כיצד ניתן לשפר את ביצועי שלמות האות (SIGNAL INTEGRITY) בקצב נתונים מהיר

שיפור ביצועי האות בקצבים של 28 GbPS ויותר ע”י שימוש שונה מהשימוש המסורתי שנהוג היום בכל מה שקשור לכלי התכנון שה-PCB ופתרונות החומרה שקיימים היום מסוגלים ויודעים לתת.

ידוע לגבי מוצרים בעלי רוחב-פס גבוה (28Gbps ויותר) שאנחנו עושים שימוש במגבלות הפיסיקליות של תכנוני חומרה אלקטרונית מסורתית. יישומים אלה מכסים את כל ספקטרום ציוד הרישות הנמצא עדיין בשלבי פיתוח או שיפותח בעתיד הקרוב. בין אם אלה יישומי שבב-לפנל, כרטיס-לכרטיס (backplane ו-mezzanine) או שבב-לשבב, אנחנו ניצלנו כמעט עד הסוף את יכולות התכנון מלבד פתרונות של מעגלים מודפסים מסורתיים.
התעשייה זקוקה לאתגרי תכנון מערכות בעזרת גישות חדשות. דבר זה הופך ליותר נפוץ ויותר דחוף עם כל איטרציה רצופה של מוצר. במילים אחרות, החדשות הטובות הן שהאינטרנט של הדברים (IoT – Internet of Things) חי וקיים. החדשות הרעות הן שמבחינת איתות החומרה המהיר, עלינו להקפיד על תנועה מתמדת כדי לשמור אותו חי וקיים.

גישת תכנון Twinax חדשה ברמת המערכת
פותחה גישה/טכנולוגיית תכנון חדשה שאנחנו מכנים Flyover. בגישה זו, ניתן לנתק אותות מחוץ לנתיבם המסורתי – פסי נחושת על כרטיסים – ופשוט להעביר אותם מעבר לכך על-ידי שימוש בכבלי twinax ומחברים שפותחו במיוחד כדי לחבר את האותות. דבר זה מעביר את השיקול של אופציות מערכת הכבל והמחבר אל החזית של תהליך התכנון כך שהם הופכים לחלק ממאמץ הפיתוח ברמת-המערכת הכוללת.

Twinax מהדור הבא
חכה רגע, חיווט twinax בתוך המערכת היה קיים מזה זמן רב, נכון? נכון. אולם ™Flyover הוא הדור הבא של twinax בתוך המערכת. זהו הרבה מעל החיווט התקני בעל זוג הפרשי בסגנון . Flyover דורש סף מתקדם יותר של twinax. הוא דורש twinax בעל כשל סנכרון (skew) פחות מ-3ps/meter המתוכנן במיוחד עבור המערכות הקטנות ביותר והצפופות ביותר של 28Gbps ומעבר לזה. הוא דורש גם מערכות מגע מתוכננות במיוחד כדי לקבל את הגיאומטריה בעלת החיבור הישיר של ה-ultra-low skew twinax. החברה תכננה במיוחד twinax בעל skew נמוך העונה לדרישות של פיתוח מוצרי רישות בעלי רוחב-פס גבוה של העתיד.
עם twinax, יש לבקר במדויק שני מוליכי מרכז אחידים לאורך כל תחום הכבל. הגישה לגבי התכנון והייצור של ה-™Twinax EyeSpeed היא co-extrude את שני מוליכי המרכז. תוך שימוש בשיטה זו, שני מוליכי המרכז מוזנים לתוך חור-extrusion ולאחר מכן דיאלקטרי בצורה אובלית מושחל מסביבם.
בשל שיטת extrusion המבוקרת במדויק, אין חריץ אויר מסביב לדיאלקטרי והתוצאה היא tangential sealing. גישה זו מספקת אחידות הגורמת לבקרה מצוינת על שינוי ה-skew והעכבה. איור 1 מראה את התכנון של כבל twinax זה.

