Jatkuvasti kasvavat datansiirtonopeudet asettavat kovia vaatimuksia liitäntätekniikoille. Uusien liitinversioiden on täytettävä suurten nopeuksien asettamat erityisvaatimukset tarjoamalla riittävää suorituskykyä ja luotettavuutta seuraavan sukupolven tiedonsiirtojärjestelmille.

Artikkelin kirjoittaja Jairo Guerrero johtaa Molex-yhtiössä yrityskäyttöön tarkoitettujen tuotteiden markkinointia.

IP-palvelujen määrän ja siirtonopeuksien jatkuvan kasvun seurauksena netin kaistaleveyden kysyntä on lisääntynyt eksponentiaalisesti, mikä taas lisää reitittimien ja kytkimien nopeiden liitäntöjen tarvetta. Tämä puolestaan on johtanut uusien liitäntäteknologioiden ja standardien kehittämiseen 40 ja 100 gigabitin sekuntinopeuksiin yltäville liitäntäratkaisuille. Nyt myös suunnitelmat 400 gigabitin nopeuksiin siirtymisestä alkavat vähitellen toteutua, joten liittimien suunnittelijat eivät ainakaan jouda lepäämään.

Tarve lähettää yhä suurempia datamääriä yhä suuremmilla nopeuksilla muuttaa järjestelmien suunnittelun periaatteita. Uuden lähestymistavan mukaisesti on myös kehitettävä liittimiä, joiden suorituskyky ja muut ominaisuudet on suunniteltu erityisesti hyvin suurella nopeudella tapahtuvaan toimintaan, jotta signaalien eheys voidaan säilyttää, kun uusia siirtoprotokollia otetaan käyttöön.

Impel Plus -taustalevyliitin mahdollistaa yli 50 gigabitin datanopeudet sekä PAM4- että NRZ-järjestelmissä.

On esimerkiksi ilmeistä, että uusi nelitasoinen pulssi-amplitudimodulaatio PAM4 tulee saamaan tässä siirtymässä yhä vahvemman aseman. Alan standardiksi muodostunut perinteinen NRZ-signalointi (Non-Return-to-Zero) tulee vähitellen väistymään, sillä PAM4-modulaatio kykenee käsittelemään datansiirtoa 56 ja 100 gigabitin sekuntinopeuksilla ja jopa vieläkin suuremmilla nopeuksilla.

Vaikka PAM4 tarjoaa merkittäviä nopeusparannuksia NRZ-signalointiin nähden, sillä on myös omat heikkoutensa. Kaikki data on nimittäin koodattava ennen lähettämistä, joten siirretty informaatio täytyy luonnollisesti dekoodata signaalin vastaanotossa. Tämä vaatii ylimääräistä käsittelykapasiteettia, mikä tekee PAM4-signaloinnin toteuttamisen paljon haastavammaksi aiempaan verrattuna. Tästä huolimatta PAM4-modulaation tarjoama entistä suurempi siirtokapasiteetti korvaa tavallista suuremmat signaalinkäsittelyn kustannukset sovelluksissa, joissa hyvin suuret siirtonopeudet ovat kriittinen tekijä.

Samalla on kuitenkin syytä muistaa, että NRZ on edelleen käyttökelpoinen tietyissä suurta nopeutta vaativissa sovelluksissa. Itse asiassa uuden sukupolven taustalevyliittimet voivat tarjota yli 50 gigabitin sekuntinopeuksia sekä PAM4- että NRZ-järjestelmiin. Uuden polven taustalevyt optimoivat signaalin eheyden ja vähentävät väliinkytkentävaimennusta sekä tarjoavat liitännälle yli 30 GHz resonanssitaajuuksia. Ne tarjoavat myös entistä eheämmän signaloinnin optimoimalla rakenteiden geometriat ja differentiaalisuojaukset, jotka minimoivat impedanssien epäjatkuvuudet ja vähentävät ylikuulumista.

