השתמש במכללי הכבלים הנכונים כדי להבטיח שלמות אות (Signal Integrity) בתקשורת נתונים מהירות-גבוהה

ארכיטקטורות של מערכות אלקטרוניות דורשות קצבי נתונים מהירים יותר, עם תוכניות אפנון ברמה גבוהה יותר ובגורמי צורה קומפקטיים יותר. זה מסבך פריסת לוח מעגל מודפס (לוח pc) כיוון שמתכננים עובדים על צמצום הפסדי קו תמסורת והקטנת רגישות לרעש, להחזרות וערב-דיבור (Crosstalk‏) כדי לשמור על שלמות אות (Signal Integrity) ולעמוד בדרישות קצב שגיאות ביטים (BER) מרבי. כמו כן, אותות מרובי נתיבים חשמליים או אופטיים בין מעגלים-משולבים (ICs‏) או לוח-ללוח דורשים הפרש בין שיהויי התפשטות של כל שתי יציאות של אותו התקן (signal skew) מינימלי, במיוחד בזוגות אותות דיפרנציאליים.

דרך אחת לענות על צרכים אלה המאפשרת את השימוש ‏במצעי לוח סטנדרטיים כדי למנוע עלויות גבוהות יותר היא להשתמש במכללי כבלים מהירות-גבוהה במקום להסתמך על פסי מוליכים של לוח מעגל מודפס (traces) בלבד. מכללים אלה משתמשים בתצורות קצה-יחיד (Single-Ended‏) ודיפרנציאליות, חומרים מתקדמים וטכניקות המספקות שלמות אות מצוינת, ותומכים במסלולי אותות מרובי-נתיבים בצפיפות-גבוהה מנחושת או סיב אופטי. יישומים מסוימים כוללים קצבי פעולה של עד 6 גיגה-ביט לשנייה (Gbps‏).

מאמר זה דן במה שמניע את הצורך במהירות גבוהה יותר וכיצד משיגים זאת. אחר כך, המאמר מציג מכללי כבלים מהירות-גבוהה מבית Samtec‏ ומתאר את היכולות והשימושים שלהם.

הצורך במהירות

העולם‏ רעב לתקשורת מהירה יותר. יישומים סלולריים כמו 5G‏ ו-6G‏, בינה מלאכותית (AI), מחשוב קוונטי ו"נתוני עתק" (‘Big Data’) מניעים ארכיטקטורות מערכת חדשות ודורשים רוחבי-פס גבוהים יותר וקצבי העברה מהירים יותר תוך כדי כיווץ גודל התקנים ומערכות. טכנולוגיות מתפתחות אלו דורשות חברורים היכולים לספק את שלמות האות הגבוהה ביותר ולשמור על יחסי אות-לרעש (SNRs) גבוהים בנוכחות רעש, ערב דיבור (crosstalk), החזרות, הפרעות אלקטרומגנטיות, והפסדים ומקורות הפרעה אחרים.

מהירויות גבוהות יותר חייבו שינויים בטכנולוגיית החיבור. ראשית, העברת נתונים קצה-יחיד (Single-Ended‏), בה נתונים נישאים על ידי חוט‏ יחיד המיוחס למסלול‏ חוזר (לעיתים קרובות מצוין כ‘ארקה’), מוחלף על ידי חיבורי אות דיפרנציאלי היכן ששני חוטים נושאים אותות נתונים בהפרש פאזה של °‏180‏. איתות דיפרנציאלי משפר את ה-SNR על ידי דיכוי רעש משותף לשני המוליכים (רעש אות משותף). שנית, קידוד נתונים‏ עובר מקידוד שאינו-חוזר לאפס (NRZ), ביט יחיד למחזור שעון, לביטים מרובים למחזור שעון, כגון אפנון משרעת פולס 4 רמות (PAM4), שמקודד ארבע רמות שונות או שני ביטים למחזור שעון (איור 1‏).

