Connessione ad alta velocità

Il continuo aumento dei servizi IP e delle velocità di accesso ha condotto negli ultimi anni a un aumento esponenziale della richiesta di larghezza di banda, con la conseguente necessità di disporre in router e switch di interfacce a velocità maggiori. Questo, a sua volta, ha portato allo sviluppo di una nuova tecnologia di interconnessione e a nuovi standard per le interfacce a 40 e a 100 Gbps. Inoltre, si stanno attualmente materializzando programmi per velocità fino a 400 Gbps per cui non c’è un attimo di riposo per i progettisti di connettori. La necessità di trasmettere più dati a velocità maggiori sta modificando il design dei sistemi. Le nuove strategie comprendono la messa a punto di connettori con caratteristiche e capacità specifiche per le operazioni ad alta velocità, mantenendo l’integrità del segnale alle alte velocità e utilizzando nuovi protocolli. Ad esempio, diventa sempre più evidente come il Pam4 stia svolgendo un ruolo fondamentale in questa fase di transizione. La trasmissione di segnali Nrz (Non-return-to-zero), uno standard industriale, apre la strada all’utilizzo della modulazione Pam4 in molte applicazioni grazie alla capacità di Pam4 di processare velocità di trasmissione di 56 Gbps, 100 Gbps e superiori. Mentre Pam4 offre importanti miglioramenti della velocità su Nrz, l’aspetto negativo è che i dati devono essere codificati prima della trasmissione e poi decodificati una volta ricevuti. Ciò richiede ulteriori capacità di elaborazione, rendendo Pam4 laborioso da implementare. Tuttavia, laddove le alte velocità sono critiche, la capacità addizionale di Pam4 bilancia i maggiori costi di elaborazione. Allo stesso tempo, è importante tenere a mente che Nrz è ancora appropriato per alcune applicazioni ad alta velocità. In verità, i nuovi connettori per backplane possono garantire velocità di trasmissione dati superiori a 50 Gbps sia su sistemi Pam4 che Nrz. Rispetto alle lamelle in linea, questi backplane ottimizzano le prestazioni in termini di integrità dei segnali e migliorano le perdite d’inserzione, consentendo frequenze di risonanza all’interfaccia superiori a 30 GHz. Essi inoltre consentono l’integrità del segnale tramite l’ottimizzazione delle geometrie e della schermatura differenziale che riducono al minimo le discontinuità di impedenza e riducono la diafonia.

Superare le nuove sfide

All’aumentare della velocità, le modifiche dei connettori di tipo tradizionale diventano maggiori. Ad esempio, i canali a velocità di trasmissione dati superiori comportano solitamente maggiori interferenze elettromagnetiche, diafonia più elevata e aumento della discontinuità di impedenza che richiedono l’integrazione di sistemi di protezione. Inoltre, i connettori sopra descritti devono solitamente operare con gli header esistenti (garantendo la retro-compatibilità), per consentire l’integrazione nei progetti attuali. Ad esempio, se il miglioramento riguarda solo la scheda figlia, è possibile utilizzare gli stessi header. Un altro problema con l’aumentata velocità dei sistemi consiste nel mantenimento dell’integrità del segnale. Un modo per ottenere ciò consiste nel rimuovere i segnali ad alta velocità dal Pcb utilizzando un cavo di rame per alta velocità. Questa alternativa è utilizzabile con traffico seriale codificato a 50 Gbps Nrz e 50 Gbps Pam4 live, utilizzando gruppi cavo e interfacce connettore Qsfp.

