替代FR4 PCB的高速连接，有线背板成本与性能的博弈

可以预见的是，随着数据中心，企业网络和高性能计算市场的高性能/低功耗半导体芯片组的激增，传统的FR4 PCB基质的传输性能可能不再能满足相应的灵活性需求、吞吐量需求以及信号完整性需求。并不是绝对不能满足，对于25Gbps以下的速度来说，传统的FR4 PCB基质的传输性能仍旧是可以覆盖的。但速率一旦需要升级，且需要在25Gbps基础上再拔高，就不得不转而寻找FR4 PCB基质在连接方面的替代方案。
 
应运而生的有线背板技术是替代FR4 PCB的高速连接方案里相当重要的一项技术。在十余年的发展历程中，有线背板技术在背板生态系统里一直独具吸引力。
 
更高的电气性能与更高的成本
 
FR4 PCB基质在耐用性和机械性能上足够优秀，各项性能指标也都能满足一般工业用电子产品的需要，性价比更是没得说。在25Gbps以及更高速度下的连接应用，都格外看重连接系统的电气性能，但前提是系统速率能达到25Gbps，FR4 PCB基质虽然性价比很高，但是不得不牺牲一些成本来找到性能更高的方法。目前除了光纤技术外，有线背板技术是用于大型计算和交换系统的少数替代方案之一。有线背板技术相对于传统PCB基质，根据不同的结构与设计，成本提高了5-10倍不等。
 
一些领先的PCB制造供应商开发了HDI高密度互连结构，增加的互连密度允许增强信号强度和提高可靠性。构建这些极高层数的背板需要采用20-30个制造步骤，成本的增加带来的是更高的性能。高密结构有助于减少信号损失和交叉延迟的可能性，从而提高信号传输速率，所有这些都有助于提高高密度互连系统中的整体性能。
 

（图源：莫仕）

 
但高速与高密的取舍并不是所有供应商都能做好，高速与高密之间，存在着不可避免地相互制约的关系，接口密度越高信号间的串扰风险一定会随之变大，最高信号速率难免就会受到束缚。目前国内厂商最高水平是能够做到56Gbps，在大多数情况下，56Gbps的数据速率已经足够。在56Gbps以上的112Gbps更高速率应用领域，目前还是只有一些国际主流大厂能把握好超高速下连接与高密的平衡点，并实现量产化，比如TE、安费诺、莫仕。实现了112Gbps高速率的大厂现在都在尽可能控制信号端子的短柱谐振，以提供更平稳的线性传输速率，这种技术和工艺层面的领先在相当长一段时间里都会如此。话说回来，在56Gbps及以下的应用里，国产连接器目前的实力也相当能打了。
 
灵活的背板配置与结构带来更高的信号完整性
 
借助有线背板技术，互连系统可拥有更多设计上的灵活性，为OEM提供更多的系统配置。各子卡并行安装是一种常用的背板配置，此外，中板/正交配置以 90 度方向安装子卡也很常见。以这种方式布线通常是在背板空间内连接子卡，可实现更高效的热管理。不管哪一种各配置，使用电缆都能够进一步提升电气性能和信号完整性。
 
领先的厂商能够实现信号端子在高速差分对中水平排列的零斜切，这会大大简化电路板设计，还同时能提高信号完整性，节省了相当大一部分电路板空间。在保证灵活度上做得最好的可以参考TE的C形、360°接地设计，斜切的减少以及零斜切会减少了噪声消除的相关工作并保证电气裕度，不依赖噪声消除这个能力在高速连接应用中是至关重要的。充裕的电气裕度从另一方面保证更高的PCB灵活性。
 

（图源：TE）

 
莫仕更喜欢采用无中间平面PCB的开放式结构，通过构建无中间平面PCB的开放式结构来改善气流，这种做法在成本上更低廉一些。得益于工艺的领先，在Molex的背板系列里，无中间平面PCB的开放式结构应该是目前市面上能提供的密度最高的选择之一。
 
有线背板的困扰
 
随着设备数据速率从25Gbps到56Gbps到112Gbps，市场对有线背板的需求只会不断增加。 有线背板技术可获得上面那些优异的性能，但也并不是没有困扰。
 
使用有线背板需要使用复杂的引脚标测来了解每个电缆是如何从板到板进行路由的。某些系统内可能需要设置数千个点对点连接，复杂性可见一斑。电缆路由极为复杂，这可能会影响电气和机械性能。要解决这一困扰需要OEM与连接提供商做大量的细节合作。
 
小结
 
作为替代传统FR4 PCB基质的传输的有线背板，有着很好的性能，也有一些应用中的困扰，但我想归根结底在选择时最重要的还是成本。如果PCB能够满足信道预算，应该没有谁使用更昂贵的有线背板。但是，如果要求体系结构上的灵活，要求突破传统PCB连接在25Gbps及更高速度条件下存在的信号完整性上的极限，那么有线背板昂贵的因素也就不重要了。但肯定的是随着设备数据速率越来越高，市场对有线背板的需求只会不断增加，如何解决有线背板在应用时的困扰，也许连接器厂商通过对系统尺寸和信道长度的持续优化，会让这一技术在成本上更具竞争力。