問題是這樣的。伺服器和交換機中使用的電路板通常都很大,它們的一端一般用「開箱即用的」I/O銅線或光纖,另一端是背板連線。為了盡可能縮短訊號傳輸的總距離,PCB設計人員會在大約電路板的中心位置放置交換IC(FPGA或ASIC)。當然,將I/O和交換器元件靠近擺放可以最大限度地減小兩者間的訊號損耗,但會使從ASIC或FPGA到背板的訊號完整性更加糟糕。

目前訊號基頻為14GHz,由趨膚效應、交織效應、表面粗糙度、過孔和連接器造成的損耗通常都太大,會影響可靠通訊。即使接收器可以檢測到比發送端訊號幅度低38dB的輸入訊號,但訊號劣化程度卻常常無法被接受。

28Gb/s非歸零訊號(NRZ)的時脈速率是14GHz。為了有利於減少56Gb/s時的訊號損耗,許多工程師轉用四電平脈衝振幅調變(PAM4)—這與NRZ相比,指定訊號速率下的資料速率可以翻倍。這樣,在14GHz時脈速率條件下用PAM4訊號可以達到56Gb/s,但這有個問題,PAM4訊號的幅度(眼高)只有NRZ訊號的三分之一(圖1),因此在訊號損耗和對雜訊的敏感度之間需要達到一個平衡。

20170913TA01P1 圖1 PAM4訊號的眼開(右)約是NRZ訊號高度的三分之一,使得PAM4訊號更容易受雜訊影響而出錯。

Samtec訊號完整性部門技術長Scott McMorrow在其提供的一張電子資料工作表格中,用清單和圖形形式顯示Megtron6 PCB材料和28AWG到36AWG尺寸的線纜在不同長度和從1GHz~50GHz的頻率下的損耗差異(dB)。距離涉及1英吋、12英吋和1m,可以使用這些資料估計具體設計中的訊號損耗大小。

為了減輕PCB損耗問題,包括Molex、Samtec和TE Connectivity在內的多家連接器公司開發出了能讓訊號繞開PCB走線的互連方案。這些線纜配件有很多種,取決於具體應用。舉例來說,它們連接I/O(通常是QSFP等光學模組)到ASIC、ASIC到背板、電路板到電路板,用於替代相同電路板上的剛性背板和晶片到晶片連接。圖2顯示一種來自DesignCon 2017展會上演示的跳線例子。

20170913TA01P2 圖2 跳線配件可以讓訊號繞開I/O連接器與ASIC或FPGA之間的PCB。Samtec提供直式或直角連接器兩種形式。

TE Connectivity系統架構小組專家兼工業標準部門經理Nathan Tracy表示:「與採用PCB走線相比,使用線纜傳輸56Gb/s訊號可以將損耗降低大約一半。」圖3比較了幾種PCB材料和兩種尺寸的線纜在不同頻率下的損耗情況。正如你想像的那樣,較粗的30AWG導線的損耗要比34AWG導線小。但損耗較低也有不利之處,Molex先進技術行銷經理Greg Walz提醒,較低損耗的導線與較高損耗的導線相比,其抑制反射的性能較低,而反射增加會提高本底雜訊,這對PAM4編碼來說很關鍵,特別是在較短長度的線纜上,因此仍然需要平衡損耗與反射和雜訊之間的關係。

20170913TA01P3 圖3 使用這張表格比較PCB材料和導線在不同頻率下的損耗值。

用來繞開PCB走線的線纜配件名字有很多,比如Sliver、Firefly和BiPass,本文把這類產品稱為「跳線」配件。跳線使用直式和直角連接器製成,這些連接器透過一串通常稱之為「twinax」的差分線對連接在一起,圖4顯示Samtec的Eyespeed高性能twinax線纜技術。

20170913TA01P4 圖4 這種twinax線纜由一對導線、一層電介質、兩個金屬遮罩層和一層護套組成。

值得注意的是,導線是並行的,而不是雙絞線。雙絞線通常用於長距離線纜,比如電話線。Walz指出:「雙絞線適用的速度大約到5Gb/s。」絞線可以降低干擾的影響,但在28Gb/s NRZ或56Gb/s PAM4的速度時,由於時脈頻率至少是14GHz,所以需要用一對並行的遮罩線來減輕雙絞線遇到的串擾問題。Walz補充:「twinax線纜可以將串擾衰減70dB到80dB。」

這些線纜的結構存在差異。圖5顯示Molex的BiPass線纜配件的橫截面圖。除了遮罩層外,Molex還增加了一根連接到參考平面的引流線,用於最大限度減小線纜內部過多的電荷。圖6顯示TE Connectivity的twinax線纜橫截面圖。

20170913TA01P5 圖5 這張橫截面圖顯示twinax線對、遮罩層和引流線。

20170913TA01P6 圖6 據TE Connectivity介紹,該公司的twinax線纜不需要引流線,也不需要第二個遮罩層。

由於這些線纜傳送的訊號具有很高的頻率,因此差分對中的每根導線必須具有相同的長度。Samtec高速線纜產品部產品與工程經理Keith Guetig表示:「每根導線不再是單獨擠壓出來然後熔接在一起,而是在嚴格的製程控制之下同時擠壓出這兩根導線。這樣做可以確保絕緣材料的介電常數保持一致。」這種一致性可以最大程度地減少訊號偏斜,即當訊號沿著這對導線以不同時間到達終點時出現的一種狀態。在14GHz和更高頻率時,偏斜問題很嚴重——由於導線在PCB的纖維織紋之上或之間經過,這一問題會受到很大的影響,因此,除非差分走線中的兩根導線經過相同的點,否則訊號中勢必會出現偏斜。偏斜在10Gb/s(5GHz)時問題還不大,跳線可以最大限度地減小偏斜,因為差分對的兩根線會同時經過相同材料,不像PCB走線中可能發生的偏差。

