ככל שהצורך ברוחב הפס ממשיך לגדול, כך גובר גם הצורך בשיעורי נתונים גבוהים יותר בתוך המערכות. מה היה פעם אחת עד שלוש Gbps, הפך ל- 4 עד 8 Gbps, ולאחר מכן חזינו את הקפיצה ל- G 16, ועכשיו אנחנו מתקרבים ל- 28 Gbps ומצפים ל- G 56. מגמה זו באה לידי ביטוי לאחרונה במסגרת אירועי DesignCon 2018, שם משתתפים רבים הציגו חיבורים הפועלים ב- 112 Gbps PAM 4. . 56 Gbps, שהיה במוקד של תערוכות קודמות, קיבל תשומת לב מועטה בלבד.
למרות שתעשיות ה- Datacom והטלקום דוחפות לשיעורי נתונים חדשניים אלה, להשיג ביצועים אלה הינה משימה קשה בהרבה. אתגרי התכנון כוללים ניתוב מורכבויות PCB והצורך הפוטנציאלי לספירת שכבות גבוהות יותר. עבור אורכי עקבות ארוכים יותר, משולבים חומרי PCB אקזוטיים יותר עם קבועים דיאלקטריים נמוכים ורה-טיימרים וזאת על מנת למזער אובדן אות. כל אלה מוסיפים לעלות המערכת.
לצד חומרים ועלויות, המתכננים נאלצים לעתים קרובות להתמודד עם אתגרים הקשורים לגודל הקטן של המוצרים המוגמרים. התפשטות השימוש במכשירים ניידים ידניים מניעה מגמה זו, כמו גם דרישות חדשות בתעשיות כגון טלקום, מחשבים בעלי הספק גבוה, מכשירים רפואיים, תעופה וחלל, ואפילו יישומים תעשייתיים.
בנוסף, שבבים חדשים בעלי שיעורי נתונים גבוהים, אשר כמובן נועדו להפיק חום נמוך ככל הניתן, בכל זאת עדיין פולטים חום. אלו דורשים לעתים קרובות כיורי חום רבים יותר וגדולים יותר, מה שמסבך עוד יותר את מורכבות התכנון והעיצוב.
מובן כי הביקוש הגובר לגודל קטן ו-PCBs בעלי רוחב פס משופר דוחף את המו”פ בענף הקישוריות. המכירות של מערכות micro-pitch וקישוריות גבוהה עולות בהתמדה. המעניין הוא שמרבית המחברים במהירות גבוהה ביותר הם גם micro-pitch. אבל, ככל שה- pitch של הקישוריות קטן, כך קשה יותר להשיג רוחב פס רחב יותר.
מערכות תקשורת קטנות יותר מציגות סדרה חדשה של אתגרים חשמליים, כגון crosstalk ואיבוד כניסה. זאת בעיקר בשל הקרבה של זוג דיפרנציאלי אחד לבא, פחות מקום לניתוב, וכן הפחתה בפינים.
כמו עם אתגרים תכנוניים רבים, ישנן מספר דרכים להתמודד עם הבעיה:
פריסת PCB
המתכננים יכולים להקל על כמה מתנאים אלה על ידי חשיבה אסטרטגית בנוגע לפריסת הלוח שלהם. תכנון מעקב וניתוב, מיקום של שטחים, vias, וכו’, המתוכנן היטב משפר שיעורי נתונים של ה- PCB. אסטרטגיות עיצוב PCB הם מעבר להיקף של מאמר זה, אולם ישנם כלים, משאבים, ואנשי מקצוע רבים שיכולים לסייע במאמץ זה. לחברת Samtec, למשל, יש את Signal Integrity Group ו Teraspeed המייעצים ומסייעים בנושאים אלה.
כנון קישוריות Micro Pitch מהירה
למרות שישנה התנגשות בין המטרות של מזעור ושיעורי נתונים גבוהים יותר, יצרני המחברים יכולים להגיע לאיזון בביצועים ובגודל טביעת הרגל.
דוגמה אחת לאסטרטגיות תכנון מחבר מעין זו היא מחבר הקרוי ®Edge Rate. מחבר זה מיועד ליישומי מחזור גבוהים יותר, תוך התאמת רוחב הפס. לדוגמה, קישוריות 0.8 מ”מ pitch Edge Rate מדורג ב- 56 Gbps PAM4. אחת הדרכים להשגת האיזון בין רוחב הפס וה- pitch היא העיצוב והמיקום של הפינים בגוף הפלסטיק. בפרט, הקצוות הדקים והצרים של המחבר ממוקמים זה לצד זה. זה ממזער את פני השטח המקביל, אשר מקטין צימוד broadside ו- crosstalk.
