高速设计中应该使用PCB还是电缆背板？

摘要/前言

选择背板设计需要对特定的网络拓扑结构和应用进行权衡。在某些情况下，对PCB与电缆背板的评估不是 "非此即彼"，而是一种组合方式。

Samtec的工程师Andrew Josephson、Brandon Gore和Jonathan Sprigler进行了一次讨论，旨在回答在决定高速设计中应该使用PCB还是电缆背板时出现的一些最常见的问题？

这两种方法在成本上比较如何？       

像大多数工程答案一样......得看情况。它取决于结构段的物理覆盖范围、每个段必须承载的通道数量、网络创建的物理网络交叉的数量、串行结构与其他系统基础设施共存的需要，以及背板设计本身的范围。对于物理上简单的串行结构拓扑和有限范围的设计工作，成本权衡可以简单地评估。但是对于复杂的拓扑结构和大规模的系统开发工作来说，开发进度、早期硬件/固件/软件交叉启用和总成本成为价值标准，这些方法的成本比较答案可能变得更加复杂。

在BOM层面，电缆背板可能比传统的PCB更昂贵。但是，在系统层面上，电缆背板可以提供显著的优势，因为它可以实现更早的软件开发/集成活动，降低后端的总成本。例如，电缆背板可以将刀片与测试设备、软件开发平台和早期工程原型系统连接起来，同时为经得起未来考验的生产解决方案提供足够高的性能。

正是出于这个原因，Samtec提供了有线缆组件选项的经典的直角板对板的背板连接器。有些应用看重这些解决方案纯粹是为了SI性能，有些应用则看重它们在开发和集成方面的灵活性，有些则看重它们两者。最后，有些开发非常适合购买与决策。从部件供应商处采购COT电缆组件有时比通过程序性的设计定制高性能背板PCB更快/更容易/更便宜。

对于不同的网络拓扑结构，哪种背板更好？    

下图显示了一些常见网络拓扑结构的物理映射。在更复杂的网络拓扑结构中，由于有更多的网段交叉，电缆背板方法可能会遇到扩展问题，从而使PCB路由方法更具吸引力。此外，基于PCB的背板可以提供与其他基础设施共同设计的优势，如电源传输和带外低速信号。

在简单的环形、网状和星形拓扑结构的情况下，使用电缆背板可能允许节点以更大的刀片或模块间距填充（随着组件功率密度的增加，适应热设计空间，或可能放置在相邻的机架或机箱中）。

看看上图（右）所描述的机架/机箱中勾勒出的星形拓扑结构。在这个例子中，节点或刀片的设计与电缆或PCB背板的连接器是一样的。这意味着设计者现在可以计划使用PCB背板，以后可以迁移到更高速的电缆背板，或者现在就设计电缆背板以获得额外的余量。

上图（左）不同的网络拓扑结构有不同的物理映射。星形 "配置可能是最常见的。星形拓扑结构也被描绘在一个机架中（右），显示了人们可能在组合配置中使用PCB和电缆背板的地方。

性能比较如何？        

PCB和电缆背板都能在较短的通道链路上提供出色的性能。电缆背板在较长的通道链路上也能提供出色的信号速度。电缆背板能做到这一点的原因之一是，布线没有穿过PCB，所以每个差分对可以通过单独的屏蔽电缆。与PCB通道相比，这可以带来更少的损耗和更好的信号完整性（见下图）。

上图：4英寸和18英寸电缆（蓝色线）以及2英寸至16英寸PCB背板（橙色线）的插入损耗比较。黑线显示的是行业标准的插入损耗限制。

在上图中，所有的选择都在超过35GHz的设计参数范围内工作，它们提供了5或6dB的设计余量，这在传统上已经足以满足系统设计中的损耗问题。但对于下一代系统来说，这足够了吗？回答这个问题需要进行系统级信道分析（见下一个问题）。

112 Gbps PAM4需要多少性能？     

更高的数据限制，如CEI-112G-LR-PAM4，和IEEE 802.3 400GBASE-KR4，导致系统级的余量损失，特别是在设计具有成本效益的系统时。例如，当八个通道被绘制出来，并使用信道操作余量（COM）评估对PAM4要求的系统级损失时， 5或6dB的余量开始变得紧张（见下图）。

在这个800GbE端口的模型中，每个通道作为受害者，而其他七个通道作为近端发射的攻击者。在下图中，绿色的点是CEI-112G-LR-PAM4，而橙色的点是IEEE 802.3 400GBASE-KR4。

上图：左边的三个模型是用于电缆背板，右边的三个模型使用PCB背板。请注意，16英寸的PCB背板通道（在上一段图表中有5dB的插入损耗余量）现在在大多数112 Gbps通道上的COM系统级指标有负余量。

我们预计，随着数据速率的提高，余量会越来越少，这在图中得到了印证。电缆背板在所有三种长度（4、10和18英寸）上表现出类似的COM性能，而PCB背板超过了SERDES在8英寸的背板路由长度后补偿损耗、反射和串扰的能力。此外，对于8英寸和16英寸的PCB背板，请注意随着COM结果的分离，100 Gbps和112 Gbps速度之间的差异变得更加明显。对于在112 Gbps PAM4下的16英寸PCB背板，该系统有一个负的COM，尽管在OIF-CEI-112-LR插入损耗限制线方面有很大的余量。

在过去，6dB的余量对设计者来说是一个舒适的地方，可以停止开发和分析，相信未计算的误差项相比之下会很小。对于112Gbps和更高的速度，情况不再是这样了。重要的是在系统层面上评估通道的端到端多线效应，包括所有重要的互连区域。提供板对板和电缆对板互连选项的连接器系统可用于确定设计交易空间，也为更早的集成和更长的维持提供了重要的机会。

Samtec解决方案     

Samtec提供连接器和电缆，支持PCB和电缆背板。如果您还在想：在高速设计中，我应该使用PCB还是电缆背板？