制造/封装
摘要/前言
本白皮书包含了实测数据和示例,解释了为什么在高速设计中,电缆解决方案可能更好。它还探讨了诸如电缆管理和成本等方面的问题。
上篇中,虎家白皮书系列 | Samtec Flyover®电缆系统 上篇,我们了解了电缆性能和与PCB的对比。本系列的中篇将讨论电缆如何改善热管理、如何利用Flyover®优化设计等实践话题。
电缆如何降低设计复杂性
如之前所述,高速PCB传输线路,例如传输PCle®或以太网信号的线路,会受到纤维编织skew的影响。减轻纤维编织skew的传统方法之一是使用CDR或重定时器来提高信号完整性。
当信号在PCB上的传输线路上传播时,会受到噪声和其他信号的影响,经过通孔或绕过拐角,这些几何变化会引入skew(使差分对的P和N变得不同步)。简而言之,CDR在信号通过PCB时纠正信号。
此外,CDR还具有一些均衡特性,可以改善信号强度(以弥补损耗)。但信号一旦离开CDR电路,它容易再次受到skew、噪声和干扰的影响。此外,将CDR添加到设计中会增加成本、复杂性、空间占用、功耗、热效应和热量。相比之下,Flyover®电缆是一种被动解决方案,因此不会产生热量,也不需要电源。
另外,CDR还可能会给系统增加几纳秒的延迟,具体取决于芯片,这在对时间敏感的关键任务应用中可能非常重要。值得注意的是,PAM4增加了信号清理的复杂性,进而可能造成更多的延迟。由于电缆具有较好的电介质特性,使用Flyover®电缆的设计在延迟方面明显优于使用PCB或带有CDR的PCB的设计。此外,将信号传输线路移至电路板外可以减少PCB堆叠的层数,从而降低成本和复杂性,我们后续将对此进行详细讨论。
电缆如何改善热管理
Flyover®电缆可以极大增加设计灵活性,允许设计人员将电路板、芯片和组件放置在最佳位置,以减少热效应并最大程度地提高性能。图5显示了PAM4 56 Gbps交换机开发早期的典型电信网络交换机设计,图中比较了使用传统PCB传输线的真实原型(左)和使用 Samtec Flyover®技术重新设计的版本(右)。系统在顶部和底部QSFP-DD前端口之间形成1m无源DACS环路。
图 5:通过使用Flyover®技术(右)重新设计网络交换机(左),设计人员在热管理方面取得了显著的改善。
在图5中,值得注意的是,采用18英寸电缆的Flyover®设计后,FPGA芯片已经被移至箱体的后方,这极大地影响了机箱内的热量,包括前面板上的光学组件(这样做有望提高光学组件的使用寿命,并减少维护需求)。
随着系统数据速率的提升,ASIC上的端口数量将会增加。这将导致系统产生更多热量,因此热管理变得更加重要。像这样的高吞吐量系统可以轻松消散1,000瓦或以上的热量。将产生热量的组件策略性地放置在系统中较冷的区域,对信号完整性、成本、功耗、产品寿命和热管理都会产生显著影响。
如何利用Flyover®电缆提高设计灵活性?
除了改善热条件和信号完整性外,Flyover®电缆还提供了将组件放置在最佳位置的灵活性,以简化装配并提高可维护性。
例如,若设计中存在堆叠配置或需要在不同平面上放置端口,则可使用Flyover®电缆轻松实现,并确保信号完整性最佳。这种方法还有助于应对机械公差,因为电缆允许在系统中进行更多移动,PCB则不然。
在模块化系统中,可使用较小的子卡处理需要维修的组件。例如,系统可能包含一个带有高端FPGA ASIC的复杂子卡。设计人员可将Flyover®电缆连接到光学端口,一切都插入到更简单的子卡中。因此,若复杂电路出现故障,维修人员无需拔下光学部件,只需更换处理子卡即可。
Flyover®系统还可在前端口选择方面提供灵活性,设计人员无需考虑PCB的不同skew。举例来说,系统设计人员可能在一个系统中需要QSFP端口,在另一个系统中需要SFP端口,但两个系统所使用的基本交换机或计算卡是相同的。采用模块化方法的Flyover®电缆允许设计人员在不影响PCB上的高速设计的情况下更换端口类型。这降低了成本、生产复杂性和设计时间。通过Flyover®解决方案,设计人员可以灵活连接芯片到芯片、芯片到背板和/或芯片到端口,同时保持最佳的信号完整性和散热优化。Samtec提供多种端接选项,包括低轮廓、密集、盲插或行业标准。
小 结
本文为系列中篇,详细探讨了电缆如何降低设计复杂性、电缆如何改善热管理、如何利用Flyover®优化设计灵活性。
如果您对中篇的内容还意犹未尽,请点击了解下方视频,了解Samtec Flyover®在Demo实践中的稳定表现。Samtec有10种连接器系统(包括线到板和板到板)可在112 Gbps PAM4数据速率下实现出色的性能。112 G电缆系统是Samtec Flyover® 专为中板、中板到前面板、中板到后面板以及面板到面板配置而设计的解决方案。
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