העברת אותות במהירות 244Gbps PAM4 בצורה מוצלחת מחייבת ניתוח קפדני של שלמות האות (SI – Signal Integrity) והשפעות תרמיות. מאמר זה מסביר כיצד מערכות במהירות 244Gbps PAM4 נבדלות מפתרונות 112 Gbps מבחינת הקישוריות (interconnects), אילו טכנולוגיות ושיטות מאפשרות את הדור החדש של פתרונות PAM4, ואילו כלים זמינים כיום לבדיקה והערכה.
אתגרים בקצב 244Gbps PAM4
בלב אתגרי התכנון של קישוריות במהירות 244Gbps PAM4 נמצאים שלושה גורמים עיקריים: אובדן החדרה (insertion loss), דיבור צולב (crosstalk), והיסט (skew). בתכנון 112Gbps PAM4 נעשה לעיתים קרובות שימוש בחיבורי Near-Chip Cabled connectors – NCC – מחברים הממוקמים סמוך ל-ASIC ומחוברים באמצעות כבל twinax לפאנל קדמי, אחורי או ל-mid-board. גישה זו מפחיתה את סך ההפסד בערוץ [1,2].
מערכות Samtec Flyover® משפרות את אובדן ההחדרה על ידי ניתוב האותות דרך כבלי twinax בעלי היסט נמוך במיוחד, במקום לעבור דרך PCB שבו קיימים הפסדים.
אתגר נוסף קשור להחזרים (reflections) מרכיבים ורטיקליים של המארז – כגון מעברי BGA, כדורי הלחמה (solder balls) וליבת המארז. ניתן לשפר את מרווחי המערכת באופן משמעותי אם ניתן להימנע ממרכיבים אלו על ידי מיקום המחבר ישירות על המארז. פתרונות מסוג זה נדרשים להיות בפרופיל נמוך מספיק כדי להשתלב מתחת לגוף הקירור (heatsink).
Samtec הציגה את מערכת הכבלים Si-Fly® LP להתקנה ישירה על המארז וגם סמוך לשבב עבור 112G PAM4. גישת Flyover הזו צפויה להתאים גם למערכות רבות של 244Gbps PAM4 [1].
מערכות Samtec Flyover® מגדילות את מרווח המערכת ואת אורך הערוץ בכך שהן מפחיתות החזרים ומקטינות את אובדן ההחדרה – ובכך נמנעים הפסדי מארז BGA ומסלולי PCB.
בקצב 244Gbps PAM4, ההפסד לאינץ’ עולה משמעותית [1,2] בשל הפסדי חומר דיאלקטרי וחספוס פני המוליך בתדר של 56GHz. בנוסף, להחזרים מהמעבר, כדורי ההלחמה וליבת המארז יש השפעה חמורה יותר. בקצב זה, מחברים Co-Package Connectors – CPC תורמים משמעותית לשיפור המרווח, בכך שמפחיתים החזרים והפסדי מסלולי PCB. Samtec מפתחת טכנולוגיית חיבור ישיר למארז מזה מספר שנים, תחילה עבור 112Gbps וכעת גם ל-224Gbps PAM4 [3].
מחברים חדשים למערכות 224Gbps
מחבר Samtec Si-Fly HD® (ראו איור 1) ניתן להתקנה ליד ה-ASIC (NCC) או ישירות על מארז השבב (CPC). בתצורת CPC, נמנעים ההפסדים של BGA ושל מסלולי PCB. ההערכה היא שיש כאן יתרון של כ-4.5 dB לעומת 3 אינץ’ של חומרים אולטרה-נמוכי הפסד בקצב 224Gbps (בערך 1.5 dB לאינץ’ בתדר 56GHz). החיסכון מהפסדי BGA עשוי להגדיל יתרון זה, מה שיכול להוות את ההבדל בין מערכת מצליחה לבין כישלון.
איור 1: מחבר Si-Fly HD של Samtec ל-224Gbps PAM4 (מוצג בתצורת CPC עם כבל Eye Speed® Air™)
השבב מונח על תשתית (substrate) שנחשבת לנכס היקר ביותר במערכת, ולכן כל מחבר שמשולב במארז נדרש להיות קומפקטי. מחבר Si-Fly HD בגודל 14×14 מ”מ ותומך ב-64 זוגות דיפרנציאליים (כלומר 64 כבלי twinax). הדור הקודם של המחבר, Accelerate HP®, היה המערכת הצפופה ביותר בתעשייה ל-112Gbps, בגודל 15×30 מ”מ ותמך ב-72 זוגות.
תהליך הייצור שונה עבור CPC – המחבר מולחם ישירות לתשתית השבב. מחבר Si-Fly HD עושה שימוש בעיצוב עמודות (column tail) ייחודי של Samtec לשיפור שלמות ההלחמה במהלך ואחרי הריפלואו. מבנה זה, שאינו כולל כדורי הלחמה, תורם לאחידות, חזרתיות ושמירה על מישוריות (coplanarity) [4].
ביצועים של Si-Fly HD
בעוד שתקנים תעשייתיים ממשיכים להתגבש, Samtec מבצעת בדיקות של פתרונות 224 Gbps PAM4 בהתאם למודלים של גופים כמו IEEE. מדידות ראשוניות הראו שיפור משמעותי בשלמות האות לעומת NCC באותה תצורה.
