הגידול המתמשך בשירותי ה-IP ומהירויות הגישה הוביל לצמיחה אקספוננציאלית בביקוש לרוחב פס, שמייצרת צורך בממשקי נתבים ומתגים שמציעים מהירות גבוהה יותר. בהמשך לכך הובילה התופעה האמורה לפיתוחה של טכנולוגיית קישוריות חדשה ותקנים חדשים עבור ממשקי 40 ג’יגה-סיביות לשנייה ו-100 ג’יגה-סיביות לשנייה. וכיום מתהוות תכניות למהירויות של 400 ג’יגה-סיביות לשנייה, ולמתכנני מחברים צפויה עוד עבודה רבה!
הצורך להעביר יותר נתונים במהירויות גבוהות יותר משנה את תכנון המערכת. אסטרטגיות חדשות כוללות את פיתוחם של מחברים עם תכונות ויכולות שמיועדות במיוחד לפעולה במהירות גבוהה, לשמירה על שלמות האות במהירויות גבוהות ולשימוש בפרוטוקולים חדשים.
לדוגמא, ניכר כבר כי ה-PAM4 ישחק תפקיד הולך וגדל במעבר זה. אפנון ה-NRZ (אי-החזרה-ל-אפס), שמהווה סטנדרט בתעשייה, מוחלף ביישומים רבים באפנון PAM4 עקב היכולת של ה-PAM4 להתמודד עם קצבי נתונים של 100 ג’יגה-סיביות לשנייה, 56 ג’יגה-סיביות לשנייה, ואף מעבר לכך.
בעוד ש-PAM4 אכן מציע שיפורים חשובים בהיבט המהירות, בהשוואה ל-NRZ, החיסרון שלו הוא שיש לקודד את הנתונים לפני העברתם, ואז לבטל קידוד זה עם קבלתם. צורך זה דורש יכולת עיבוד נוספת, וכך גם הופך את השימוש ב-PAM4 למאתגר יותר. ובכל זאת, כאשר מהירויות גבוהות מהוות צורך חיוני, היכולת הנוספת של PAM4 מצדיקה את עלויות העיבוד הגבוהות יותר.
יחד עם זאת חשוב לזכור כי תעבורת NRZ עדיין מתאימה ליישומים עתירי מהירות מסוימים. אכן, מחברי לוח חדשים מסוגלים לספק קצבי נתונים של מעל 50 ג’יגה-סיביות לשנייה הן במערכות PAM4 והן במערכות NRZ. לעומת קרני אות מיושרות, לוחות אלו ממטבים את ביצועי שלמות האות ומשפרים את האבדן בהחדרה, באופן שמאפשר תדר תהודת ממשק של מעל ל-30 ג’יגה הרץ. כמו כן הם מספקים גם שלמות אות משופרת על ידי מיטוב הגיאומטריות והמיגון הדיפרנציאלי שממזערים את השיבושים בעכבה ומצמצמים את תופעת הקרוסטוק.
עמידה באתגרים חדשים
הגידול במהירות מגדיל גם את האתגרים עימם מתמודד מחבר מסורתי. לדוגמא, ערוצים עם מהירויות נתונים גבוהות יותר לרוב כרוכים בהפרעות אלקטרומגנטיות, שיבושי קרוסטוק ושיבושי עכבה רבים יותר, ולכן יש לעצב הגנות כנגד הבעיות הנ”ל. כמו כן, המחברים המתוארים לעיל לרוב נדרשים לפעול עם חיבורים קיימים (שמבטיחים תאימות לאחור), כדי לאפשר הטמעה בעיצובים הקיימים. לדוגמה, כאשר משדרגים רק את לוח הבת, ניתן להמשיך להשתמש באותם חיבורים.
סוגיה נוספת שקשורה במהירויות מערכת מוגברות היא שמירה על שלמות אות תקינה. אחת הדרכים לעשות זאת היא על ידי הסרת אותות בהירות גבוהה מה-PCB על ידי שימוש בכבל נחושת שמספק מהירות גבוהה. בחלופה זו ניתן להשתמש במהירות תעבורה טורית מקודדת וחיה של 50 ג’יגה-סיביות לשנייה הן מבוססת NRZ והן מבוססת PAM4, באמצעות מכלולי כבל וממשקי מחברים מסוג QSFP.
כלים לזירוז העיצוב
הדרישה לעיצובים חדשים עבור מחברי מהירות גבוהה מקבלת בברכה כל כלי שעשוי להפחית את הזמן הנדרש לדמות את עיצוב המערכת. בסימולציית מערכת ידנית מסורתית, כל רכיב מדומה באופן עצמאי. כלומר, הדימוי של עיצובי מערכת נפרדים עשוי לארוך שבוע ימים ואף יותר. כאשר יש צורך בחזרות מרובות עיצובים, הדבר עלול להאט את תהליך העיצוב עד כדי זחילה.