איור 1‏: לדיאגרמת העין עבור נתוני NRZ (ימין) יש שני מצבים אפשריים, 1 או 0, למחזור שעון; ל-PAM4 (שמאל) יש ארבעה מצבים אפשריים, 00, 01, ‏10 ו-11, למחזור שעון. (מקור תמונה: Art Pini)

PAM4 אורז שני ביטים של נתון בכל מחזור שעון ומשתמש בארבע רמות מקודדות, 00, 01, 10 או 11. זה מכפיל את קצב הנתונים לקצב שעון קבוע אך מקטין SNR בשל שינויי המשרעת הקטנים יותר ‏בין מצבי נתונים. לכן, איתות PAM4 דורש‏ שלמות אות ברמה גבוהה יותר.

אפיון ביצועי קו תמסורת

בין אם מדובר במעגלים מודפסים או בכבלים, ביצועי קו התמסורת בדרך כלל מאופיינים בתחום התדר על ידי פרמטרים של פיזור (s-parameters‏). פרמטרי S‏ מתארים תכונות של‏ התקן בהתבסס על ההתנהגות החשמלית הנצפית בכניסות ויציאות מבלי לדעת את הרכיבים הספציפיים בתוך ההתקן. מספר גורמי איכות (FoMs), מבוססים על פרמטרי S נמדדים‏, משמשים כדי לתאר התקנים בעלי שתי יציאות כגון כבלים. גורמי האיכות השימושיים ביותר הם:

• הפסדי שילוב (insertion loss): ההנחתה הנחווית על ידי אות המתפשט מהכניסה ליציאה של כבל, מבוטאת בדציבלים (dB‏) (הפסדי השילוב של קו תמסורת אידיאלי הוא ‎0 dB)
• הפסדי החזרה (return loss): ההפסדים (ב-dB) בשל החזרות אות המתרחשות כתוצאה מחוסר תאום אימפדנסים ביציאה
• ערב-דיבור (crosstalk‏): מדידה (ב-dB‏) של אותות‏ לא-רצויים המתווספים לקו התמסורת בשל חיווט סמוך

גורמי איכות מעניינים אחרים הם שיהוי התפשטות (propagation delay) והפרש הזמן בין שיהויי התפשטות של כל שתי יציאות של אותו התקן (time skew). שיהוי התפשטות (propagation delay) הוא שיהוי הזמן של אות המתפשט בקו תמסורת. הפרש הזמן בין שיהויי התפשטות של כל שתי יציאות של אותו התקן (time skew) הוא הפרש הזמן בין אותות בשניים או יותר קווי תמסורת.

אופציות של קווי תמסורת

במקרים של תצורות מרובות נתיבים של תקני תקשורת נתונים מודרניים, מאתגר לעמוד בדרישות גורם איכות תוך כדי עמידה במבחן עלות-תועלת כשמשתמשים בגישות תכנון מסורתיות של מצע לוח מעגל מודפס. כדי לטפל בכך, Samtec Inc.‎ פיתחה מכללי כבלים מהירות-גבוהה תוך שימוש בכבלי המיקרו-קואקס והטווינאקס Eye Speed הקנייניים שלה, שבולטים בהפסדים הנמוכים שלהם ובשלמות האות המצוינת. כבלים אלה, משולבים במכללי כבלים מרובי-נתיבים, מציעים ביצועים מעולים הודות למבנה הייחודי שלהם (איור 2‏).

איור 2: מוצג מבט מפורט על המבנה של כבלי מיקרו-קואקס (שמאל) וטווינאקס (ימין) ‏Eye Speed הבולטים בהפסדים הנמוכים שלהם ובשלמות האות הגבוהה. (מקור תמונה: Samtec)

כבלים קואקסיאליים Eye Speed זמינים עם מוליכים מרכזיים רב-גידיים שזורים של 26 עד 28 American Wire Gauge‏ (AWG‏). מבנה כבל קואקסיאלי זה מביא לגמישות גבוהה, משקל קל וגודל קטן, תכונות החשובות במיוחד עבור ריצות ארוכות יותר.

החומר הדיאלקטרי נוצר כשיחול מוצק של אתילן פרופילן מופלר (FEP) מוקצף באוויר בעל קבוע דיאלקטרי נמוך. הקצפה יוצרת חדירות אוויר וכתוצאה מכך מהירות אות גבוהה. משפחת כבלים זו מציעה מבחר סיכוכים מתכתיים קלועים או סרט עבור שלמות אות (signal integrity) משופרת.

