במשך עשרות שנים נהנתה תעשיית האלקטרוניקה מקצב התקדמות כמעט צפוי. כל דור חדש של שבבים הביא עמו יותר טרנזיסטורים, יותר ביצועים ויותר רוחב פס. המעבדים הפכו מהירים יותר, רכיבי התקשורת יעילים יותר ומערכות המחשוב החלו להתמודד עם נפחי נתונים שנראו בעבר דמיוניים.
אלא שככל שקצבי הנתונים עולים, חלק מהאתגרים המשמעותיים ביותר מופיעים דווקא מחוץ לשבב. ככל שמערכות מחשוב עתירות ביצועים, מרכזי נתונים מבוססי בינה מלאכותית ומתגי תקשורת במהירויות של 800GbE ו- 1.6TbE מתקדמים לדור הבא, מתברר כי האתגר כבר אינו נמצא רק בתוך השבב. חלק משמעותי ממנו קשור כיום למסלול שהאות עובר בין הרכיבים השונים במערכת.
האותות החשמליים שנוצרים בתוך רכיבי הסיליקון חייבים לעבור מסלול מורכב הכולל מארזים, כדורי הלחמה, מעגלים מודפסים, מחברים וכבלים. במשך שנים הייתה לתעשייה יכולת לספוג את ההפסדים הנוצרים לאורך המסלול הזה באמצעות שיפורים בטכנולוגיות השידור והקליטה. אולם בקצבי נתונים של 224Gbps PAM4, מרווח הביטחון הולך ומצטמצם.
המציאות החדשה מאלצת את מתכנני המערכות לבחון מחדש הנחות יסוד שנראו מובנות מאליהן במשך שנים. האם המעגל המודפס עדיין יכול לשמש כנתיב התקשורת המרכזי? האם מחברים מסורתיים מסוגלים להתמודד עם התדרים החדשים? והאם ייתכן שהדרך היחידה להמשיך ולהגדיל את רוחב הפס היא לקרב את הכבל אל השבב עצמו?
אלו בדיוק השאלות שעומדות במרכז המסמך הטכני Achieving 224 Gbps PAM4 New Interconnect Methods to Ensure Signal Integrity, שפרסמה Samtec. במקום להציג עוד מחבר מהיר יותר, המסמך מתאר שינוי עמוק באופן שבו מהנדסים חושבים על ערוצי תקשורת מהירים ועל הארכיטקטורה כולה של מערכות הדור הבא.
המעבר ל־224Gbps אינו עוד הכפלת מהירות
מבחוץ, המעבר מ־112Gbps PAM4 ל־224Gbps PAM4 נראה כמו שלב נוסף באבולוציה של התקשורת המהירה. בפועל מדובר בשינוי עמוק בהרבה.
ככל שקצב הנתונים עולה, כך כל פגם קטן בערוץ הופך משמעותי יותר. הפסדי מעבר, החזרות אות, רעשים אלקטרומגנטיים, הפרעות בין ערוצים סמוכים וסטיות זעירות בתזמון מתחילים לצרוך חלק הולך וגדל מתקציב הביצועים של המערכת.
הבעיה מורכבת עוד יותר משום שבמקביל לעלייה בקצב הנתונים, גדל גם מספר ממשקי הקלט־פלט בשבבים המודרניים. מאיצי AI, מתגי Ethernet ומעבדי HPC כוללים כיום מאות ולעיתים אלפי ערוצי תקשורת הפועלים במקביל.
התוצאה היא שילוב מאתגר במיוחד: יותר ערוצים, יותר הספק, יותר חום, ופחות מרווח לטעות.
לכן Samtec מציינת כי במערכות 224Gbps שלושה נושאים הופכים לקריטיים במיוחד: שלמות אות (Signal Integrity), אספקת הספק (Power Delivery) וניהול תרמי. בניגוד לדורות קודמים, שלושת התחומים הללו כבר אינם ניתנים להפרדה. כל החלטה לגבי ניתוב האות משפיעה גם על אספקת ההספק ועל יכולת הקירור של המערכת.
חוק מור ממשיך, ה־PCB נשאר מאחור
אחת הטענות המעניינות במסמך אינה קשורה כלל למחברים או לכבלים.
