למדו את היסודות של שלמות אותות

הצמיחה של מרכזי נתונים בעלי ביצועים גבוהים לתמיכה בבינה מלאכותית (AI) הופכת שלמות אותות (SI) לקריטית כך שניתן להעביר כמויות אדירות של נתונים בקצבים גבוהים מתמיד. כדי להבטיח SI, על המתכננים למזער החזרות, רעש וערב-דיבור (Crosstalk‏) באמצעות תשומת לב לפריסת הלוח ושימוש במוליכים ומחברים מתאימים. עליהם להבין גם עקרונות בסיסיים כמו קווי תמסורת, אימפדנס, הפסדי החזרה ותהודה.

מאמר זה מציג כמה מהמונחים המשמשים בדיון על SI ומה המתכננים צריכים להביא בחשבון. לאחר מכן הוא מציג כדוגמה פתרונות כבלים ומחברים של Amphenol‏ כדי להראות כיצד הם יכולים להבטיח הצלחה בתכנון.

קווי תמסורת

קו תמסורת מורכב משניים (או לפעמים שלושה) מוליכים באורך שאינו אפס המופרדים על ידי דיאלקטרי (איור 1). המוליכים נושאים אותות חשמליים בין רכיבי המעגלים עם הפסדים או עיוותים מינימליים. מוליכים נפוצים הם מתכות כמו נחושת, בעלות מוליכות חשמלית גבוהה, תמסורת מצוינת והפסדי הספק נמוכים בעלות נמוכה יחסית. זהב הוא מוליך מצוין, אך בשל עלותו הגבוהה, השימוש בו מוגבל ליישומים הדורשים עמידות גבוהה בפני קורוזיה, כמו פינים ושקעים של מחברים. מתכות וסגסוגות אחרות פותחו עבור יישומים ספציפיים או תכונות חומרים.

איור 1: קווי תמסורת מורכבים ממוליכים המופרדים על ידי דיאלקטרי. המוליכים יכולים להיות מקביליים או קונצנטריים. (מקור התמונה: Amphenol)

דיאלקטרים הם חומרים לא-מוליכים המפרידים בין מוליכים על ידי בידוד האזור סביב הגיאומטריות המוליכות שלהם. תכונות הדיאלקטרים משפיעות על האופן שבו אותות עוברים במוליכים סמוכים.

הקבוע הדיאלקטרי (Dk) וגורם הפיזור (Df) הם מאפיינים משמעותיים של דיאלקטרים המשפיעים על קווי תמסורת. ה-Dk קובע את מהירות התפשטות האותות על הקו. לדוגמה, לחומר עם Dk נמוך יותר יש מהירות התפשטות גבוהה יותר. ה-Df מייצג את הפסדי האנרגיה בתוך החומר כאשר האותות עוברים במורד קו התמסורת. Df נמוך יותר מציין פחות ניחות של האותות, במיוחד בתדרים גבוהים.

דיאלקטרים נפוצים הם אוויר וחומרי פלסטיק שונים. המצע של לוח מעגלים מודפסים (לוח pc‏) טיפוסי הוא דיאלקטרי הנקרא מעכב בעירה 4‏ (FR-4‏), חומר מרוכב של בד של סיבי זכוכית ארוגים עם שרף אפוקסי מעכב בעירה.

תצורות קו תמסורת סטנדרטיות הן כבל קואקסיאלי, זוג חוטים מפותלים, סטריפליין לוח PCB‏ ומיקרוסטריפ לוח PCB‏. שני המוליכים מזוהים כמסלולי האות וההחזרה. המתח בקו תמסורת נמדד בין המוליכים לאורך הקו, והזרם נמדד דרך כל אחד מהמוליכים.

ב-SI, קו תמסורת הוא רכיב חשמלי מבוזר הנושא גלים אלקטרומגנטיים רוחביים (TEM‏) או קוואזי-TEM‏ בין שני מוליכים. גלים אלה מכילים שדות חשמליים (E) ומגנטיים (H) מתחלפים הניצבים לכיוון ההתקדמות של הגל (איור 2).

איור 2: האנרגיה מתפשטת בקווי תמסורת לאורך הקו באמצעות שדות חשמליים ומגנטיים אורתוגונליים מתחלפים. (מקור התמונה: Amphenol‏)

שדה חשמלי משתנה יוצר שדה מגנטי משתנה כסדרה מתחלפת של טרנספורמציות, כך שגל ה-TEM מתפשט לאורך קו התמסורת בכיוון המאונך לשני השדות.