באמצעות גישה שונה, כלי עיצוב מבוססי תוכנה חדשים משתמשים בספריות של מודלים שדומו כבר על בסיס עיצובים, חומרים, ו-traces and vias טיפוסיים. המעצבים בוחרים את הדגמים בהם הם מעוניינים, לוחצים על מקש ה-Enter במחשב שלהם, ומקבלים תוצאות כמעט באופן מיידי. התוכנה מאפשרת דימו מקורב ביותר של המערכת שמעניק למעצבים תובנות חדשות ביחס משתנים קריטיים לפיתוחה של מערכת חדשה. על המעצבים מוטלת המשימה להשיק את המערכות שלהם בשוק מהר יותר, והם משתמשים באמצעי קישוריות מהירים יותר. כתוצאה מכך, לכלי העיצוב האוטומטיים מוקנים חשיבות וערך רבים.
גישה חדשה למערכות מתווכות
מערכות מתווכות מהירות מציעות מסלול נוסף להתמודדות עם מהירויות הנתונים הגדלות והולכות. עם צמדים דיפרנציאליים מתכווננים שמאפשרים תצורות עכבה תואמות, קווים והספק מוארקים, בשילוב מגוון גבהי מערום וקצוות פין תאימות, מחברי המערכות המתווכות המהירות מאפשרים קצבי נתונים של עד 56 ג’יגה-סיביות לשנייה. אלו מתאימים, בין היתר, ליישומי אינפו-טק וטלקום מהירים.
החיבור הטיפוסי עבור מחברי מערכות מתווכות הוא או בלחיצה או SMT (למרות שישנן מספר גרסות דחיסה), כאשר שתי האפשרויות הנ”ל מספקות הן יתרונות והן חסרונות, כגון קלות השימוש במחבר מערכת מתווכת שמתחבר בלחיצה, בעוד שמחברי SMT לרוב מאפשרים ביצועים משופרים בכך שהם מאפשרים אופטימיזציית טביעת רגל ומעלימים את אפקט הבדל מפין התאימות. החיסרון נובע בעיקרו מהיבט השדרוג שהופך אותו מאתגר יותר מחיבור בלחיצה.
במהלך השנים האחרונות טכנולוגיות חדשות מאפשרות להפחית את פערי הביצועים בין SMT וחיבור בלחיצה, עד כדי כך שההבדל חדל מלהתקיים כלל בערוץ אמיתי, ולכן כאשר מתאימים את שלמות האות הבחירה העיצובית בסוג החיבור הופכת יותר לעניין של העדפה שמתבססת בעיקרה על שיקולים של מתאר, ניתוב ועובי הלוח (לצד משתנים נוספים). בנוסף, טכנולוגיית פין התאימות מאפשרת למתכנני מערכות לשדרג את הלוח ולמקסם את יעילות המערכת, תוך השגת שלמות האות הנדרשת.
לבסוף, כאשר משתמשים בעיצוב של ריבוד משולש, מחבר המערכת המתווכת המהיר מציע את האפשרויות הבאות: צמדים דיפרנציאליים מהירים שניתן לכוונן לעכבה של 85-100 אוהם, שלשות מוארקות לאפשרויות של מהירות נמוכה, ושלשות הספק. כתוצאה מכך המעצבים צריכים רק מחבר אחד למהירויות אות שונות, באופן שמפנה מקום על גבי ה-PCB ומשקף היטב את סכימת הפינים המועדפת על המעצב.
אסטרטגיות ניהול תרמי
ככל שהמהירויות גדלות ומודולים חדשים נכנסים לשוק, פתרונות לניהול תרמי משופר הופכות מרכיב מרכזי במערכות הדור הבא.
לדוגמה, מחברים מוערמים מספקים מהירויות גבוהות אך דורשים הספק גבוה ב-4.5 עד 5 וואט, ומפיקים יותר חום, במודולי QSFP במהירות של 100ג’יגה-סיביות לשנייה מאשר בחיבורים סטנדרטיים.
על פי רוב, רמת הטמפרטורה במערכות ארגוניות נדרשת להישמר מתחת ל-70 מעלות צלזיוס במודול ומתחת לטמפרטורה סביבתית של ל-45 מעלות צלזיוס במארז. שאם לא כן התוצאה עלולה להיות פגיעה ברמת האמינות וברמת הביצועים הכללית.
גישה חדשה מוצלחת לניהול חום היא עיצובם של גופי קירור רכובים פנימיים וכלובי זרימה משופרת שיכולים למטב את תנועת האוויר. ניצול הטכנולוגיות הללו עשוי להפחית את הטמפרטורה הכוללת במודול QSFP אופטי מדומה של 5 וואט ב-9 מעלות צלזיוס. אסטרטגיות ניהול תרמי כגון אלו תהיינה חיוניות עבור מודולי הדור הבא שנדרשים לתמוך בהספקים של לפחות 7 וואט (או יותר).
ככל שאנו מתקדמים אל עתיד תעבורת הנתונים המהירה, פתרונות הקישוריות החדשים נדרשים לאפשר הן טכנולוגיות מתקדמות והן רוחב פס רשת משופר. מוצרים מוצלחים יידרשו לכלול את היכולת לתמוך במגוון רחב של קצבי נתונים באמצעות צורות וגדלים שונים של מחברים. העיצובים החדשים נדרשים לעמוד בדרישת הביצועים המהירים, תוך שהם מספקים את היעילות והאמינות של יישומי הדור הבא.