לטענת Samtec, שורש הבעיה נמצא בפער ההולך וגדל בין עולם הסיליקון לבין עולם המעגלים המודפסים.
תעשיית השבבים התקדמה בעשורים האחרונים בקצב מסחרר. טרנזיסטורים שהיו בעבר בגודל של מאות ננומטרים התכווצו לעשרות ננומטרים ואף פחות. בכל דור ניתן לדחוס יותר פונקציונליות לשטח קטן יותר.
המעגל המודפס, לעומת זאת, אינו נהנה מאותו קצב התקדמות.
רוחבי מוליכים, קדחים, מבני BGA ותהליכי ייצור PCB משתפרים אומנם בהתמדה, אך בקצב איטי בהרבה מזה של עולם ה־CMOS.
התוצאה היא פער הולך וגדל בין צפיפות ה־I/O שהשבב מסוגל לייצר לבין צפיפות החיבורים שהלוח מסוגל לקלוט ולנתב.
במשך שנים ניתן היה לגשר על הפער הזה באמצעות פתרונות ביניים. אולם בקצבים של 224Gbps הפער כבר גדול מדי.
למעשה, אחד המסרים המרכזיים של המסמך הוא שהארכיטקטורה המסורתית, שבה כל אות חייב לעבור דרך שכבות PCB רבות לפני שהוא מגיע לכבל, הופכת בהדרגה לגורם מגביל בפני עצמו.
איור 2: קצב ההתפתחות של טכנולוגיות CMOS גבוה משמעותית מקצב ההתפתחות של טכנולוגיות PCB . הפער הזה מוביל את התעשייה לחפש ארכיטקטורות אינטרקונקט חדשות. קרדיט: SAMTE
קצב ההתפתחות של טכנולוגיות CMOS גבוה משמעותית מקצב ההתפתחות של טכנולוגיות PCB. הפער הזה מוביל את התעשייה לחפש ארכיטקטורות אינטרקונקט חדשות.
Near-Chip: הפתרון שעבד היטב עד עכשיו
כדי להתמודד עם הפסדי הערוץ, אימצו יצרני ציוד רבים בשנים האחרונות גישת Near-Chip.
הרעיון פשוט: במקום לנתב את האות למרחק רב על גבי ה־PCB, ממקמים את המחבר קרוב ככל האפשר ל־ASIC ומעבירים את האות במהירות לכבל Twinax.
גישה זו קיצרה משמעותית את מסלול האות על גבי הלוח והפחיתה את ההפסדים שנצברו לאורך הדרך. היא הייתה אחת הסיבות המרכזיות להצלחת מערכות 112Gbps PAM4.
אלא שגם לפתרון הזה יש גבול.
האות עדיין חייב לעבור דרך ה־BGA, כדורי ההלחמה והמעברים האנכיים במארז. בנוסף, שטח ה־PCB סביב השבב הופך למשאב יקר יותר ויותר, משום שהוא נדרש בו־זמנית הן להעברת נתונים והן לאספקת הספקים גבוהים למעבדים מודרניים.
במילים אחרות, Near-Chip מצליח לקצר את הדרך, אך אינו מבטל את הבעיה.
Co-Packaged Copper משנה את כללי המשחק
אחד החלקים המרכזיים במסמך עוסק בארכיטקטורת Co-Packaged Connectivity.
אם Near-Chip מקרב את המחבר לשבב, Co-Packaged עושה צעד נוסף ומעביר את המחבר אל המארז עצמו.
בגישה זו מותקן המחבר ישירות על גבי מצע השבב (Package Substrate), כך שהאות עוקף חלק גדול ממסלול ה־PCB המסורתי.
היתרון אינו מסתכם בקיצור המרחק בלבד.
כל מעבר דרך BGA, כדור הלחמה, Via או שכבת PCB מוסיף החזרות, הפסדים ואי־רציפויות עכבה. כאשר המחבר ממוקם על גבי המארז, חלק משמעותי ממקורות ההפרעה הללו מצטמצם באופן ניכר.