חיבורי קווי תמסורת בין רכיבי המעגלים מוגדרים כחיבורי קצה-יחיד (Single-Ended‏) או דיפרנציאליים (איור 3).

איור 3: קווי תמסורת יכולים להיות מוגדרים כקצה-יחיד (Single-Ended‏) (לא-מאוזן) באמצעות מוליכי האותות והחזרה או ההארקה, או דיפרנציאלי (מאוזן) עם שני מוליכי אותות משלימים ומוליך הארקה. (מקור התמונה: Amphenol‏)

תצורת קצה-יחיד משתמשת בקו אותות ובקו הארקה. האותות אינם זהים, והתצורה נחשבת לאופן התפשטות לא-מאוזן. תצורה דיפרנציאלית משתמשת בשני קווי אותות משלימים וקו הארקה, הפועלים בדרך כלל בנפרד. אותות דיפרנציאליים הם דוגמה לאופן התפשטות מאוזן מכיוון שהאות המעניין הוא ההפרש המתמטי בין שני אלמנטי האות.

אימפדנס קו תמסורת

אימפדנס חשמלי הוא ההתנגדות של מעגל לזרם עקב מתח חילופין מופעל, והוא נמדד באוהם (Ω). אימפדנס הוא היחס הקומפלקסי בין המתח לבין הזרם בכל נקודה לאורך המוליך.

קווי תמסורת חייבים לבקר את האימפדנס שלהם כדי לשאת אותות במהירות גבוהה/רוחב-פס רחב ללא דגרדציה עקב החזרות. האימפדנס הרגעי שלהם בכל נקודה בקו הוא קבוע ונקרא האימפדנס האופייני. הרוחב, מרווח, אורך ותכונות הדיאלקטרי של הפסים המוליכים ומשטח ההארקה קובעים את האימפדנס של קווי התמסורת.

את מאפייני האימפדנס ניתן לראות כהתנגדות למעבר אנרגיה הקשורה עם התפשטות הגלים בקו תמסורת שהוא ארוך הרבה יותר לעומת אורך-הגל של האות המתפשט.

החזרות האותות

אם אות מתפשט דרך קו תמסורת לעומס בעל אימפדנס השווה לאימפדנס האופייני של הקו, האות מועבר במלואו לעומס. אם העומס שונה מהעומס האופייני של הקו, אזי חלק מהאנרגיה הנכנסת לעומס מוחזרת לכיוון המקור.

היחס בין אמפליטודת המתח המוחזר, _R‏V‏, לאמפליטודת המתח הפוגע, _I‏V‏, הוא מקדם ההחזרה (איור 4‏). הוא תלוי באימפדנס העומס (_L‏‏Z‏) ובאימפדנס האופייני (_C‏Z‏) של קו התמסורת.

איור 4‏: מקדם ההחזרה תלוי בעומס ובאימפדנס האופייני של קו התמסורת. (מקור התמונה: Amphenol‏)

ההחזרות נובעות ממעבר אות על פני גבול שבו למדיה יש אימפדנס לא-תואם (איור 5). בכל ממשק, מקדם ההחזרה קובע את האמפליטודה והפאזה של ההחזרה. האות במקלט הוא סכום האות המשודר וההחזרות המושהות בזמן.

איור 5: האות המשודר מעוות עקב הרכיבים המוחזרים המסתכמים עם שיהויי זמן שהם פרופורציונליים לשיהוי ההתפשטות של מסלול ההחזרה. (מקור התמונה: Amphenol‏)

צמתים _2‏Z‏ ו-_3‏Z‏ מחזירים חלק מהאות הפוגע חזרה לכיוון המשדר בעוד שמרבית האנרגיה הפוגעת ממשיכה למקלט. האות המוחזר נתקל באי-תיאום במסלול ההפוך ומוחזר חלקית בחזרה לעבר המקלט. הקצוות של האות מוחזרים בקוטביות התלויה אם האימפדנס על פני הצומת גדל או קטן. תזמון ההחזרות תלוי במרחק הפיזי בין הצמתים. המקלט רואה את סכום האות המשודר וכל ההחזרות.

שימו לב שלאות הנקלט יש רמות עליונות ותחתונות לא-אחידות עקב התוספת של ההחזרות. אם אמפליטודות ההחזרות גבוהות מספיק, יכולות להתרחש שגיאות בעת קריאת הנתונים. אחת המטרות הקריטיות של SI היא הפחתת אנומליות ההחזרות.