חיבור ישיר מהחלק העליון של המארז מציג יתרון משמעותי מבחינת החזר ואובדן החדרה. מדידות ראשוניות מצביעות על אובדן החדרה של -8.7 dB, עם פוטנציאל להגיע ל--6.6 dB עם שימוש בכבל EyeSpeed Air לאורך 12 אינץ’. החזר (return loss) נמדד כ--27 dB.
אחד הקריטריונים החשמליים הקשים ביותר להשגה במהירות 224 Gbps PAM4 הוא דיבור צולב (crosstalk). כאשר מגיעים לצפיפות אולטרה-גבוהה (64 זוגות דיפרנציאליים בתוך שטח של 14×14 מ”מ), הדיבור הצולב בדרך כלל גובר עקב הקרבה הפיזית בין הפינים. למרבה המזל, מדידות שבוצעו על מחבר Si-Fly HD החדש מציגות ביצועי דיבור צולב מרשימים.
איור 2 מציג את תוצאות המדידה עבור Si-Fly HD: דיבור צולב אחורי דיפרנציאלי (FEXT) של -49 dB (בגרף העליון) ודיבור צולב קדמי (NEXT) של -53 dB (בגרף התחתון), עד תדר של 56 GHz (Nyquist).
היסט (Skew): בעיות ופתרונות
היסט הוא דאגה תכנונית חשובה במהירות 224Gbps PAM4, שכן ההשפעה שלו עלולה להיות משמעותית. היסט נגרם מהפרש בעיכוב בין שני קווים בזוג דיפרנציאלי, כתוצאה מהבדלים פיזיים או חשמליים. גם אסימטריה בתכנון או שוני באותות הכניסה תורמים לכך. רמת ההחזרים ויכולת הצימוד משפיעים על חומרת התופעה [5,6].
Samtec חקרה לעומק את נושא היסט, בהשוואה בין twinax מסוג Flyover למסלולי PCB [5,7]. תוצאות הראו שכבלי twinax צמודים ומוקצעים (co-extruded) מציגים שליטה טובה יותר על היסט, עכבה ואובדן החדרה – אפילו בתנאי כיפוף. בניגוד לכך, כבלי twinax קונבנציונליים פחות צפויים להציע רמת שליטה זו.
במערכות 224Gbps PAM4, שליטה בהיסט חיונית לביצועים צפויים, במיוחד כיוון שיחידת זמן אחת (UI) שוות ערך ל-9 פיקו-שניות בלבד. שימוש ב-CPC ו-NCC Flyover מאפשר למהנדסים שליטה מדויקת בהיסט [7].
כיצד Samtec מאפשרת 224Gbps
Samtec ממשיכה לפתח מוצרים ל-112 ול-224Gbps בהתאם למודלים של IEEE ותקנים נוספים. טכנולוגיות מקדמות כמו הלחמת advanced solder paste [4] קריטיות להגעה למהירויות הבאות.
Samtec השיקה את הדור הבא של מחברי בדיקה ומדידה Bulls Eye® BE90, המבוססים על BE70 ומתאימים למהירות 224Gbps. מוצרי 224Gbps נוספים כוללים את הרכבת OSFP Flyover® ומערכת Si-Fly HD, שתיהן עם כבלי Eye Speed® AirTM – כבלי twinax עם דיאלקטריק מוקצף ועובי מוליך 33 AWG.
לשימוש מהנדסי מערכת, זמינים מוצרים מוקדמים ל-PAM4 224Gbps לצורכי תכנון, התאמה ואופטימיזציה. לצד הרכבות Si-Fly HD, מציעה Samtec גם את OSFP Flyover PAM4 שתומכת בקצבים של עד 1.6 Tbps aggregate.
פתרונות נוספים כוללים מערכת כבלים ל-Backplane של Si-Fly HD עם תמיכה ב-146 זוגות דיפרנציאליים לאינץ’ מרובע, וכן מערכי board-to-board/מזנין באותו פרופיל נמוך בגודל 14×14 מ”מ.
ליצירת קשר: SIG@samtec.com
למידע נוסף ראו מקורות [8,9].
מקורות
[1] Gore, Brandon. Next-Generation PCB Loss Analysis | Signal Integrity Journal, June 2023.
[2] Josephson, Andrew, et. al. Selecting a Backplane: PCB vs. Cable for High-Speed Designs | Signal Integrity Journal. May 2023.
[3] Samtec – Direct Connect to IC Package on Vimeo
[4] Huffman, Robbie & David Decker. Improved Solder Joint Connectivity for High-Density Interconnect Applications. May 2023.
[5] D’Silva, Hansel, Richard Mellitz, Steve Krooswyk, Adam Gregory, Beomtaek Lee, Amit Kumar, & Howard Heck, “Comparing the Different Metrics of Intra-Pair Skew in Tracking Channel Performance.” DesignCon 2024.
[6] OIF-FD-CEI-224G-01.0.pdf (oiforum.com), p. 18.
[7] Gore, B., McMorrow, S. (2017, Sept). Vehicle for Insitu Glass Fabric Characterization, [Invited Talk]. EDI CON USA 2017, Boston, Ma
[9] Twinax Cables, Samtec Flyover® Cable Systems | System Optimization | Samtec
