完整性。高速的双同轴解决方案,而非标准的印刷电路板走线,代表当前设计方法的一个重大变化。

为了满足当今业界的迫切需求,从事架顶式(TOR)交换机、路由器及服务器设计的OEM都要求I/O和背板连接器能够提供极高的带宽速度与效率,同时还要确保在封装紧密的电路中提供适宜的热管理,而不会影响到信号的完整性。为了对此作出补救,设计出高速的双同轴解决方案,而不是使用标准的印刷电路板走线,代表了当前设计方法中的一个重大变化。对于实施这些系统来说,存在着许许多多的理由,但是通常会围绕几个核心问题来展开,比如说:

• 减轻印刷电路板的损耗,这类损耗往往在ASIC到I/O的印刷电路板信道上发生。降低这些损耗后,通常还会带来更多的好处,将会使设计人员的产品能够与连接到TOR交换机的经济型的无源铜缆服务器协同工作。
• 降低印刷电路板的材料成本,方法是不再需要为印刷电路板使用新型的特殊材料(这类材料可在更高的数据速率下发挥作用)。预计的节省额约为每套系统300美元。
• 不再产生重定时器的成本,重定时器存在于信道当中,这样预计每个端口可节省10-15美元。
• 避免重定时器的耗电并产生电费。这样可以大幅降低TOR交换机的功耗。预计每端口可节省10-15瓦,每千瓦时的成本为0.12美元,因此每年总共可以节电约300美元(56Gbps)到525美元(112Gbps)。除了成本之外,在市场上还存在着要求产品减少温室气体排放的压力,而降低功耗则可作为一个重大的贡献因素。
• 通过只为较长的走线实施双同轴解决方案来解决长走线的问题,同时还要在可行的情况下为较短的长度使用标准走线。
• 缩短上市时间。数据显示,较早进入市场可以获得更大的利润份额。对各条信道进行优化,会耗费大量的时间并占用宝贵的工程资源。在前端实施双同轴解决方案,则可以加快设计过程并提高市场的进入速度。

对于考虑损耗问题的基本“经验法则”

在评估双同轴解决方案是否有所帮助时,最好先了解一下一整条信道链路上各个构建块的损耗。这种初步的审查可以很好的估计出所需的各个方面。

供考虑的损耗预算的基础构建块为:

1. ASIC到“近ASIC”的连接器损耗。这是从ASIC到组件的第一个连接点的损耗。在56Gbps的系统中,该损耗通常为3-5dB。
2. 从“近ASIC”连接器到前面板I/O的电缆损耗。该损耗对于56Gbps下的34AWG双同轴来说通常为每英寸0.21dB。将该损耗与印刷电路板损耗相比较,而这就是系统可以降低的主要损耗。这种损耗上的降低反过来又可以促成在I/O端口之间使用无源铜缆连接,并且不会再由于使用重定时器而产生成本和能耗。这些事项(损耗降低、成本降低以及功能降低)是推动着莫仕的BiPass解决方案之类的双同轴解决方案不断发展的主要贡献因素。
3. I/O连接损耗。通常为1.5-2dB。无论是否实施某一解决方案,该损耗一般都相同。
4. 无源电缆组件损耗。通常约为每米7.5dB。
5. 返回路径(重复)

在这一56Gbps的应用场景下,解决方案可以在信道上减少约12dB的裕量。这一差别意味着设备可以实现无源铜缆布线的互连,而无需再在信道链路上实施成本高昂的光缆。

实施线缆槽式的线缆管理以及“安装简便”的解决方案

一种可能的解决方案不再需要合同制造商(CM)来安装和管理一系列I/O到ASIC的双同轴组件,而是要求供应商提供完整的预装配双同轴电缆“槽”,这种电缆槽可以作为一个完整的单元在CM处即时的安装。在这种情况下,近ASIC连接器将在电缆槽中预定位到插入位置。这样一来,CM就可以将电缆槽解决方案安装到机壳中,然后向下按压连接器即可使其部署到位–安装完成。

这种预生产的解决方案具有多项优势:

1. 安装简便。全套的电缆组和I/O面板作为一整套解决方案供货。如上所述,CM随后将在机壳中安装整个单元,将预定位的连接器按下到位,然后安装完成。
2. 质量控制/测试。这类“电缆槽”在交付时其中的每个独立组件即已通过测试,而且整个单元也已经过测试,因此可立即进行安装。
3. 显著减少“操作人员错误”,这类错误会在安装过程中发生。许多电缆都可产生潜在的安装操作人员问题。采用一整套单元可以极大的降低操作人员安装时出错的风险。

此类解决方案可以根据需要来做到极其简单或者复杂的设计,具体则取决于整个前面板的设计,包括顶出杠杆等等。以下所示为一些可能的例子。

热工上的考虑事项与气流

使用双同轴解决方案的另一项优势就是有机会在不同的配置下实施解决方案,从而有助于改善气流并增强热性能。

尽管每个单独的应用都可以经过调谐从而改善热性能,在其他条件相同的情况下,对于采用哪种配置才可以提供最佳的热性能,目前有一些简单的规则正在浮现出来。

前部对前部应用中的1x1保持架。在其他条件相同的情况下,预计热性能可改善10℃。

主印刷电路板和夹层式印刷电路板应用中的1x1保持架。根据基线,预计热性能可改善约12℃(根据前一场景,改善2℃)。

1x2保持架,但垂直放置在机壳中,散热片位于保持架的一侧。两个保持架并排放置,但是两个保持架随后朝向90度方向,从而可以垂直放置在机壳中。这样,在气流与保持架的顶部和底部发生接触时,将具有优势。在这一场景中,根据基线,预计性能可改善14℃。

1x2保持架,但垂直放置在机壳中,散热片位于保持架的两侧。该场景与上面的相同,但是散热片位于保持架的顶部和底部。这样就允许最大程度的散热。在该场景中,根据基线,预计热性能可改善17℃。

以上值仅供参考,基于模型,但是可以良好的说明使用双同轴解决方案可以如何实现各种不同的布局,这样反过来又可以做出热性能上的改善。

实施ASIC到I/O的双同轴连接,在信道的总经济性、性能、热工及总应用成本上可以获得巨大的优势。本文的目的是提供一些明确的设计上的“经验法则”,从而简化设计流程。考虑到这些因素后,系统的设计就不会再像一开始看起来那样的复杂或者令人望而却步了。而且,当然,可靠的供应商还可以在您的设计开发与实施过程中有所帮助。

(来源:Molex公司)

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