פיתרון של בעיות שלמות האות בקצבי נתונים גבוהים מאוד

החדשות הטובות אודות האינטרנט של דברים (Internet of Things -IoT) הן שהוא מוכיח עד כמה נפוצה הפכה טכנולוגיית התקשורת המהירה. טיפול בסוגיות תוכנה בתוך ה-IoT הוא די פשוט – ליצור קוד כלשהו שאנשים יכולים להוריד בקלות אל התקני החומרה שלהם כדי לשמור על שלמות הפעולה של התקני התקשורת השונים שלהם.
טיפול בסוגיות חומרה איננו כה פשוט. אפילו מפתחי חומרה מנוסים מתלבטים בטיפול בסוגיות אלה. חלק מהבעיה מתייחס לאופי של טכנולוגיית החומרה עצמה. כרטיסי מעגלים מודפסים (Printed circuit boards – PCBs) וחלקי חומרה אחרים הקשורים אליהם הפכו למיושנים. יתר על כן, לסחוט את הטיפה האחרונה של יכולת ביצועית מתוך התקנים אלה דורש לעתים קרובות מאמצים הנדסיים ללא תקדים.
כמובן, השאלה הנשאלת היא מדוע לא לנוע אל הגרסה הבאה של טכנולוגיית החומרה? התשובה לשאלה זו היא מאוד מסובכת. הגרסה הבאה של טכנולוגיית החומרה היא פוטוניקה של סיליקון. זה איננו תהליך שקל לעבור אליו והוא ידרוש שינויים גדולים בתשתית כולל הציוד, החומרים ותהליכי הייצור. כך שלעת עתה, אנחנו כרוכים עם טכנולוגיית מעגלים מודפסים מנוסה ואמיתית. ולגבי השנים הבאות, עלינו לדמיין כיצד להפוך טכנולוגיה זו לפעילה עבורנו למשך זמן ארוך ככל האפשר. או, יותר חשוב, עלינו לדמיין כיצד אנחנו נצעד קדימה – בכמה דרכים ובאיזו צורה יכולה חומרה קיימת להשתפר כדי לענות לדרישות הביצועים העולות של המוצרים הסופיים השוטפים.

מצב הטכנולוגיה
בתחילת המאה ה-21, ספקי ציוד עבור האינטרנט התאמצו לתכנן נתבים ומתגים גדולים המכילים לוחות אחוריים וכרטיסי קו נתקעים בעלי חיבורים פנימיים ארוכים הפועלים ב-3.125Gb/s. הדאגה הראשונית הייתה כיצד לטפל בהפסדים בנתיבים ארוכים אלה.
ב-2016 התמונה השתנתה מהיסוד. יצרני מוליכים למחצה המשמשים במעבדי נתבים ומעגלים משולבים של מתגים הצליחו להנדס אותם כך שהם פועלים במהירויות עד כדי 32Gb/s עם סיבולת גבוהה מאוד להפסדים לאורך נתיב האות. ה-ICs של 2001 יכלו לשאת רק עד 10dB של הפסד בנתיב האות ב-3.125Gb/s. ה-ICs של 2016 יכולים לעמוד בעד 38dB של הפסד ב-32Gb/s.
שינויים אלה חשפו מספר פגמים זעירים בנתיב האות בעלי השפעות זניחות במוצרים קודמים אשר פעלו בקצבי נתונים נמוכים יותר. פגמים אלה כוללים:
1. הקיבוליות של החורים המצופים הדרושים כדי להרכיב את המחברים יכולים לגרום להפחתה משמעותית של רוחב-הפס.
2. רעש הדדי בין אותות שידור וקליטה יכול להיות משמעותי מאחר שאותות אלה העומדים בהפסד של -38dB במקלטים הם הרבה יותר חשופים להפרעות מאשר אות היוצא מהמשדר באמפליטודה מלאה.
3. ההבדל בזמן המעבר של שני צדדי זוג הפרשי (כשל סנכרון) הנוצר על-ידי חוסר האחידות של המארג בבד הזכוכית הדרוש כדי לספק חוזק מכני ב-PCB עשוי לגרום לכשל בנתיב האות.
4. הפסד האות לאורך נתיבי הנתונים מהווה עדיין בעיה, אך ברוב המקרים, ניתן לטפל בו בעזרת החומרים הזמינים כיום המשמשים לייצור מעגלים מודפסים ולוחות אחוריים. אולם כאשר עוברים ל-56Gb/s ומעלה, ההפסד בנתיב הנתונים חוזר למשוואה בתור סוגיה עיקרית.

