איך המעבר ל PAM4 – , שימוש ב FEC-ותדרים של עשרות גיגה הרץ משנים את הדרך שבה מהנדסים מודדים, מאמתים ומפרשים ביצועים
אחד הדברים הראשונים ששמים לב אליהם בעבודה עם 224 Gbps הוא שהמערכת לא תמיד מתנהגת כפי שהמספרים מרמזים.
קישור שנראה תקין בסימולציה מציג תוצאות גבוליות במדידה. ה eye כמעט פתוח, אבל לא יציב. הביצועים עומדים בדרישות בתנאים מסוימים, ונופלים מעט כשהסביבה משתנה.
מי שעבד עם 56G ו 112G מכיר פערים כאלה, אבל כאן הם מופיעים מוקדם יותר, ולעיתים גם בצורה חדה יותר. במקום סטיות קטנות שניתן לבלוע, מתקבלת התנהגות שקשה להסביר דרך הפרמטרים הרגילים.
ובאופן לא מפתיע, המקום שבו זה מתגלה ראשון הוא המעבדה.
זו כבר לא רק שאלה של מהירות
במבט ראשון מדובר בהכפלה של קצב הנתונים. בפועל מדובר בשינוי עמוק יותר.
224Gbps , במיוחד בשילוב Pulse Amplitude Modulation ברמות ארבע, דוחף את האות לאזורים שבהם כל מרכיב פיזי משפיע ישירות על התוצאה. המעבר ממודולציית NRZ למודולציה ברמות ארבע מביא איתו גם מחיר ברור: ירידה של כ־9.5 דציבל ביחס אות לרעש. זהו פער משמעותי שממחיש עד כמה מרווח הטעות מצטמצם.
התדרים האפקטיביים מגיעים לאזור של 50 עד 60 גיגה הרץ ולעיתים מעבר, והמשמעות היא שהאות כבר לא רק עובר דרך המערכת אלא מעוצב על ידה.
המעגל המודפס, המחברים, הכבלים, ואפילו מתקן הבדיקה, כולם הופכים לחלק בלתי נפרד מההתנהגות של האות.
זה בא לידי ביטוי בפרטים קטנים מאוד. תוצאה גבולית יכולה לנבוע מכבל שאינו מאוזן לחלוטין, או ממחבר שהסטייה שלו קטנה מכדי להופיע במפרט אך מספיקה כדי להשפיע בפועל.
במהירויות קודמות עדיין היה מרווח טעות. כאן המרווח הזה מצטמצם מאוד.
המעבר למדידה הסתברותית
המעבר למודולציה ברמות ארבע מוכר היטב. ארבע רמות מתח במקום שתיים מאפשרות להכפיל את קצב הנתונים, אך גם מצמצמות משמעותית את המרווח לרעש.
אבל השינוי המשמעותי יותר מתרחש באופן שבו מודדים את הביצועים.
בעבר, מדד מרכזי היה Bit Error Rate. מספר השגיאות שנמדדו לאורך זמן נתן אינדיקציה ברורה יחסית לתקינות הקישור.
במהירויות של 224 Gbps המדד הזה לבדו כבר אינו מספיק. הסיבה לכך היא שהקישורים עצמם מתוכננים לעבוד עם תיקון שגיאות קדמי, Forward Error Correction. בפועל, המערכת אינה אמורה לפעול ללא תיקון שגיאות, ולכן קיום שגיאות אינו בהכרח בעיה.
כתוצאה מכך המדידה זזה שלב אחד אחורה:
נמדד שיעור השגיאות לפני תיקון, Pre FEC Bit Error Rate,
ולעיתים נבחנת גם רמת אובדן מסגרות או הביצועים לאחר תיקון.
השאלה משתנה. לא האם יש שגיאות, אלא כמה שגיאות המערכת יכולה לספוג ועדיין להישאר יציבה.
זה מוביל לגישה הסתברותית יותר. יש תחום שבו המערכת מתפקדת בצורה יציבה, תחום שבו היא גבולית, ונקודה שבה הביצועים מתדרדרים במהירות.
איפה זה פוגש את המעבדה
הפער בין המודל למציאות מתגלה בדרך כלל מהר.
מהנדס באחת מחברות הבדיקה תיאר לאחרונה תהליך כיול שנמשך כמעט יומיים עבור סט כבלי מדידה. מדובר בכבלים דיפרנציאליים עם מחברי 1.85 מילימטר, שנועדו לתמוך במדידות עד אזור של 70 גיגה הרץ.
על הנייר כל הרכיבים עמדו בדרישות. בפועל, ה eye diagram לא נפתח בצורה יציבה.
הבדיקה עברה כמה שלבים. תחילה נבדק המוצר עצמו, לאחר מכן סביבת הבדיקה, ורק לבסוף התברר כי מקור הבעיה נמצא בשרשרת המדידה:
סטייה קטנה במופע בין שני כבלים, הבדל זעיר באורך האפקטיבי, ומחבר שלא ישב באופן מושלם.
החלפה של רכיב אחד הספיקה כדי לייצב את המדידה.
זה אינו מקרה חריג. במערכות אלו קשה לעיתים להבחין אם מקור הבעיה בתכנון או במדידה.