因為這些跳線是線纜配件,所以它們也有連接器。圖7提供可以安裝到電路板上的一些直式和直角連接器例子。注意面向訊號完整性的遮罩殼。Tracy提醒,線纜長度範圍通常是從約50cm~100cm。圖7右下角的線纜配件包含8根遮罩的差分對線纜,跳線一般可以提供多組八差分對。

20170913TA01P7 圖7 跳線連接到直式和直角連接器,再連接到PCB。

圖6所示線纜的另一端連接到諸如QSFP模組的光學I/O埠,但它們也能透過各種連接器連接到電路板上的其他地方,圖2所示的線纜配件的一端就是QSFP模組。在這種應用中,線纜中的導線直接焊接到QSFP模組上,因此最終訊號路徑中沒有PCB銅走線,線纜還能透過連接器直接插入I/O模組。圖8顯示導線在QSFP模組內如何連接,電路板連接器透過壓接接腳連接到電路板,它將控制和電源接腳與線纜中的高速訊號分離開。

20170913TA01P8 圖8 在這種配置中,線纜導線直接接進I/O模組。

並不是所有跳線配件都需要傳送資料速率為28Gb/s和更高的訊號,它們也有資料速率更低的應用。舉例來說,像硬碟驅動器和固態硬碟等儲存應用使用的SATA連線速度就是6Gb/s和12Gb/s。針對這些應用,TE Connectivity提供與高速線纜相比成本更低的Sliver線纜配件,圖9顯示了一種能夠傳送56Gb/s訊號的線纜配件(上方)和一種針對儲存應用的配件。

20170913TA01P9 圖9 圖片上方的線纜一般用於交換機中,並提供光學模組與ASIC或FPGA之間的連接;更低成本的線纜(圖片下方)則是針對儲存應用設計。(圖片來源:筆者在DesignCon 2017展會的TE Connectivity展台上所拍。)

設計折衷

這些線纜配件可以改進訊號完整性,但它們也需要不同因素的折衷,包括成本、靈活性和散熱。如圖3所示,一根30AWG的導線的阻抗比34AWG導線小(因此損耗更低),用28AWG的導線還可以獲得更好的性能。對訊號完整性來說,導線是「越粗越好」,但隨之帶來的是價格問題。Guetig表示:「較粗導線的柔韌性比不上較細的導線,而這會影響電路板的佈局,因為較粗的導線柔韌性較差。一根28AWG twinax線纜和一根34AWG線纜相比,其硬度差異非常顯著——34AWG線纜的柔韌性非常好。」圖10展示了為什麼柔韌性非常重要,特別是在晶片到晶片的連接中。

20170913TA01P10 圖10 當在晶片之間使用高速線纜配件時,柔韌性變成了很重要的考慮因素。

Guetig指出,28AWG的導線傳送28Gb/s NRZ訊號時的長度可以超過1m,而34AWG的典型應用只能達到50cm或更短。他還指出,密度和柔韌性是採用盡可能細的AWG導線的原因。另外,與較輕的導線相比,使用較重的導線會限制空氣流動。

散熱問題在設計決策中也扮演著重要角色。Guetig指出,在網路交換機中使用的I/O卡可能有40個外部連接,每個連接都需要有自己的跳接配件。再加上用於控制訊號和電源的其他線纜,意味著使用跳線很可能使電路板上的線纜配件數量翻倍,這會顯著減少空氣流動,使設備變得更熱。圖11顯示採用34AWB twinax線纜給包含32個16差分對QSFP-DD埠的12.8TB/s乙太網路交換機佈線的線纜情況。在這種配置中,使用較粗的導線會減少空氣流動,使其達到出現散熱問題的數值,其中每個差分對使用PAM4傳送56Gb/s訊號。

20170913TA01P11 圖11 為了保持這種乙太網路交換機中的熱量處於受控狀態,要求使用34AWG的導線,但更粗的導線會給空氣流動增加太多的阻礙。

在做出設計選擇時,必須在你的熱預算中考慮散熱問題。最終會發現,在電路板上設計重定時器(retimer),然後只走PCB上的路線是一種較好的選擇。你必須決定元件數量、訊號完整性、成本,以及設計中的散熱問題。如果光波導能夠做到PCB上,那就不需要使用線纜了,但板載光學連接的實現似乎還要再等5年甚至更長的時間。

測試線纜配件

因為這些跳線配件需要處理今天最高速的訊號,所以需要知道它們在系統中的工作性能如何,幸運的是,可以利用模擬開始設計。線纜供應商已經開發出成熟的測試夾具來特徵化這些線纜,然後他們透過對夾具效應進行去嵌入來測量線纜的特徵,再使用向量網路分析儀(VNA)來測量這些配件的回應。供應商會透過頻域測量資料生成在系統模擬時需要的S參數檔,然後就可以透過模擬得到的眼圖,在時域中查看跳線對訊號完整性的影響。如果想透過親自測量來驗證模擬,也可以申請獲取評估板。