הפיתרון של שלוש הבעיות הראשונות זכה להצלחה משתנה.

הבעיה הראשונה (קיבוליות יתר בציפוי דרך החורים) טופלה על-ידי שימוש בטכניקה המכונה קידוח אחורי כדי לבטל את קיבוליות היתר של המחבר המצופה דרך החורים המתמשכים מחוץ לשכבה בה מנותבות עקבות האות. בלוחות אחוריים עבים דבר זה יצר נוהלי ייצור מאוד מורכבים כדי להבטיח שמספיק נחושת המצופה דרך החור סולקה כדי להשיג ביצועים נאותים ובו בזמן למנוע קידוח כה עמוק שהחיבור ייפגם.
איור 1 הוא עקום של ההפסד לעומת תדר של שתי עקבות של 8″ (20 סמ’). העקבה האדומה מנותבת ליד התחתית של המעגל המודפס כך שהאות נע לכל אורך ה-vias המשמשות לחיבור אל העקבה. העקבה הכחולה מנותבת ליד הראש של המעגל המודפס כך שהאות נע רק חלק מהדרך לאורך ה-vias ועוזב קבלים קטנים טפילים מחוברים לכל סיום של העקבה. ברור, רוחב הפס של העקבה הכחולה הושפע מאוד מקבלים טפילים אלה. קידוח לאחור מבטל את התופעה הטפילית הבלתי רצויה הזו עם הסיכונים שצוינו מוקדם יותר.
הבעיה השנייה (ערב רב מוגזם) נדונה על-הבעיה השנייה (רעש הדדי מופרז) טופלה על-ידי ניתוב האותות יותר ויותר רחוק אחד מהשני כך שבעיה זו ממוזערת. אולם, כאשר אותות נקלטים יכולים להיות רק 2 או 3% מהאמפליטודה של אותות משודרים, דבר זה נהיה קשה מאוד מכנית לביצוע כאשר מנתבים אותות על אותה השכבה בשכנות למחברים.
השלישית מסוגיות אלה (כשל בסנכרון או הפרש בזמן ההגעה בשני הצדדים של זוג הפרשי), היא תוצאה של הביזור הבלתי שווה של הזכוכית במארג והשרף המשמש לחיבור ההרכב יחד. חוסר שוויון זה הוא בשל העובדה שכריכות הזכוכית המשמשות לאריגת המארג הן הרבה יותר גדולות מאשר רוחב העקבות. איור 2 הוא צילום של מארג זכוכית רגיל (1080) עם מוליך של 3.5mil מחובר עליו כדי לראות את ההבדל בקנה-מידה של עקבות ומארגי זכוכית. שים לב שעבור חלק מהזמן המוליך נמצא מעל כריכת הזכוכית עם קבוע דיאלקטרי של כ-6, וחלק מהזמן הוא בין מארגי הזכוכית בשרף טהור בעל קבוע דיאלקטרי של כ-3. אותות ינועו מהר יותר כאשר הם נמצאים בתוך שרף טהור מאשר כשהם עוברים דרך זכוכית. שינוי זה במהירות הוא זה שגורם להבדלים בין זמן המעבר בין שני הצדדים של זוג הפרשי. ראינו הבדלים בזמן המעבר מעל 14 אינטש (35 סמ’) של זוגות הפרשיים על זכוכית 1080 גבוהים עד כדי 62ps. זהו 60% ממחזור הביט ב- Gb/s 10 ושני מחזורי ביט ב-32Gb/s.
טכניקות רבות הוצעו כדי למזער את השפעת הסטיה (skew).
שתי השיטות המקובלות ביותר בשימוש הן:
• ניתוב האותות בזווית כלפי מארג הזכוכית בתקווה שאי-הסדרים סודרו בין שני צידי הזוג.
• שימוש בסגנון מארג זכוכית בעל זכוכית מבוזרת שווה כדי למזער את השוני במארג הזכוכית מעליו עוברים האותות.
לראשונה בין שתי השיטות קיימות שתי צורות. אחת היא לנתב את אותות המעגל המודפס בזווית כך שכאשר מייצרים את המעגל העקבות עוברות בזווית כלפי כיסוי הזכוכית. דבר זה הוכח כלא מעשי ברוב המוצרים מאחר שהמספר הגדול של פיני מחבר ורכיב מחייב סריג X-Y בניתוב.
לחלופין, המעגל או הלוח האחורי מנותב בכיוון X-Y והמקור לצריבה ממוקם בזווית בלוח הייצור הגורם שהעקבות יופנו בזווית אל מארג הזכוכית. שיטה זו דורשת כמויות משמעותיות של חומר הכרטיס על לוחות הייצור שהם מלבניים ולכן היא מגדילה את העלות הכוללת של הכרטיס.
אף אחת משיטות אלו אינה משביעה רצון עבור רוב המוצרים שצריכים להתחרות בשוק רגיש-למחיר.
השיטה השנייה משתמשת בסגנון מארג זכוכית בעל זכוכית מבוזרת בצורה אחידה על פני המשטח. איור 3 הוא צילום של אריג מארג זכוכית 1067 עם עקבה של 4 מיל (102 מיקרון) הפרוסה על גביו. כפי שניתן לראות, אין חללים ממולאי שרף בדוגמה. בשל כך, ההבדל בזמן המעבר של שני הצדדים של הזוג ההפרשי הוא ממוזער. למעשה, יכולנו לבנות מערכות די גדולות בהן הסילוף מעל 30 אינטש (76 סמ’) הוא פחות מ-2ps.
דבר זה נראה כתשובה האידיאלית לבעיית הסילוף. זה היה כך אילו השיטות בהן הזכוכית מבוזרת היו אחידות בין מארגי הזכוכית. לרוע המזל, דבר זה הוכח כלא נכון. המניע לביזור מארג הזכוכית הוא בגין יצרני הטלפונים הסלולריים. הסיבה שלהם לביזור הזכוכית היא להפוך את קידוח הלייזר של vias עיוורים ליותר אחיד, מבלי לשמור על שלמות האות. כיום, אין דרך בטוחה להבטיח ביזור אחיד של הזכוכית, כך שבקרת הסילוף בעזרת טיפול בשכבות מעגל היא בעייתית.