מבנה כבל הטווינאקס Eye Speed משתמש במוליכי נחושת מצופים כסף של 28 עד AWG‏ 36‏. מידות חוט גדולות יותר מספקות הפסדי שילוב נמוכים יותר, בעוד חוטים במידות קטנות יותר מציעים גמישות גדולה יותר. שיחול משותף של החומר הדיאלקטרי משפר את שלמות האות ואת רוחב הפס, ומאפשר קצבים של 28 עד 112‎ Gbps. התכן הקומפקטי גורם לצימוד הדוק בין מוליכי האותות ומרווחים קטנים יותר עבור פסיעה‏ קטנה יותר במכלל הכבלים. הפסדי השילוב (insertion loss) עבור 5‏0.2‏ מטר (m) של טווינאקס Eye Speed עבור נתונים מתוזמני שעון ל-14 גיגה-הרץ (GHz)‏ (56‎ Gbps PAM4) הם בתחום של 1- עד ‎2.2 dB-‏, תלוי בקוטר החוט. הפרש הזמן בין שיהויי התפשטות של כל שתי יציאות (timing skew) של כבל טווינאקס הוא‏ פחות מ-3.5‏ פיקו-שניות (ps‏) למטר. שני סוגי הכבלים תומכים בטכנולוגיית Flyover‏ של Samtec.

מהי‏ טכנולוגיית Flyover‏?

טכנולוגיית Flyover‏ של Samtec משתמשת ברוחב הפס הגבוה וההפסדים הנמוכים של מכללי הכבלים Eye Speed כדי להחליף מבנים של אפיקי נתונים על הלוח, ובכך להפחית משמעותית הפסדים (איור 3‏).

איור 3‏: טכנולוגיית Flyover‏ משתמשת בכבלי Eye Speed כדי להציע הפסדים מופחתים משמעותית וקצבי שעון של GHz‏ 14‏ ו-‎28 GHz בהשוואה לחומרי Backplane בעלי הפסד נמוך או הפסד אולטרה נמוך. (מקור תמונה: Samtec)

על ידי דרישת פחות שכבות לוח, טכנולוגיית Flyover מפשטת את פריסות הלוח עבור קצבי נתונים מעל Gbps‏ 28‏. היא גם מאפשרת את השימוש בחומרי לוח מעגל מודפס פחות יקרים.

מכללי כבלים Samtec

יש מגוון רחב של אפשרויות מכללי כבלים מיקרו-קואקס וטווינאקס Eye Speed. הם זמינים כמערכי צפיפות-גבוהה ומציעים מאפיינים כמו משטחי הארקה אינטגרליים, מחברים הרמפרודיטיים, מעצור מתיחה (strain relief‏), ואפשרויות חיבור ונעילה שונות.

לדוגמה, ה-ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1‏ הוא מכלל כבלים‏ דק ל-16‏ זוגות אותות, בחיבור ישיר, תקע-לתקע, באורך 6 אינץ' (.in) (152.4 מילימטר (mm)) ותומך באיתות של ‎64 Gbps PAM4 (איור 4).

איור 4: ה-ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1‏ הוא מכלל כבלים‏ חיבור-ישיר עם 16‏ זוגות אותות דיפרנציאליים התומך באיתות של 64‎ Gbps PAM4. (מקור תמונה: Samtec)

מכלל כבלים זה כולל 16‏ כבלי טווינאקס בעלי זמן השהיה בין מוליכים (skew) אולטרה-נמוך, בתכן שתי שורות, צפיפות-גבוהה, מתפצל ל-32 מגעים עם פסיעה של 0.025 אינץ' (35‏0.6‏ מ"מ). המגעים מולחמים ישירות למוליכי הטווינאקס עבור שלמות אות (Signal Integrity) אופטימלית. הכבלים הם 100 אוהם (Ω‏) דיפרנציאליים המשתמשים בחוט AWG‏ 34‏ וזמינים בתצורות של 8‏ ו-24‏ זוגות. הם בעלי תחום טמפרטורות עבודה של 40°C- עד ‎125°C+.