איור 1: שקע High-speed, micro pitch Edge Rate®
שיפור ביצועי המחברים
אסטרטגיות תכנון מחברים אחרות שנועדו להשיג רוחב פס משופר, חיבוריות micro–pitch, כוללים, אך אינם מוגבלים ל:
- ביצוע מחזורי סימולציה מרובים בשלבים הראשונים של התכנון, על מנת לכמת במדויק את ביצועי המוצר לפני שמתחילים בתהליך המכשור היקר
- מזעור את ה- stub באזור המגע בעת זיווג המחבר. מבחינה מכנית, ככל שה – stub ארוכים יותר כך האמינות משתפרת, אבל ככל שהם ארוכים יותר כך גם הם פועלים כאנטנות
- פישוט הגיאומטריה של המגע לשיפור ביצועי נתיב האות
- קיצור אורך הפינים על מנת למזער את המרחק שהאות צריך לעבור
- שילוב, היכן שניתן, של טביעות רגל ומחברים א-סימטריים; עיצובים משתנים לסירוגין להפחתת crosstalk מזוג לזוג בתוך שורה של פינים בין השורות. במילים אחרות, טביעת הרגל צריכה להניע את ביצועי המחבר
- מיטוב ה- BOR של המחבר. חשבו על המחבר כמו צומת קריטית בקישור; יש להתמקד לא רק בצומת, אלא גם בקישור
- שילוב לוחות משותפים למחבר, ובכך לאפשר מקום
- הבחירה של דפוס פלסטיק משפיעה כמובן על ביצועי המחבר. בין היתר, יש לשקול היטב את המאפיינים הבאים:
- פלסטיק בטמפרטורה גבוהה עבור RoHS
- התאמת DK עבור בקרת עיכוב רצויה
- יציבות ממדית על הטמפרטורה והזמן
השורה התחתונה היא, ככל שנתיב האות קצר וישר יותר (ומגע המחבר), כך ביצועי האות ושלמותו טובים יותר. אולם פעולת האיזון מחייבת שהמחבר היה בעל כוח נורמלי וכוח משיכה מתאים, וכן יש מידה מסוימת של קשיחות. שיקולים אלה בדרך כלל גורעים משלמות ביצועי האות.
טכנולוגיית ™ Flyover
אדריכלי מערכת משתמשים כעת בגישה חלופית המפחיתה את השימוש בעקבות PCB כדי לנהל אותות במהירות גבוהה. במקום להגדיל את ספירת השכבות, תוך שימוש בחומרי PCB בעלי ביצועים גבוהים והתמודדות עם אורכי עקבות ארוכים המדרדרים את איכות האות, האותות נלקחים מהלוח וכבל משמש להטיס אותם מעל ה- PCB. אנו מתייחסים לטכניקה זו בשם ™Flyover. טכנולוגיה זו משפרת את ביצועי שלמות האות, מאפשרת מהירות אות גבוהה יותר, ומפחיתה את העלות הכוללת של המערכת.
איור 2 מציג רוחב פס שניתן להשיג באמצעות חומרים מסורתיים ומהירים.
ליישום אופייני המחבר ממוקם קרוב ככל הניתן לשבב ואז נעשה שימוש בכבל נפרד או כבל twribx ribbonized להעברת האותות למקום אחר על גבי הלוח, או שניתן לצרפם ישירות למחבר IO. בהתאם לפריסת המערכת קיימות אפשרויות מרובות למחבר כדי לעקוף את החלל הפנוי, כגון מחבר אופקי נמוך אשר יוצמד מתחת לכיור החום של השבב.
איור 3: יישום Samtec Flyover ™ QSFP-DD
ישנם יתרונות רבים לטכנולוגיית Flyover. ראשית, ניתן להשיג באמצעותה את אותם נתונים גבוהים בשיעורים של 28, 56, 112 Gbps ואף יותר וזאת עם הפסד מינימלי. מכיוון שהאות במהירות הגבוהה מוסר מה- PCB ניתן כעת להפחית את ספירת השכבות, להסיר את הרה-טיימרים שהיו שם ולעבור לחומר PCB נפוץ יותר כאשר כל אלה יפחיתו את העלות הכוללת של המערכת.
אולם, יצירת מערכת הרכב כבל במהירות גבוהה להשגת מטרות ביצועים הינה קשה ובעייתית. בין החלקים הרבים המרכיבים פאזל זה יש את המחברים המוצמדים, לוחות המעבר של הכבלים, ואסטרטגיות ניתוב PCB, וכמובן הכבל עצמו.
חברת Samtec משלבת טכנולוגיית ultra–low skew twinax בהרכבות כבל במהירות גבוהה. כבל Co-extruded twinax מבטל את מגבלות הביצועים ואת חוסר העקביות של חיווט כבלים דיאלקטרי ו- twinax נפרד. יש בכך כדי לשפר את שלמות האות, רוחב הפס ולהשיג ארכיטקטורות מערכת ביצועים גבוהים.
למרות שקיימת התנגשות בין המטרות של מזעור והשגת שיעורי נתונים גבוהים יותר, יצרני המחברים יכולים ליצור איזון בביצועי שיעורי הנתונים ובגודל טביעת הרגל. ניתן לתכנן מחברי קישוריות אשר ימזערו את הגודל מחד וימקסמו את רוחב הפס מאידך. חומרי הפלסטיק של מבודד המחבר ישפיעו גם הם על הביצועים. בנוסף, אסטרטגיות חלופיות, כמו לקיחת האותות מחוץ ללוח עם מערכות כבלים במהירות גבוהה, מאשפרות התמודדות עם אתגרי המהירות והעלות.