כיצד לדון בהפסד נתיב האות
כמצוין בתחילת מאמר זה, התפתחויות בטכנולוגיית המוליכים למחצה גרמו למקמ”שים שיכולים לשאת עד 38dB של הפסד בנתיב האות ב-32Gb/s. דבר זה איפשר לתכנן מערכות בעלות לוחות-אם גדולים עם מודולים הכנס-ותקע. כאשר נעשה מעבר אל 56Gb/s לחומרים הזמינים בתור חומר שכבתי אין כבר ערכי הפסד המאפשרים תכנון של נתבים מאוד גדולים הדרושים בחוות נתבים ומרכזי IT גדולים. איור 4 מראה את ההפסד לעומת תדר עבור מגוון חומרים שניתן להשתמש בהם כדי ליצור מוצרי אינטרנט איכותיים מהדור הבא.
שים לב שלשתי העקומות המזוהות כ-“כבל” יש הפסד הרבה יותר נמוך מאשר כל אחד מהמערכות השכבתיות המשמשות לייצור מוצרים שוטפים. הפסד זה מייצג את מה ש-“twinax” יכול להשיג. דבר זה פותר את הבעיה כיצד להשיג 56Gb/s במערכות גדולות ללא הצורך להזדקק לחיבורים הדדיים אופטיים.

יותר אמין וחסכוני מאשר חומר שכבתי של מעגלים
מאחר שבעיית שלמות האות בקצבי נתונים גבוהים במערכות גדולות מקושרת ישירות לפגמים הזעירים במעגלים המודפסים והמחברים ששימשו לייצור של מערכות מאוד גדולות, הסרת אותות אלה ממעגלים מודפסים ולוחות-אם אלה יכולה לפתור את הבעיה. זה איננו רעיון חדש. אם מביטים אחורה אל אחדים מהמחשבים האיכותיים שתוכננו על-ידי Cray Research וחברות אחרות בשוק זה, כל האותות המהירים ביותר הועברו ממעגל למעגל דרך זוגות מפותלים ומסוככים, או, במקרים אחדים, דרך זוגות מפותלים לא מסוככים. טכניקה אחרונה זו מראה כיצד האינטרנט יכול היה לפעול לאורך מרחקים ארוכים תוך שימוש בחוטי טלפון רגילים בקצבי נתונים גדולים עד כדי 1Gb/s.