לפי נתוני Samtec, המעבר לארכיטקטורת CPX עשוי לחסוך עד 3dB של הפסדים במסלול האות. בעולם של 224Gbps מדובר בשיפור דרמטי שעשוי לקבוע האם מערכת מסוימת תעמוד בדרישות או לא.
יתרון נוסף הוא צפיפות.
בעוד פתרונות Near-Chip מסורתיים מציעים צפיפות של כ־60 זוגות דיפרנציאליים לאינץ' רבוע, פתרונות Co-Packaged ממשפחת Si-Fly HD מגיעים לצפיפות של עד 170 זוגות דיפרנציאליים לאינץ' רבוע.
זהו הבדל משמעותי עבור מתכנני ASICs עתירי I/O.
Si-Fly HD: מחבר שנולד עבור 224Gbps
משפחת Si-Fly HD פותחה על ידי Samtec במיוחד עבור ארכיטקטורות 224Gbps PAM4.
המערכת זמינה במספר תצורות (ראה טבלה):
מעבר לרוחב הפס, הדגש הוא על ניצול יעיל של שטח המצע, שהוא אחד המשאבים היקרים ביותר במערכת.
בנוסף, הארכיטקטורה מאפשרת תמיכה במאות ערוצי I/O, ואף במערכות בעלות 512 ערוצים ויותר.
איור 3: מחברי Si-Fly HD זמינים במספר תצורות ומאפשרים שילוב של עשרות זוגות דיפרנציאליים בצפיפות גבוהה במיוחד. קרדיט: SAMTEC
מחברי Si-Fly HD זמינים במספר תצורות ומאפשרים שילוב של עשרות זוגות דיפרנציאליים בצפיפות גבוהה במיוחד.
האתגר הבא: הרכבה ישירות על גבי המארז
כאשר המחבר עובר מה־PCB אל מצע המארז, גם תהליך ההרכבה משתנה.
במקום להסתמך על כדורי הלחמה מסורתיים, Si-Fly HD עושה שימוש במבנה Column Tail שפיתחה Samtec. לדברי החברה, תכנון זה מסייע לשפר את אחידות החיבורים ואת הקופלנריות של המחבר, תוך שמירה על יציבות מכנית גבוהה גם לאחר תהליך ה־Reflow.
לאחר התקנת המחבר על מצע המארז מחוברים הכבלים, ובהמשך משולבים רכיבי הקירור בהתאם לדרישות המערכת ולארכיטקטורת המוצר.
איור 4: תהליך ההרכבה של Si-Fly HD בתצורת Co-Packaged , החל מהתקנת המחבר על המצע ועד לשילוב הכבלים ומערכת הקירור. קרדיט: SAMTEC
תהליך ההרכבה של Si-Fly HD בתצורת Co-Packaged, החל מהתקנת המחבר על המצע ועד לשילוב הכבלים ומערכת הקירור.
ביצועים בפועל
המעבר לארכיטקטורה חדשה מחייב הוכחה מעשית.
לשם כך השוותה Samtec את ביצועי Si-Fly HD למודלים המבוססים על דרישות IEEE 802.3 וביצעה מדידות בפועל.
המדידות הצביעו על התאמה טובה בין הסימולציה לבין המציאות, הן בתחום הפסדי המעבר והן בתחום החזרות האות.
החברה מדווחת על עקומות Insertion Loss חלקות במיוחד ועל סטייה נמוכה לאורך תחום התדרים הרלוונטי.
גם בתחום ה־Return Loss נרשמו ביצועים טובים. זהו נתון חשוב במיוחד בארכיטקטורות Co-Packaged, שבהן כל החזרת אות מתרחשת קרוב מאוד למשדר או למקלט.
מבחן הצפיפות: התמודדות עם Crosstalk
כאשר דוחסים 64 זוגות דיפרנציאליים למרחב קטן, החשש המרכזי הוא Crosstalk.
לרוב, ככל שהערוצים קרובים יותר זה לזה, כך גדל הסיכון לזליגת אנרגיה מערוץ אחד לאחר.
למרות הצפיפות הגבוהה, מדידות החברה מציגות ביצועים מרשימים. המסמך מדווח על ביצועי ICN FEXT של 0.36mV rms בלבד, נתון הנמוך משמעותית מהיעדים שנקבעו עבור מערכות 224Gbps PAM4.
