為了滿足當今業界的迫切需求,從事架頂式(TOR)交換機、路由器及伺服器設計的OEM都要求I/O和背板連接器能够提供極高的頻寬速度與效率,同時還要確保在封裝緊密的電路中提供適宜的熱管理,而不會影響到訊號的完整性。

針對這種需求,使用高速的Twinax電纜解決方案取代標準的PCB(PCB)走線,代表目前設計方法中的一個重大變化。實施這些系統的理由有許多,但是通常都圍繞以下幾個核心問題,例如:

  • 減輕PCB損耗,這類損耗往往在ASIC到I/O的PCB通道發生。降低這些損耗後,通常還會帶來更多的裕量,將會使設計人員的產品能夠與TOR交換機和經濟型的被動銅纜伺服器協同工作。
  • 降低PCB的材料成本,因為不再需要為PCB使用新型的特殊材料(這類材料可在更高的資料速率下發揮作用)。預計的節省額約為每套系統300美元。
  • 節省重計時器的成本,重計時器(re-timer)存在於通道中,這樣預計每個埠可節省10-15美元。
  • 避免重計時器的耗電以節省電費。這樣可以大幅降低TOR交換機的功耗。預計每埠可節省10-15瓦,每千瓦時的成本為0.12美元,因此每年總共可以節電約300美元(56Gbps)到525美元(112Gbps)。除了成本之外,在市場上還存在著要求產品減少溫室氣體排放的壓力,而降低功耗是一個重大的貢獻。
  • 透過只為較長走線實施Twinax解決方案來解決長走線的問題,同時還要在可行的情況下為較短的長度使用標準走線。
  • 縮短推出市場的時間。資料顯示,較早進入市場可以獲得更大的利潤份額。對各條通道進行最佳化,會耗費大量的時間並佔用寶貴的工程資源。在前端實施Twinax解決方案,則可以加快設計過程並提高進入市場的速度。

對於考慮損耗問題的基本「經驗法則」

在評估Twinax解決方案是否有所幫助時,最好先瞭解一整條通道鏈路上各個基礎部分的損耗。這種初步的審查可以準確的估計出需求。

需考慮的損耗預算的基礎組成為:

  1. ASIC到「近ASIC」的連接器損耗。這是從ASIC到元件的第一個連接點的損耗。在56Gbps的系統中,該損耗通常為3-5dB。
  2. 從「近ASIC」連接器到前面板I/O的電纜損耗。該損耗對於56Gbps下的34AWG Twinax來說通常為每英吋0.21dB。與PCB損耗相比較,這就是系統可以降低的主要損耗。這種損耗上的降低,又使得我們可以在I/O埠之間使用無源銅纜連接,並且可以省卻使用重計時器而產生的成本和能耗。這些因素(損耗降低、成本降低以及功耗降低)是推動著諸如Molex BiPass等Twinax解決方案不斷發展的主要貢獻因素。
  3. I/O連接損耗。通常為1.5-2dB。無論是否實施某一解決方案,該損耗一般都相同。
  4. 被動電纜元件損耗。通常約為每公尺7.5dB。
  5. 返回路徑(重複)

在這一56Gbps的應用場景下,解決方案可以在通道上減少約12dB的裕量。這一差別意味著設備可以實現被動銅纜佈線的互連,而無需再在通道鏈路上實施成本高昂的光纜。

線纜管理以及「安裝簡便」的解決方案

一種可能的解決方案就是不必合同製造商(CM)在現場安裝和管理一系列I/O到ASIC的Twinax元件,而是要求供應商提供完整的預組立Twinax電纜「槽」,這種電纜梯架(Cable Tray)可以預先在CM處安裝,成為一個完整的單元。在這種情況下,近ASIC連接器在電纜梯架中預先定位於插入位置。這樣一來,只要把CM就可以將電纜梯架解決方案安裝到機殼中,然後向下按壓連接器即可使其部署妥當,安裝完成。

這種預生產的解決方案具有多項優勢:

  1. 安裝簡便。全套的電纜組裝和I/O面板作為一整套解決方案供貨。如上所述,CM在機殼中預先安裝整個單元,出廠後隨後將預定位的連接器按下到位,便可安裝完成。
  2. 品質控制/測試。在交付時,這類電纜梯架其中的每個獨立元件即已通過測試,而且整個單元也已經過測試,因此可立即進行安裝。
  3. 顯著減少「作業人員錯誤」,這類錯誤會在安裝過程中發生。許多電纜都可產生潛在的安裝作業人員問題。採用一整套單元可以極大的降低作業人員安裝時出錯的風險。

此類解決方案可以根據需要來做到極其簡單或者複雜的設計,具體則取決於整個前面板設計,包括頂出槓桿等等。以下所示為一些可能的例子。

散熱考慮事項與氣流

使用Twinax解決方案的另一項優勢,就是有機會在不同的組態下實施解決方案,從而有助於改善氣流並增強熱效能。

儘管每個單獨的應用都可以經過調諧以改善熱效能,但在其他條件相同的情況下,有一些簡單的規則有助於提供最佳的熱效能。

前部對前部應用中的1x1保持架。在其他條件相同的情況下,預計熱效能可改善10oC。 主PCB和夾層式PCB應用中的1x1保持架。根據基線預計熱效能可改善約12oC (較前一場景改善2oC)。

1x2保持架,但垂直放置在機殼中,散熱片位於保持架的一側。兩個保持架並排放置,但是兩個保持架隨後朝向90度方向,從而在機殼中互相垂直。這樣,保持架的頂部和底部的氣流接觸時,將具有優勢。在這一場景中,根據基線,預計效能可改善14oC。

1x2保持架,但垂直放置在機殼中,散熱片位於保持架的兩側。該場景與上面的相近,但是散熱片位於保持架的頂部和底部。這樣就允許最大程度的散熱。在該場景中,根據基線,預計熱效能可改善17oC。

以上資料基於模型,僅供參照,但是可以妥善地說明使用Twinax解決方案如何實現各種不同的佈局,從而達到在熱效能上的改善。

實施ASIC到I/O的Twinax連接,在通道的總經濟性、效能、散熱及總應用成本上可以獲得巨大的優勢。本文的目的在於提供一些明確的設計「經驗法則」,從而簡化設計流程。考慮到這些因素後,系統的設計就不會再像一開始看起來那樣的複雜或者令人望而却步了。當然,可靠的供應商還可以在你的設計開發與實施過程中有所幫助。