יישומי שבב-ללוח
לגבי יישומי שבב-ללוח, החיבור host board שבב-ל-QSFP יכול לשמש כדוגמה. בתור תעשייה אנחנו כבר יודעים שיש בעיה אמיתית כאשר נתיב האות נהיה יותר ארוך מאשר 5 אינטש ב-Megtron 6 או חומר דומה. השלמות של נתיבי אותות אלה מסוכנת משמעותית. במקרה זה, עם מימושי מעגל מודפס מסורתיים, הדרך היחידה לטפל בבעיה זו היא להציב מהדרים בנתיב האות.
עם המתודולוגיה של flyover, הכבל עובר מהמיקרו-מעבד/ASIC/FPGA ישירות אל ה-QSFP, כמתואר באיור 2. במימוש זה, כבל ה-twinax מולחם ישירות אל המגעים. עבור מימוש זה, מגע ה-QSFP תוכנן מחדש. המגע עצמו תואם לאחור, כך שהוא יכול לקבל QSFP מנחושת, QSFP אופטי או QSFP של מקמ”ש.

יישומי כרטיס-לכרטיס (backplane ו-mezzanine)
כמו שכל מי שמתכנן backplanes איכותיים יודע, האתגרים הגדולים ביותר העומדים בפני תהליך תכנון ה-backplane הם כשל הסינכרון (skew), ההפסד והצורך בניתוב מורכב. כשל סינכרון במעגל מודפס הוא תוצאה של weaves לא אחידים של זכוכית בריבוד (laminate). המשוואה היא די פשוטה – ככל שכשל הסינכרון הוא גדול יותר בריבוד, כך התוצאה תהיה יותר מזיקה להעברת שלמות האות. ובשעה שיש ריבודים אקזוטיים אחדים בהם ה-glass weave הורחב מכנית כדי למזער את כשל הסינכרון, ה-laminates הללו אינם זמינים בהרחבה במתקני הייצור של היום. ההפסד (האיכות הפוחתת של נתיבי האות ככל שהנתיב ארוך יותר) הוא גם בעיה גדולה, מאחר שנתיבי האות ב-backplanes נוטים להיות מאוד ארוכים. בנוסף, ניתוב אותות ארוכים מאוד אלה ב-backplanes הוא עדיין אתגר קבוע מאחר שהם יכולים לצרוך כמות משמעותית של מקום על הכרטיס וספירת השכבות הכוללת עשויה להיות מוגדלת כדי להשיג מספיק מקום לנתב את כל האותות. דבר זה מעלה את עלות ה-backplane. אם כן, היכולת לקחת את האותות המועברים ב-backplane ולהעיף אותם פותרת את כל שלוש הבעיות – כשל סינכרון, הפסד ועלות. כמו כן, השימוש בטכנולוגיית flyover מאפשר שימוש בריבודים זמינים הרבה יותר כך שהדבר מספק חסכונות בעלות נוספים.
פותחה אפשרות חדשה בה משתמשים בכבלים כדי “”לעוף מעל” אותות מהירים בתוך backplane תוך שימוש במחברי ה-“press fit” המונחים כבר במקום. מערכת כבלים proprietary משתמשת בכבל twinax שתואר לעיל ומחברים שפותחו במיוחד התואמים חורים עבור מחברי ה-“press fit” הקיימים כבר בצד השבי של הלוח האחורי. איור 3 מראה את מערכת הלוח האחורי של כבלים.
יישומי שבב-לשבב
ב-28Gbps, יכול להיות קשה להעביר אותות משבב אחד לשני. ככל שעולים בספקטרום רוחב-הפס, עשיית חיבורי שבב-לשבב אלה תוך שימוש בטכנולוגיית מעגלים מודפסים רגילה הופכת לבלתי-אפשרית. בחיבורי שבב-לשבב, נתיבי האות יכולים להשתנות בצורה דרמטית בתוך מערכת אחת החל ממספר אינטשים ליותר מ-foot.
איור 4 מראה התקנת “flyunder” בה החיבור נעשה על-ידי חיבור הכבל מתחת ל-ASIC או מהצד השני של הכרטיס. כדי לבצע זאת, כבל twinax מהיר מולחם לכרטיס מעבר (transition card). מתחת לכרטיס זה יש טביעת אצבע LGA המתקשרת לחוצץ בעל דחיסה כפולה. החיבור אל ה-ASIC נעשה דרך חורי המעבר הקיימים הנמצאים כבר מתחת ל-ASIC. בנוסף לחיזוק ביצועי האות בין ה-ASIC ושבבים אחרים על הכרטיס, גישת flyunder זו מבטלת את הצורך בניתוב אותות מורכב בצד העליון של המעגל.
סיכום
כיום networking products בעלי רוחב-פס גבוה דוחפים את שיטות תכנון המערכת “tried and true” אל גבולות האפשר. יש צורך לפתח שיטות חדשות ולשפרן בקביעות כדי לענות לדרישות המוצרים של 28Gbps ומעל זה.