הפסדי החזרה והפסדי תחיבה

קווי תמסורת מאופיינים הן במרחב התדר והן במרחב הזמן. ההחזרות נמדדות כהפסדי החזרה (RL) ביחידות של דציבלים (dB) במרחב התדר (איור 6). החלק של ההספק הפוגע שאינו מגיע לעומס נחשב כהפסדי תחיבה (IL‏), הנמדדים גם כן ב-dB. הפסדי תחיבה נמוכים יותר מתורגמים לחיבור טוב יותר.

איור 6: הפסדי ההחזרה מודדים את ההספק המוחזר במרחב התדר, בעוד שהפסדי התחיבה מודדים את ההספק הנקלט בעומס. (מקור התמונה: ארט פיני)

הפרמטר המתאר את הפסדי התחיבה בכבל קואקסיאלי הוא הניחות ליחידת אורך המצוין כ-dB‏-לרגל (dB/ft‏) או dB‏-למטר (dB/m‏).

רעש

רעש הוא כל אות לא-רצוי המופיע על קו תמסורת. ניתן לראות את ההחזרות כסוג של רעש היכול לפגום באות הנקלט. רעש בקו שאינו משדר יכול להיקלט כאות שגוי.

רעש יכול להגיע מכמה מקורות, כגון רעש תרמי, קרינה חיצונית הפוגעת בקו התמסורת ורעש מקווים אחר בתוך אותו התקן (ערב-דיבור (Crosstalk‏)). האנרגיה ממקורות אלה מוסיפה לאותות בקו התמסורת. רעש נמדד ביחס אות-לרעש (SNR), שהוא היחס בין הספק האות להספק הרעש בקו התמסורת. ככל שיחס אות-לרעש גבוה יותר, איכות האותות טובה יותר.

ערב-דיבור (Crosstalk‏)

ערב-דיבור (Crosstalk‏) היא תת-קטגוריה של רעש לא-רצוי המופיע על קו תמסורת עקב אינטראקציות עם שדות אלקטרומגנטיים (EM) שמקורם בקווים סמוכים ללא מגע ישיר. ערב-דיבור נגרם על ידי צימוד קיבולי או השראותי של קו-לקו בין קו התוקפן (הנושא) לבין קו הקורבן (הקולט) (איור 7‏).

איור 7: ערב-דיבור (Crosstalk‏) יכול להיגרם עקב צימוד קיבולי של שינוי מתח או צימוד השראתי של שינוי זרם מהתוקפן לקו התמסורת של הקורבן. (מקור התמונה: Amphenol‏)

ערב-דיבור מתויג בהתאם להיכן הקורבן חווה את הרעש המצומד. ערב-דיבור קרוב-לקצה (NEXT‏) מופיע בצד המשדר של קו תמסורת או התקן תחת בדיקה (DUT‏), בעוד שערב-דיבור קצה-רחוק (FEXT‏) מופיע בצד הקולט.

את ערב הדיבור ניתן להפחית על ידי הגדלת המרחק בין קווי תמסורת סמוכים, הקטנת אורך המסלול, שימוש בקווים דיפרנציאליים המבטלים רעש אופן-משותף בשני הקווים, שמירת הפסים המוליכים על שכבות לוח ה-PCB‏ בניצב, ושילוב הארקה אינטגרלית וסיכוך הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI).

תהודה

תהודה מתרחשת כאשר מסלול האות הוא כפולה של רבע מאורך הגל של האות. בנקודות כאלה, האות המוחזר חופף לגל הפוגע ומגביר או מנחית את האות המשודר. התדרים המתאימים לאורכי גל אלו נקראים תהודות.

תהודות עלולות לגרום לרעש או לעוות אותות, ולהתעורר עקב אורכים ללא-סיומות של קווי תמסורת, הנקראים Stubs‏, במסלול האותות או בהחזרות הארקה לא-אידאלית. איור 8 מציג אפקטים של תהודה עקב Stubs‏ מכמה סוגים עם שני אורכים שונים בערוץ של 12 גיגה-ביט לשנייה (Gbps‏).

