高速数字系统的互连完整性和散热问题

 

　　随着互连速度超过了10Gbps，工程师和设计人员都在努力解决如何在保持一个合理的热能管理预算的前提下，保持信号的完整。由于系统散发的热量过多，因此如何让系统保持温度低于合理的水平，防止过早失效或人身伤害(连接器的温度)这对工程师和设计人员来说是一个挑战。在这篇文章中，我们将探讨如何降低互连功耗，以及当今高速世界热能管理的各种技术。

　　服务供货商正在迅速扩大他们的容量，为此所需的传输互传带宽—10G通过太网交换机和服务器进行互连的方式已经非常普遍了。由于数据传输速率超过了10Gbps，要保持信号的完整性以及管理日益增加的电力需求正变得越来越困难。要更快的速度，就需要更多的电力。要在同一距离达到更快的速度，就需要有源电路或特殊材料。那么，有没有适合这种转换升级的解决方案呢?

　　光互连和替代品

　　在许多高速数据应用中，都有一个ASIC或FPGA在完成或正在处理交换。实例包括了组成连接结构的交换机和采用深度封包检测技术的防火墙，这里吞吐能力是设计的关键所在。这些类型的系统互连通常是通过位于靠近设备背面的连接光缆的光纤模块。直到最近，大多数ASIC或FPGA都不能直接提供内建的10G以太网连接，所以一个物理层设备(PHY)采用了汇聚多个信道的较慢数据(XAUI)来达到10G以太网标准。这使得设计人员能够在其印刷电路板(PCB)上传输速度较慢的数据，也较少会碰到一些关于信号完整性(SI)的问题(请见图1)。

　　

 

　　然而，随着最近32nm(及更小)CMOS工艺的推出， 10GE元件已能够被整合在中央ASIC或FPGA当中。在大多数应用中，这是很重大的进步，因为系统工程师可以在他们的设备设计中实现更高的密度—这的确是这样(见图2)。然而，这带来了一个新的问题，因为在到达光纤模块连接器之前，10G信号的完整性会迅速恶化。较小发射振幅的低电压CMOS限制了信号的输出电平。此外，如果这些模块远离ASIC或FPGA，就可能难以满足非常严格的输入抖动要求。为了解决这个问题，信号调节器装置可以放在连接器附近以帮助减少抖动来满足规范。在许多情况下，随着高密度交换器的增加，额外的功耗会导致空气温度上升，而空气本是用来冷却插入系统背面的光纤模块的，这就需要增加信号调节的步骤以尽可能的降低功耗。美国国家半导体的单通道DS100BR111和四通道DS100BR410都是可以满足此要求的良好实例，两款元件都是功耗极低的10G缓冲中继器。增加连接器附近的功耗可能会导致光纤模块温度的问题，所以保持较低的功耗至关重要。

　　

 

　　另外，系统也开始在使用有源铜缆来代替长度在15米以下的光模块互连。这种趋势主要来自于用户希望能降低互连的成本，且在较短传输距离下可选择的使用到光缆。有源铜缆基本上采用了如上所述相同的技术，除了缓冲中继器装置是在连接器外壳内部，还采用了均衡和去加重补偿电缆的损耗。然而，由于这些系统背面高密度的连接器和有限的气流或空气温度较高，构建一个有源电缆还是要求非常低的功耗。事实上，如果有源元件的功率不够低，连接器外壳的温度可能上升到足以造成移动电缆的技术人员严重烧伤的程度。

　　像Molex、Tyco、Amphenol及其他几家制造商也开始在光纤模块组笼(Cage)中整合散热片，以帮助消除余热。这有助于管理模块的热量性行踪(thermal footprint)以确保正常运行。然而，对于某些为了缩短运行距离而使用无源电缆的安装客户来说，需要的是较大直径的电线组件。当这些电缆大量插入一个机架的背面时，它们实际上可能阻碍气流，造成设备的运行温度上升。这是促使用户转向使用有源铜缆28或30 AWG导线的另一个原因。相对于无源电线组件以及类似光纤的弯曲半径来说，后者的直径更小。

　　未来不再那么遥远

　　随着对带宽需求的不断增加，运营商和服务供货商将需要更高容量和更高密度的互连。目前大多数企业交换机和服务器接口都是10G以太网，其已部署到位的信息架构可支持光纤和铜缆—无论是有源还是无源。40G以太网使用四信道10G，而100G使用十通道。但是，下一步将迁移到25G互连，这将简化用于传输100G以太网的WDM光纤模块。由于必须以更快的速度运行和需要增加互连密度而导致功率的增加，预计在2012年或2013年左右将会出现一系列新的散热问题。

　　增加气流以改善系统冷却能力的需求带来了与机械式风扇有关的问题。然而，Nuventix公司新的冷却技术采用了所谓的「夹带(entrainment)」现象，他可以在无需旋转风扇的情况下，帮助保持连接器的周围气流运动。这些冷却器产生了喷射的气流，将周围的空气拉入(pull in)冷却器，其寿命达到了10万小时。这些冷却器已经被用于那些有较高使用寿命要求和在乎因使用旋转风扇引起过大噪声影响的LED散热系统。

　　结论

　　随着我们对分享丰富式媒体(Rich Media)、流视频和实时下载愿望的增加，对带宽的要求也将不断增加。更快的系统需要更多的电力，也需要新的方法来更有效地使用电力，或是处理好相关的散热。一个最佳的解决办法是以较低功率水平更快地传输数据，也许在不久的将来的某个时候人们会发现一种全光纤网络解决方案。铜缆仍然还有很长的寿命，今天的一些解决方案已使数字信号远远超过了25Gbps。