אֶלֶקטרוֹנִי ארכיטקטורות מערכת זקוקות לקצבי נתונים מהירים יותר עם סכימות אפנון ברמה גבוהה יותר בגורמי צורה קומפקטיים יותר. זה מסבך את פריסת המעגלים המודפסים (לוח מחשבים) מכיוון שמתכננים פועלים למזעור הפסדי קו תמסורת ולהפחתת הרגישות לרעש, השתקפויות והצלבה כדי לשמור על שלמות האות ולעמוד בדרישות שיעור שגיאות סיביות מקסימליות (BER). כמו כן, אותות חשמליים או אופטיים מרובי נתיבים בין IC או לוח ללוח דורשים הטיית אותות ממוזערת, במיוחד בצמדי אותות דיפרנציאליים.
אחת הדרכים לתת מענה לצרכים אלה המאפשרת שימוש במצעי לוח סטנדרטיים כדי למנוע עלויות גבוהות יותר היא להשתמש במכלולי כבלים במהירות גבוהה במקום להסתמך רק על עקבות לוח מחשב. מכלולים אלו משתמשים בתצורות חד-קצה ודיפרנציאליות, בחומרים מתקדמים ובטכניקות המספקות שלמות אות מצוינת ותומכות בנתיבי אותות מרובי נתיבים בצפיפות גבוהה בנחושת או בסיבים אופטיים. יישומים מסוימים כוללים קצבי פעולה של עד 64 גיגה-ביט לשנייה (Gbps).
מאמר זה דן במה שמניע את הצורך במהירות גבוהה יותר וכיצד הוא מטופל. לאחר מכן הוא מציג מכלולי כבלים מהירים מבית Samtec ומתאר את היכולות והשימוש בהם.
הצורך במהירות
העולם רעב לתקשורת מהירה יותר. יישומים כמו 5G ו-6G סלולר, בינה מלאכותית (AI), מחשוב קוונטי ו'Big Data' מניעים ארכיטקטורות מערכת חדשות ודורשות רוחבי פס גבוהים יותר בקצבי שידור מהירים יותר תוך כיווץ המכשיר והמערכת. טכנולוגיות מתפתחות אלו דורשות חיבורים שיכולים לספק את שלמות האות הגבוהה ביותר ולשמור על יחסי אות לרעש (SNR) גבוהים בנוכחות רעש, דיבור, השתקפויות, הפרעות אלקטרומגנטיות והפסדים ומקורות הפרעות אחרים.
מהירויות גבוהות יותר חייבו שינויים בחיבור טֶכנוֹלוֹגִיָה. ראשית, שידור אות חד-קצה, שבו נתונים מועברים על ידי חוט יחיד המתייחס לנתיב חוזר (המכונה לעתים קרובות 'אדמה'), מוחלף על ידי חיבורי אותות דיפרנציאליים שבהם שני חוטים נושאים אותות נתונים ב-180˚ מחוץ לפאזה. איתות דיפרנציאלי משפר את ה-SNR על ידי דיכוי הרעש המשותף לשני המוליכים (רעש במצב משותף). שנית, קידוד נתונים עובר מקידוד של סיביות בודדות לכל מחזור שעון, קידוד ללא חזרה לאפס (NRZ) למספר ביטים במחזור שעון, כגון אפנון משרעת פולס 4 רמה (PAM4), המקודד ארבע רמות נפרדות או שני ביטים לשעון מחזור (איור 1).
PAM4 אורז שתי סיביות של נתונים לכל מחזור שעון תוך שימוש בארבע רמות המקודדות כ-00, 01, 10 או 11. זה מכפיל את קצב הנתונים עבור קצב שעון קבוע, אך מקטין את ה-SNR עקב שינויים באמפליטודה הקטנים יותר בין מצבי הנתונים. איתות PAM4, לפיכך, דורש רמה גבוהה יותר של שלמות האות.