ה-ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B‏ הוא מכלל כבל‏ים שפת-כרטיס-לשפת-כרטיס הכולל שתי שורות של עשרים כבלים קואקסיאליים קצה-יחיד (Single-Ended‏), Ω‏ 50‏, עם מחבר של 40 מגעים (איור 5‏). אורך הכבל הוא‏ 12‏ אינץ' (305‏ מ"מ).

איור 5‏: מכלל הכבלים ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B משתמש בכבל קואקסיאלי קצה-יחיד (Single-Ended‏) עם מוליך מרכזי של AWG‏ 34‏. המגעים מרווחים בפסיעה של‏ 0.0315 אינץ' (0.80 מ"מ). (מקור תמונה: Samtec)

הקווים הקואקסיאליים משתמשים במוליך מרכזי של AWG‏ 34‏ המסודרים בכבל שטוח. פסיעת המחבר היא 0.0315 אינץ' (0.80 מ"מ). כבלים אלה מדורגים לטפל באותות של Gbps‏ 14‏. המחברים משתמשים במנגנון נעילת סגר על ידי לחיצה כדי להבטיח חיבור פוזיטיבי. אופציונלית, המכלל זמין עם ‏10 עד 60 כבלים לשורה עם‏ מגוון מנגנוני נעילה. כולם עובדים בתחום טמפרטורות של ‎−25°C עד ‎+105°C.

מכלל הכבלים HLCD-20-40-00-TR-TR-2 משתמש בשתי שורות של‏ עשרה כבלים קצה-יחיד (Single-Ended‏), Ω‏ 50‏, באורך של‏ .40‎ in‏ (1.02 מ'). הוא מספק ארבעים מגעים עם‏ פסיעת מגעים של‏ .‎0.0197 in‏ (0.5 מ"מ) (איור 6‏).

איור 6‏: מכלל הכבלים HLCD-20-40.00-TR-TR-2 משתמש במחברים הרמפרודיטיים חיבור-עצמי. (מקור תמונה: Samtec)

מחברים הרמפרודיטיים הם בעלי פינים ושקעים‏ הניתנים לחיבור ביחד עם אותו מחבר. הם משמשים ביישומים בהם אין צורך בקיטוב מגעים, כגון זוגות נתונים דו-כיווניים.

ה-HLCD-20-40.00-TR-TR-2 מציע מבחר של תחומי טמפרטורות עבודה סטנדרטיים או מורחבים של ‎25°C- עד 105‎°C+ או ‎40°C- עד ‎125°C+, בהתאמה.

מכלל הכבלים HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B משתמש בשתי שורות כבלי טווינאקס של‏ 100‎ Ω,‏ 30‎ AWG. אורכו ‎.‏12‎ in ‏(305‏ מ"מ), והוא בעל ‏20‏ כבלים, משתמש במחבר תקע-לשפת-כרטיס ומדורג לעבוד ב-‏14‎ Gbps (איור 7‏).

איור 7‏: למכלל ה-HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B יש מחבר‏ תקע-לשפת-כרטיס עם שתי שורות של‏ כבלי טווינאקס Ω‏ 100‏. (מקור תמונה: Samtec)

משפחה זו מציעה אפשרויות של‏ ‏20‏, 40 או 60 כבלים ומגוון של מחברי‏ משטח ולהרכבת-שפה, והם בעלי פסיעת מחבר של‏ .0.020‎ in‏ (0.5 מ"מ).

סיכום

קצבי נתונים גבוהים יותר דוחפים מתכננים לחפש דרכים חדשניות להבטיח שלמות אות (signal integrity). עבודה עם Samtec‏ מאפשרת להם להתרומם מעל לאילוצים של אפיקי איתות מרובי-נתיבים סטנדרטיים של לוח מעגל מודפס,‏ ולהפיק תועלת ממגוון גדול של מכללי כבלים ביצועים-עיליים, גמישים ומשתלמים העומדים במפרטים של יישומי התקשורת של היום או עוברים אותם.