Uusia haasteita

Nopeuksien kasvaessa perinteisten liittimien haasteet moninkertaistuvat. Entistä suuremmat datanopeudet tuottavat esimerkiksi aiempaa voimakkaampia sähkömagneettisia häiriöitä, ylikuulumista ja impedanssin epäjatkuvuuskohtia, joten suojautuminen näitä vastaan täytyy sisällyttää jo järjestelmän suunnitteluvaiheeseen. Lisäksi suuriin nopeuksiin yltävien liittimien tulee kyetä toimimaan yhdessä nykyisten liitinvastakkeiden kanssa (säilyttäen yhteensopivuuden taaksepäin) ja näin mahdollistaa integrointi nykyisiin järjestelmiin. Jos esimerkiksi vain tytärkortista kehitetään paranneltu versio, voidaan edelleen käyttää samoja liitinvastakkeita.

Toinen kasvaneisiin nopeuksiin liittyvä tärkeä tekijä on signaalien eheyden säilyttäminen asianmukaisesti. Yksi tapa tämän saavuttamiseksi on poistaa nopeat signaalit piirilevyiltä hyödyntämällä nopeaan siirtoon soveltuvia kuparikaapeleita. Tätä vaihtoehtoa voidaan käyttää 50 gigabitin sekuntinopeuksilla sekä NRZ- että PAM4-signalointia hyödyntävässä datansiirrossa koodaamalla sarjaliikenne soveltaen QSFP-kaapelisarjoja ja -liitinosia (Quad Small Form-factor Pluggable).

Molexin zQSFP+ -liitäntäjärjestelmä tukee seuraavan sukupolven 100 gigabitin Ethenet- ja 100 gigabitin InfiniBand Enhanced Data Rate -sovelluksia.

Uusilla työkaluilla vauhtia suunnitteluun

Nopeita liitäntöjä sisältävien järjestelmien suunnittelussa tervetulleita ovat kaikki työkalut, joilla järjestelmän simulointiaikaa voidaan lyhentää. Perinteisessä manuaalisessa simuloinnissa kukin komponentti simuloidaan erikseen. Tämä tarkoittaa, että yksittäisen järjestelmän simulointiin saattaa vierähtää kokonainen viikko tai jopa enemmän. Koska simulaatio vaatii useita iteraatiokierroksia, tämä voi hidastaa suunnitteluprosessin etenemisen mateluvauhtiin.

Toisenlaisessa lähestymistavassa uudet ohjelmistopohjaiset suunnittelutyökalut hyödyntävät ennalta simuloituja malleja, jotka perustuvat tyypillisten järjestelmien suunnitelmiin, materiaaleihin, signaalivetoihin ja läpivienteihin. Suunnittelija voi valita haluamansa mallit, painaa sen jälkeen vain tietokoneensa enter-näppäintä ja saada tulokset lähes välittömästi. Ohjelmisto tarjoaa ensimmäisen kertaluokan approksimaation, jonka avulla suunnittelijat saavat uutta tietoa kehitettävän järjestelmän kriittisistä parametreista.

Suunnittelijoiden tehtävänä on saada järjestelmänsä entistä nopeammin markkinoille ja hyödyntää aiempaa enemmän supernopeita liitäntöjä. Tästä syystä automaattiset suunnittelutyökalut ovat korvaamattoman arvokkaita.

Mezzanine-moduulit avuksi

Järjestelmän datanopeutta voidaan kasvattaa myös nopeiden mezzanine-tyyppisten lisämoduulien avulla. Viritettävien differentiaaliparien avulla voidaan hoitaa impedanssinsovitukset, epäsymmetrisesti päätetyt linjat ja tehonsyötöt. Saatavissa on laaja valikoima eri korkuisia liitinpinoja ja joustonastaisia (compliant pin) liitäntöjä, jotka tarjoavat datansiirtoa aina 56 gigabitin sekuntinopeuksiin asti. Nämä soveltuvat huippunopeaan datansiirtoon muun muassa tietotekniikan ja teleliikenteen sovelluksissa.