אפיון ביצועי קו תמסורת
בין אם מדובר במעגל מודפס או בכבלים, ביצועי קו התמסורת מאופיינים בדרך כלל בתחום התדרים על ידי פיזור פרמטרים (פרמטרים s). פרמטרי S מתארים מאפיינים של התקן על סמך ההתנהגות החשמלית הנצפית בכניסות וביציאות מבלי להכיר את הרכיבים הספציפיים בתוך המכשיר. מספר נתוני הצטיינות (FoMs), המבוססים על פרמטרי s נמדדים, משמשים לתיאור התקני שני יציאות כגון כבלים. ה- FoMs הנפוצים ביותר הם:
- אובדן הכנסה: ההנחתה שחווה אות המתפשט מהכניסה לפלט של כבל, המתבטאת בדציבלים (dB) (לקו תמסורת אידיאלי יש אובדן הכנסה של 0 dB)
- תשואת הפסד: ההפסד (ב-dB) עקב השתקפויות האות הנובעות מאי-התאמה של עכבה במוצא
- דיון חוצה: מידה (ב-dB) של אותות לא רצויים המחוברים לקו התמסורת עקב חיווט סמוך
FoMs אחרים המעניינים הם עיכוב ההתפשטות של קו התמסורת והטיית הזמן. עיכוב התפשטות הוא עיכוב הזמן של אות המתפשט דרך קו תמסורת. הטיית זמן היא הפרש הזמן בין אותות בשני קווי שידור או יותר.
אפשרויות קו תמסורת
זה מאתגר לעמוד באופן חסכוני בדרישות ה-FoM של תצורות בתדירות גבוהה מרובת מסלולים של תקני תקשורת נתונים מודרניים תוך שימוש בגישות עיצוב מצע מסורתיות של לוח PC. כדי להתמודד עם זה, Samtec Inc. פיתחה מכלולי כבלים מהירים תוך שימוש בכבלי Eye Speed micro coax ו-twinax הקנייניים שלה, אשר בולטים באובדן נמוך ובשלמות האות המצוינת שלהם. כבלים אלה, המשולבים במכלולי כבלים מרובי נתיבים, מציעים ביצועים מעולים בשל המבנה הייחודי שלהם (איור 2).
כבלים קואקסיאליים של Eye Speed זמינים עם מוליכים מרכזיים 26 עד 28 חוטים אמריקאים (AWG). מבנה כבל קואקסיאלי זה מביא לגמישות גבוהה, משקל קל וגודל קטן, שחשובים במיוחד לריצות ארוכות יותר.
הדיאלקטרי נוצר כשחול מוצק של קבוע דיאלקטרי נמוך, אתילן פרופילן מופלר מוקצף באוויר (FEP). הקצף יוצר חדירות אוויר, וכתוצאה מכך מהירות האותות גבוהה. משפחת כבלים זו מציעה מבחר של מגנים מתכתיים, סרטים או מגנים קלועים לשיפור שלמות האות.
מבנה כבל ה-Eye Speed twinax משתמש במוליכי נחושת מצופים כסף של 28 עד 36 AWG. גדלי חוטים גדולים יותר מספקים הפסדי הכנסת נמוכים יותר, בעוד חוטים קטנים יותר מציעים גמישות רבה יותר. שחול משותף של הדיאלקטרי משפר את שלמות האות ורוחב הפס, ומאפשר קצבים של 28 עד 112 Gbps. העיצוב הקומפקטי מביא לחיבור הדוק בין מוליכים האותות ולמרווח קטן יותר עבור גובה קטן יותר בתוך מכלול הכבלים. אובדן ההחדרה עבור 0.25 מטר (מ') של Eye Speed twinax עבור נתונים ב-14 גיגה-הרץ (GHz) (56 Gbps PAM4) הוא בטווח של -1 עד -2.2 dB, תלוי בקוטר החוט. הטיית התזמון בין מוליכים בכבל twinax היא פחות מ-3.5 פיקושניות (ps) למטר. שני סוגי הכבלים תומכים בטכנולוגיית Flyover של Samtec.
מהי טכנולוגיית Flyover?
טכנולוגיית ה- Flyover של Samtec משתמשת ברוחב הפס הגבוה ובאובדן הנמוך של מכלולי כבלים מסוג Eye Speed כדי להחליף מבני אוטובוס על הסיפון, ומפחיתה משמעותית את ההפסדים (איור 3).
על ידי דרישת פחות שכבות לוח, טכנולוגיית Flyover מפשטת את פריסות הלוח עבור קצבי נתונים מעל 28 Gbps. זה גם מאפשר שימוש בחומרי לוח מחשב פחות יקרים.