התדרים כבר שם, השרשרת משלימה פערים
ציוד המדידה המרכזי התקדם משמעותית בשנים האחרונות. אוסצילוסקופים, מערכות Bit Error Rate Testers ומנתחי רשת וקטוריים מגיעים לתדרים המתאימים לעבודה ב 224 Gbps .
אך שרשרת המדידה אינה מסתיימת במכשיר.
החוליות הרגישות הן דווקא הרכיבים הפיזיים:
מחברי Radio Frequency בקוטר 1.85 מילימטר ולעיתים גם 1.0 מילימטר, פרובים דיפרנציאליים, כבלי בדיקה, מתאמים ומתקני בדיקה.
כל אחד מהרכיבים הללו מוסיף השפעה קטנה משלו. כאשר מצטברות מספר השפעות קטנות, מתקבלת סטייה משמעותית.
במצב כזה, המדידה משקפת שילוב של המערכת ושל סביבת הבדיקה יחד.
תמונה: פתרונות הכבלים והמחברים של Samtec למהירויות של 224Gbps ממחישים עד כמה שלמות האות תלויה בכל רכיב בשרשרת החיבור. קרדיט: SAMTEC
שונות בין ערוצים כבר אינה זניחה
תופעה נוספת שמקבלת משמעות רבה היא שונות בין ערוצים.
מערכת יכולה להיראות תקינה בממוצע, אך בפועל כל ערוץ מציג התנהגות מעט שונה. הבדלים קטנים בתזמון, או Skew בין אותות, מצטברים במהירויות אלו בצורה משמעותית. גם הפרש זמנים של פחות מפיקו שנייה אחת בין הרכיבים בזוג דיפרנציאלי יכול לגרום להמרה למצב משותף ולהפוך את האות לפחות קריא.
בנוסף, הבדלים באימפדנס או במסלול הפיזי מחמירים את התופעה.
במהירויות קודמות ניתן היה לנהל את ההבדלים הללו. ב 224Gbps הם הופכים לגורם מגביל.
מספיק ערוץ אחד חריג כדי להשפיע על קישור שלם.
כתוצאה מכך, שיטת הבדיקה משתנה. במקום להסתמך על מדידה אחת מייצגת, יש צורך לבחון התפלגות ביצועים ולשים דגש על מקרי קצה.
מרכז הכובד עובר מהשבב למערכת
במשך שנים רבות מוקד הדיון היה השבב עצמו. האלגוריתמים, מנגנוני האיזון והארכיטקטורה של המקלט.
במערכות רבות במהירויות אלו, השבב עומד בדרישות.
האתגר נמצא בדרך שבין הרכיבים:
מסלולים על גבי המעגל המודפס, מעברים בין שכבות, מחברים, וכבלים.
כל אחד מהם תורם להתנהגות הכוללת של הקישור.
בהתאם לכך גם המדידה מתמקדת יותר במערכת השלמה ופחות ברכיב בודד.
המדידה נכנסת מוקדם יותר לתהליך
בפרויקטים המבוססים על מהירויות אלו, המדידה אינה שלב סופי בלבד.
מהנדסים משלבים מדידות כבר בשלבים מוקדמים:
אפיון רכיבים באמצעות מנתח רשת, יצירת מודלים מבוססי פרמטרים פיזיקליים, ושילוב נתוני מדידה בתוך סימולציות של שלמות אות.
התהליך הופך מחזורי יותר. המדידה משפיעה על התכנון, והתכנון מעודכן בהתאם לתוצאות המדידה.
כאשר עוברים לרמת מערכת
במערכות גדולות, במיוחד אלו המשמשות לעומסי בינה מלאכותית, המורכבות גדלה עוד יותר.
המדידה אינה מתבצעת עוד על ערוץ יחיד, אלא על מערכת שלמה הכוללת:
השפעות הדדיות בין ערוצים, תנאים תרמיים משתנים, והשפעות של אספקת מתח על תזמון האות.
במקרים רבים לא ניתן לבודד גורם אחד. נדרש להבין את ההתנהגות הכוללת.
לאן זה מתקדם
המהירויות צפויות להמשיך לעלות. כבר כעת מתבצעות עבודות על קישורים בקצב כפול, ושיטות מודולציה מתקדמות יותר.
במקביל, כלי המדידה מתפתחים ומוסיפים יכולות ניתוח מתקדמות יותר, כולל שימוש באלגוריתמים לזיהוי תבניות מורכבות.
אך גם עם ההתקדמות הזו, נותר אתגר בסיסי. הפער בין מודל תיאורטי לבין מדידה בפועל אינו נעלם, אלא משנה צורה.
בפועל, העבודה במעבדה הופכת לפחות שלב אימות ויותר תהליך של הבנה. ניסיון להסביר התנהגות שלא תמיד מתיישבת עם מה שהמודל הבטיח.
ובמהירויות של 224 Gbps , זה כבר חלק בלתי נפרד מהתהליך ההנדסי.
קרדיט למקורות
מבוסס על white papers, application notes וחומרים טכניים מכנסים מקצועיים של החברות Synopsys, Keysight Technologies, Rohde & Schwarz, Tektronix ו-Samtec, וכן על תובנות מתוך TestConX 2025 proceedings.