איור 5: מדידות Crosstalk דיפרנציאליות של Si-Fly HD מציגות התאמה גבוהה למודל ורמות הפרעה נמוכות במיוחד. קרדיט: SAMTEC
מדידות Crosstalk דיפרנציאליות של Si-Fly HD מציגות התאמה גבוהה למודל ורמות הפרעה נמוכות במיוחד.
מדוע Skew הופך לגורם קריטי ב־224Gbps
אחד החלקים המעניינים ביותר במסמך עוסק ב־Skew.
במערכת 224Gbps PAM4, רוחב הזמן של ביט בודד הוא כ־9 פיקו־שניות בלבד.
כאשר חלון הזמן כה קצר, אפילו הבדלים זעירים במסלול האות עלולים להפוך למשמעותיים.
Samtec בחנה את השפעת ה־Skew הן בכבלי Twinax והן בנתיבי PCB, ומצאה כי כבלי Twinax מצומדים היטב מספקים שליטה טובה יותר בהבדלי ההשהיה וביציבות העכבה לאורך זמן.
כבלי Eye Speed Hyper Low Skew של החברה מציגים ביצועי Intra-Pair Skew של עד 1.75 פיקו־שנייה למטר בלבד.
כאשר משך הזמן של ביט בודד עומד על כ־9 פיקו־שניות בלבד, גם הפרשי השהיה זעירים הופכים למשמעותיים מבחינת שלמות האות.
לפי Samtec, כבלי Twinax מצומדים היטב מספקים גם יציבות טובה יותר של העכבה ושל ביצועי ה־Skew בתנאי כיפוף ושימוש מציאותיים.
נחושת ואופטיקה על אותו ממשק
אחד היתרונות המעניינים ביותר של ארכיטקטורת Si-Fly HD הוא הגמישות שהיא מציעה למתכנני מערכות.
אותו מחבר המותקן על גבי המצע יכול לשמש הן עבור כבלי נחושת פסיביים למרחקים קצרים והן עבור פתרונות אופטיים למרחקים ארוכים יותר.
במערכות AI מודרניות, שבהן קיימים לעיתים חיבורים קצרים בתוך שרת לצד חיבורים ארוכים בין ארונות או אשכולות מחשוב, גמישות כזו מאפשרת לבחור את אמצעי התקשורת המתאים לכל משימה מבלי לשנות את ארכיטקטורת הממשק הבסיסית.
מעבר ל־224Gbps
למרות שהמסמך מתמקד ב־224Gbps, ברור שהתעשייה כבר מביטה אל הדור הבא.
מערכות הבדיקה Bulls Eye של Samtec משמשות כיום לאפיון ערוצים במהירויות של יותר מ־200Gbps לערוץ, והחברה מציינת שימוש בהן גם לצורך אפיון אותות בקצבים של עד 448Gbps.
המשמעות היא שהשינויים הארכיטקטוניים שאנו רואים כיום אינם פתרון נקודתי לדור אחד של מוצרים. הם חלק ממגמה רחבה יותר שבה עולם האינטרקונקט מתקרב בהדרגה אל השבב עצמו.
אם בעבר ה־PCB היה לב המערכת, הרי שבעידן ה־224Gbps מתחיל להסתמן מודל חדש שבו חלק גדל והולך מערוץ התקשורת עובר אל המארז. עבור מתכנני מערכות, מדובר בשינוי משמעותי באופן שבו מתוכננים ערוצי תקשורת מהירים, שינוי שכבר מלווה את המעבר ל־224Gbps וצפוי להשפיע גם על הדורות הבאים של מערכות תקשורת ומחשוב עתירות ביצועים.
תמונת שער: פתרונות אינטרקונקט חדשים כדוגמת Si-Fly HD פותחו במיוחד עבור מערכות 224Gbps PAM4 והדורות
שיגיעו אחריהן. קרדיט: SAMTEC
מבוסס על: Achieving 224 Gbps PAM4: New Interconnect Methods to Ensure Signal Integrity, October 2025. באדיבות: Samtec Inc.