מכלולי כבלים של Samtec
קיים מגוון רחב של אפשרויות להרכבת כבלי מיקרו קואקס ו-Twinax Eye Speed. הם זמינים כמערכים בצפיפות גבוהה ומציעים תכונות כמו מטוסי הארקה אינטגרליים, מחברים הרמפרודיטיים, שחרור מתחים ואפשרויות חיבור והיצמדות שונות.
לדוגמה, ה-ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 הוא מכלול כבלים דק, מתקע לתקע, חיבור ישיר עם 16 זוגות אות בגודל 6 אינץ' (אינץ') (152.4 מילימטרים (מ"מ) ) ארוך ותומך באיתות PAM64 של 4 Gbps (איור 4).
מכלול זה כולל 16 כבלי twinax בעלי נטייה נמוכה במיוחד בעיצוב דו-שורתי בצפיפות גבוהה, המפורקים ל-32 מגעים עם גובה של 0.025 אינץ' (0.635 מ"מ). המגעים מולחמים ישירות אל מוליכים ה-twinax עבור שלמות האות האופטימלית. הכבלים הם בהפרש של 100 אוהם (Ω) באמצעות חוט 34 AWG וזמינים בתצורות של 8 ו-24 זוגות. יש להם טווח טמפרטורות עבודה של -40 מעלות צלזיוס עד +125 מעלות צלזיוס.
ה-ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B הוא מכלול כבל מקצה לכרטיס קצה הכולל שתי שורות של עשרים כבלים קואקסיאליים עם קצוות 50 Ω עם מחבר 40 מגעים (איור 5). אורך הכבל הוא 12 אינץ' (305 מ"מ).
הקווים הקואקסיאליים משתמשים ב-34 מוליכים מרכזיים AWG המסודרים ככבל סרט. גובה המחבר הוא 0.0315 אינץ' (0.80 מ"מ). כבלים אלה מדורגים להתמודד עם אותות של 14 Gbps. המחברים משתמשים במנגנון נעילה של לחיצה כדי להבטיח התאמה חיובית. אופציונלי, המכלול זמין עם 10 עד 60 כבלים בכל שורה עם מגוון מנגנוני נעילה. כולם פועלים בטווח טמפרטורות של -25°C עד +105°C.
מכלול הכבלים HLCD-20-40-00-TR-TR-2 משתמש בשתי שורות של עשרה, 50 Ω, כבלים עם קצה אחד באורך של 40 אינץ' (1.02 מ'). הוא מספק ארבעים אנשי קשר עם גובה מגע של 0.0197 אינץ' (0.5 מ"מ) (איור 6).
למחברים הרמפרודיטיים יש פינים ושקעים שניתן לשדך יחד עם אותו מחבר. הם משמשים ביישומים שבהם אין צורך בקיטוב מגע, כגון צמדי נתונים דו-כיווניים.
ה-HLCD-20-40.00-TR-TR-2 מציע מבחר של טווחי טמפרטורות הפעלה סטנדרטיים או מורחבים של -25°C עד +105°C או -40°C עד +125°C, בהתאמה.
מכלול הכבלים HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B משתמש בשורות כפולות של כבלי 100 Ω, 30 AWG twinax. אורכו 12 אינץ' (305 מ"מ), יש לו 20 כבלים, משתמש במחבר מחבר לקצה כרטיס, והוא מדורג לפעולה ב-14 Gbps (איור 7).
משפחה זו מציעה אפשרויות של 20, 40 או 60 כבלים ומגוון מחברים להתקנה על פני השטח והקצה, ויש להם גובה מחברים של 0.020 אינץ' (0.5 מ"מ).
סיכום
קצבי נתונים גבוהים יותר ממשיכים לדחוף מעצבים לחפש דרכים חדשניות להבטחת שלמות האות. העבודה עם Samtec מאפשרת להם להתעלות מעל המגבלות של אפיקי איתות קלאסיים של לוח מחשב רב-נתיבי, ולנצל מגוון רחב של מכלולי כבלים בעלי ביצועים גבוהים, גמישים וחסכוניים העומדים או עולים על המפרטים של יישומי התקשורת של ימינו .