היתרון הראשון של שיטת הכבלים היא ההזדמנות שהערב הרב בין האותות יבוטל.
יתרון שני של שיטת הכבל הוא שניתן עתה לייצר את לוח האם מחומר שכבתי תקני של מעגלים מאחר שתפקידו היחיד הוא לשאת הספק אל המודולים המחוברים אליו ולשמור את כל המחברים במבנה קשוח.
מה בדבר הבעיה הנוצרת מהחורים המצופים החיוניים להחזיק את פיני המחבר במקום כמו גם החורים דרך הלוחות הדרושים כדי לחבר פיני רכיבים לעקבות בכרטיסי הבנות?
מה שהוכח בהדמיות וגם במדידות במעבדה הוא שכאשר אות עובר דרך חור או via, הקיבול הטפילי של החור מבוזר לאורך החור והופך אותו לבלתי נראה.
דבר זה משאיר את המשימה לטפל בסטיה (skew). כאשר זוגות הפרשיים מחוברים בעזרת זוגות מסוככים, דוגמת twinax, שני הצדדים של הזוג ההפרשי נמצאים בתוך חומר דיאלקטרי מאוד אחיד המשותף לשני הצדדים של הזוג. התוצאה היא שהסילוף או ההבדל בזמן המעבר בין שני הצדדים של הזוג יכולים להיעשות למעשה אפסיים.
איור 5 הוא דוגמה של תכנון המשתמש בשיטת twin-ax כדי לממש מתג/נתב מאוד מורכב ואיכותי. בשיטה זו, ניתן להשיג ביצועים גבוהים עד כדי 56Gb/s תוך שימוש בחומרי מעגלים רגילים. דבר זה מונע את הבעיה של תכנון מעגלים מאוד מורכבים ולאחר מכן ניהול של תהליך הספקת החומרים כדי להבטיח שכל אחת מבעיות הייצור המורכבות נמצאת בבקרה.
איור 6 מראה את ההפסד לעומת התדר של נתיבים הפרשיים אחדים בין 2.6 עד 3 מ’. הנתיבים הנמדדים כוללים שני כרטיסי- בנות המחוברים דרך כבל twinax כמתואר באיור 5. הפסד החיבור הוא קרוב לאידיאלי עד כ-25 גיגה-הרץ. דבר זה מוכיח שמערך זה מסוגל לעמוד ב-50Gb/s.
יתרון נוסף של מימוש כל האותות האיכותיים בכבל twinax הוא שאפשר לבצע שינויים בחיווט ברמת לוח-האם על-ידי עיצוב מחדש של כבלי ה-twinax כדי לממש תפקיד חדש בלתי זמין כאשר נעשה תכנון לוח-האם המקורי. דבר זה מסייע לא להשתמש בעדכוני “מלגזה” הנחוצים לעתים קרובות עם לוחות- אם מחווטים היטב.
סיכום
התפתחויות בטכנולוגיית המוליכים למחצה מאפשרות לחבר רכיבים במוצרים דוגמת מתגים ונתבים בקצבים עד כדי 56Gb/s. כאשר משיגים מהירויות יותר גבוהות אלה, שינויים בקנה-מידה זעיר בחומרים המשמשים לייצור מעגלים מודפסים ולוחות-אם עשויים לשבש משמעותית אותות. בין הבעיות השוטפות הן הפסד, סטיה, רעשים הדדים והפחתת ביצועים בשל הקיבול הטפילי של החורים המצופים הדרושים כדי להתקין את המחברים אל לוחות האם וכרטיסי הבנות.
על-ידי שימוש בכבלי twinax לחיבורים אלה במקום מעגלים מודפסים ולוחות-אם עם עקבות מקובלות, ניתן לבטל כליל את הסטיות, הרעשים ההדדים והפחתת הביצועים מהחורים המצופים. בשל ההפסד הנמוך ביותר של כבלי ה-twinax , אורכי הנתיב יכולים להיות ארוכים יותר, או תדר הפעולה יכול לגלוש הרבה יותר גבוה מאשר אפשרי עם מערכות השכבתיות הזמינות כעת.

המחברים Ritchey & Knack הם עם Speeding Edge, McMorrow עם Samtec division Teraspeed Consulting.