Mezzanine-liittimien tyypillisiä kiinnitystapoja ovat puristusliitos ja SMT eli pintaliitos, joista kummallakin on omat etunsa ja haittansa. Puristusliitettävä mezzanine-liitin esimerkiksi tarjoaa erittäin helpon kiinnitysmenetelmän, kun taas pintaliitettävä SMT-liitin tyypillisesti yltää parempaan suorituskykyyn sallimalla käyttävän levyalan optimoinnin ja eliminoimalla liittimen joustonastojen aiheuttaman epäsovituksen (stub effect). Pintaliitoksen haittapuolia taas tulee arvioida lähinnä liittimien uudelleenkäsittelyn näkökulmasta, sillä se on niissä merkittävästi haastavampaa kuin puristusliitoksella.

Molexin NeoPress High Speed Mezzanine System kykenee jopa 56 gigabitin datanopeuksiin.

Viime aikoina on voitu uusien tekniikoiden avulla vähentää eroja pintaliitoksen ja puristusliitoksen välillä niin, että todellisessa kanavassa eroa ei enää ole. Näin signaalin eheyden sovituksessa on entistä parempi vaihtoehto lähteä suunnittelussa kiinnitysmenetelmän valinnasta, johon eniten vaikuttavat piirilevyn komponenttien sijoittelu, johdinvetojen reititykset ja levymateriaalin paksuus (muiden muuttujien ohella). Lisäksi joustonastojen käyttö mahdollistaa piirikorttien uudelleenkäsittelyn maksimoimalla järjestelmän käytettävyyden mutta säilyttäen samalla signaalien eheyden.

Lisäksi käyttämällä kolmikkojakoista liitinrakennetta (triad wafer), huippunopea mezzanine-liitin tarjoaa seuraavat vaihtoehdot: nopeat 85-100 ohmin impedansseihin viritettävät differentiaaliparit, epäsymmetriset liitinkolmikot alhaisille nopeuksille ja omat kolmikot tehonsyöttöön. Tämän ansiosta suunnittelussa tarvitaan vain yksi liitin eri signaalinopeuksille, mikä vapauttaa tilaa piirilevyltä ja sallii halutun nastajärjestyksen toteuttamisen suunnittelijan toiveiden mukaisesti.

Lämmönhallinta korostuu

Nopeuksien kasvaessa ja yhä uusien moduulien vyöryessä markkinoille entistä tehokkaammat lämmönhallintaratkaisut nousevat avaintekijöiksi seuraavan sukupolven järjestelmille.

Esimerkiksi pinotut liittimet tarjoavat entistä suurempia nopeuksia, mutta ne kuluttavat 4,5 – 5 wattia enemmän tehoa – ja tuottavat enemmän lämpöä – 100 Gb/s QSFP-moduuleissa kuin tavalliset liitännät.

Suurimmassa osassa yrityskäyttöön tarkoitetuista järjestelmistä lämpötila on kyettävä pitämään alle 70°C tason itse moduulissa ja alle 45 asteen moduulin ympärillä kotelon sisäpuolella. Muussa tapauksessa järjestelmän luotettavuus ja suorituskyky ovat uhattuina.

Yksi menestyksekäs uusi lähestymistapa lämmönhallintaan on hyödyntää liitäntämoduuleissa sisäisesti kulkevia jäähdytyslevyjä ja nopeavirtaisia häkkirakenteita, jotka optimoivat läpi kulkevan ilman liikkeet. Näitä tekniikoita hyödyntämällä päästiin emuloidussa 5 watin optisessa QSFP-moduulissa 9°C lämpötilan laskuun. Tämän kaltaiset lämmönhallinnan strategiat ovat elintärkeitä seuraavan sukupolven moduuleille, joiden tulee sietää vähintään 7 W tehohäviöitä (ja jopa enemmän).

Edetessämme kohti erittäin nopean datan tulevaisuutta uusien liitäntätekniikoiden on mahdollistettava sekä edistynyt teknologia että verkon kaistaleveyden jatkuva kasvaminen. Onnistuneiden tuotteiden on kyettävä tukemaan monentasoisia datansiirtonopeuksia erimuotoisilla ja -kokoisilla liittimillä. Uusien liitinversioiden on täytettävä suurten toimintanopeuksien asettamat erityisvaatimukset ja näin tarjottava riittävää suorituskykyä ja luotettavuutta seuraavan sukupolven tiedonsiirtojärjestelmille.