איור 8: מוצגיות דוגמאות של אפקטים של תהודה עקב Stubs‏ מכמה סוגים עם שני אורכים שונים בערוץ של Gbps‏ 12‏. (מקור התמונה:: Amphenol‏)

ה-Stubs‏ המודגשים בתיבות אדומות הם באורך של 0.25 אינץ', וכתוצאה מכך תדר תהודה של כ-6 גיגה-הרץ (GHz‏). אורך שלושת ה-Stubs‏ הקצרים מתחת לתיבה המסומנת בירוק הוא 0.025 אינץ'. תדר התהודה שלהם גבוה פי עשר או GHz‏ 60‏. ההיענויות הספקטרלית של שניהם מוצגות בגרפים של נתח ספקטרום בצד שמאל למעלה. הספקטרום האדום הוא ההיענות של ה-Stub‏ של 0.25 אינץ', בעוד שהגרף הירוק הוא זה של ה-Stub‏ של 0.025 אינץ', ה-Stub‏ של 0.25 אינץ' מציג היענות "יניקה" שמרכזה הוא ב-GHz‏ 6‏ עם אמפליטודה נמוכה ביותר.

דיאגרמת העין בפינה הימנית העליונה חופפת לרצפי ביטים רבים של 011, 001, 100 ו-110 כדי לייצר מדידת SI גרפית. כל עוד העין נשארת פתוחה, השידור מצליח. סגירות עין אנכיות הן עקב רעש, החזרות וערב-דיבור. סגירות עין אופקיות קשורות לבעיות תזמון כמו ריצוד. התהודה של GHz‏ 6‏ גורמת לעין סגורה עקב איבוד אמפליטודת האות.

SI במפרטים עבור רכיבי חיברורים

רכיבי חיברורים התומכים במעבדי AI במרכזי נתונים כוללים כבלים קואקסיאליים וזוגות חוטים מפותלים, מחברים ולוחות PCB‏ (איור 9). המפרט של רכיבים אלו הוא בדרך כלל במונחים של האימפדנס האופייני ורוחב-הפס. מפרטי SI כוללים ניחות, גורם מהירות, הפסדי החזרה, הפסדי תחיבה וערב-דיבור.

איור 9: תמיכה במעבדי AI במרכזי נתונים דורשת כבלים ומחברים במהירות גבוהה כדי להבטיח תקשורת מדויקת ואמינה בין האלמנטים. (מקור התמונה: Amphenol‏)

דוגמה לכבל קואקסיאלי הוא כבל Ω‏ 50‏ LMR-400-ULTRAFLEX‏ של Times Microwave Systems‏ עם הפסדים נמוכים, המדורג עבור תפעול פנים או חוץ ב-GHz‏ 6‏. הניחות תלוי-התדר שלו הוא dB/ft‏ 0.05‏ ב-900 מגה-הרץ (MHz‏) וגדל ל-dB/ft‏ 0.13‏ ב-GHz‏ 5.8‏. מהירות ההתפשטות שלו, מדד המשמש כשמנתחים את ההחזרות, היא 80% ממהירות האור (גורם מהירות של 0.8). הפסדי החזרה ושידור הם תלויי-אורך ולכן אינם מופיעים במפרט הכבלים הגולמיים.

המפרטים של רכיבים כגון מחברים הם שונים במקצת. מחבר פסי-פינים זכר עם 112 מיקומים 10128419-101LF‏ של Amphenol Communications Solutions‏ מיועד עבור שימוש בלוח-אם אחורי (Backplane‏). הוא מסוגל לטפל באותות דיגיטליים עם קצב ביטים מקסימלי של Gbps‏ 25‏ עד Gbps‏ 56‏. למגעים שלו יש אימפדנס אופייני של Ω‏ 92‏. כמחבר רב-מוליכים, מפרטי הפסדי התחיבה וערב-הדיבור שלו הם קריטיים (איור 10).

איור 10‏: מוצגים מפרטי הפסדי התחיבה וערב-הדיבור המשמעותיים כפונקציה של התדר עבור פס-הפינים 10128419-101LF‏. (מקור התמונה: Amphenol‏)

אלו הם מפרטי SI טיפוסיים הקשורים לרכיבי חיברורים.

סיכום

יש להביא בחשבון את ה-SI לאורך כל תהליך התכנון עבור מערכות במהירות גבוהה כגון מרכזי נתונים של AI‏. גורמים רבים יכולים להשפיע על ה-SI, והמתכננים חייבים לתת את הדעת על כולם כדי למתן את ההשפעות שלהם. ניתן למקסם את ה-SI עם פריסת פסים מוליכים נכונה של לוח ה-PCB‏ ומוליכים ומחברים מתאימים.