Velocizzare la progettazione

Con nuovi progetti richiesti per i connettori ad alta velocità, strumenti che consentano di ridurre il tempo richiesto per simulare il progetto del sistema sono i benvenuti. Nella simulazione manuale di tipo tradizionale, ogni componente viene simulato in modo indipendente. Ciò significa che ci può volere una settimana o più per simulare i singoli progetti di un sistema. Quando sono richieste iterazioni multiple del progetto, questo rallenta il processo di progettazione a passo di lumaca. Utilizzando un approccio diverso, gli strumenti di progettazione basati su un nuovo software utilizzano librerie di modelli pre-simulati basati su progetti, materiali, tracce e vie tipici. I progettisti selezionano i modelli desiderati, premono il tasto di invio sul proprio computer e ottengono i risultati quasi immediatamente. Il software consente un’approssimazione del sistema di primo livello, consentendo ai progettisti di analizzare i parametri critici per lo sviluppo del nuovo sistema. I progettisti sono interessati alla messa in commercio dei loro sistemi quanto prima possibile e stanno utilizzando sempre più interconnessioni ad alta velocità. Di conseguenza, gli strumenti di progettazione automatizzata acquistano importanza e valore.

Un nuovo approccio per i mezzanine

I sistemi mezzanine ad alta velocità offrono un’altra strada per ottenere maggiori velocità di trasmissione dati. Con coppie differenziali regolabili, che consentono configurazioni a impedenza accoppiata, linee sbilanciate e alimentazione, combinate con una gamma di altezze dello stack e terminazioni conformi della piedinatura, i connettori mezzanine ad alta velocità consentono velocità di trasmissione dati fino a 56 GBps. Queste soluzioni sono adatte, tra le altre, per applicazioni di infotech e telecomunicazioni ad alta velocità. Il tipico fissaggio dei connettori mezzanine prevede il montaggio a pressione o Smt (nonostante ci siano alcune versioni a compressione), con entrambe le opzioni che presentano vantaggi e svantaggi, come la facilità di processo del montaggio a pressione di un connettore mezzanine, mentre i connettori Smt solitamente consentono prestazioni migliori, con ottimizzazione dell’ingombro ed eliminazione dell’effetto stub dal pin conforme. Il lato negativo è rappresentato principalmente dagli aspetti della rilavorazione, dal momento che questa è più complicata in caso di montaggio a pressione. Di recente, nuove tecnologie consentono di ridurre la differenza in termini di prestazioni tra Smt e montaggio a pressione, al punto che la differenza si annulla sul canale reale, per cui quando corrisponde all’integrità del segnale, diventa più che un’opzione preferenziale studiare un altro metodo di fissaggio, che sarà guidato principalmente dal layout, dall’instradamento e dallo spessore della scheda (tra le altre variabili). Inoltre, una tecnologia conforme alla piedinatura consente ai progettisti di sistemi di rilavorare la scheda e massimizzare l’utilità del sistema garantendo nel contempo l’integrità del segnale necessaria. Infine, con l’impiego di un design basato su wafer a terna, il connettore mezzanine offre le seguenti opzioni: coppie differenziali ad alta velocità che possono essere tarate su impedenze di 85 - 100 Ω, triadi sbilanciate per le opzioni a basso costo e triadi di alimentazione. Di conseguenza, i progettisti necessitano di un solo connettore per differenti velocità di trasmissione dati, liberando spazio sul Pcb e rispettando realmente la piedinatura preferita.

Strategie di gestione termica

Con l’aumento della velocità e la presenza in commercio di nuovi moduli, una migliore gestione dal punto di vista termico sta diventando un elemento fondamentale per i sistemi della prossima generazione. Ad esempio, i connettori impilati consentono velocità di trasmissione maggiori, ma richiedono circa 4,5 - 5 W di potenza in più - ed emettono più calore - nei moduli Qsfp da 100 Gbps rispetto ai sistemi di interconnessione standard. Per la maggior parte, le temperature nei sistemi aziendali devono essere regolate per rimanere sotto i 70 °C nel modo e sotto i 45 °C di temperatura ambiente nell’alloggiamento. In caso contrario, la conseguenza può essere una riduzione dell’affidabilità e delle prestazioni generali. Un nuovo approccio di successo alla gestione termica consiste nel progettare un dissipatore di calore interno e gabbie ad alto flusso che ottimizzino il movimento dell’aria. L’utilizzo di queste tecnologie consente una riduzione della temperatura generale in un modulo Qsfp ottico da 5 W di 9 °C. Strategie di gestione termica come questa avranno un’importanza fondamentale per i moduli della prossima generazione ai quali sarà richiesto di sopportare almeno 7 W (o più).

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