融合:224 Gbps PAM4系统设计的关键
技术融合并不是一个新概念。这个概念推断，随着时间的推移，不同的技术会发展成更紧密的联系或集成。一个简单的例子是瑞士军刀(见图1)。谁知道有人会需要剪刀、开瓶器和配有锋利刀片的螺丝刀呢?
图1标志性的瑞士军刀是整合的一个很好的类比。
这与224 Gbps PAM4系统设计有什么关系?同样的概念也适用。当许多技术(如微双线电缆、ASIC设计、互连、先进IC封装等)结合起来提供独特的系统级解决方案时，就会发生融合。许多人认为224 Gbps PAM4系统性能需要收敛。
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带宽需求似乎没有尽头。5G网络建设开辟全球互联互通新疆域。消费者对流媒体视频、社交媒体、AR/VR和其他应用的需求正在推动互联网数据的指数级增长。最近的全球冠状病毒大流行迫使数百万人在家工作。带宽有限的网络正被强调到极限。
数据中心架构师和系统设计师如何应对这种对数据的永不满足的需求?他们正在推出支持56 Gbps PAM4/IEEE 200G系统性能的服务器、交换机和网络设备。值得庆幸的是，56 Gbps PAM4 fpga、网络ic、收发器和定时解决方案继续增加。业内专家预测，明年初将全面投产。初步的112G PAM4/IEEE 400G系统的带宽再次翻倍，但预计要到2025年才能可用。
光网络连接在某些网络应用中提供了机会。然而，这里也存在设计问题。机箱、机架和系统解决方案需要完全重新设计。虽然基于铜的系统利用现有的和摊销的基础设施，但系统内光学的采用将需要对制造基础设施进行广泛的更改和投资。长期、广泛的光网络采用是有意义的，但本世纪20年代可能不是十年。
微Twinax电缆的救援?
当前基于pcb的系统架构提供有限的性能和有限的走线长度。基于光学的系统架构在短期内是不可行的。作为替代方案，微双线电缆通过pcb而不是通过pcb布线，提供更低的损耗、更长的覆盖范围和系统灵活性。
本课题组研究了传输介质对信号插入损耗的影响。图2说明了低倾斜、微双轴电缆与传统PCB层压板材料的区别。在本案例研究中，在Nyquist频率为28 GHz (112 Gbps PAM4/56 Gbps NRZ)的情况下，与MEGTRON6和MEGTRON7相比，低斜度双轴电缆提高了IL性能。在56 GHz的奈奎斯特频率下(图表外)，差异甚至更大，提供了224 Gbps PAM4系统性能的路径。
图2传输介质影响信号的插入损耗(IL);该图显示了低斜度、微双轴电缆与传统PCB层压板材料之间的差异。
除了性能，低倾斜微双轴电缆还提供了系统架构的灵活性。电缆组件的两端可以以多种方式连接。这种方法提供了跨数据中心的创新架构。例如，当前的可插拔多源协议(MSA)基础设施使用直接连接电缆(DAC)进行机箱到机箱或机架到机架的连接。然而，下一代msa，如QSFP-DD800，认识到从前面板到ASIC的微双ax电缆布线信号的重要性。
汇聚到224gbps PAM4
Micro twinax电缆技术支持112 Gbps PAM4数据速率。连接的微型双轴电缆组件连接到pcb与系统asic。一致、可靠的224 Gbps PAM4性能要求尽可能地消除信号通道中的损耗。是否有其他可以去除的有损信号通道组件?
当前系统ASIC设计支持256车道/512动态路径(DP)的112 Gbps，提供25.6 TB的总数据吞吐量，而下一代ASIC设计将其翻倍。从较大的ASIC封装和BGA突破中路由数百个dp是SI工程师和PCB设计师的噩梦。隔离问题加剧了这一挑战，因为需要可靠的接地方案。ASIC封装和BGA突破仍然是信号路径中损耗的主要来源。
微双轴电缆组件或光纤可以直接连接到ASIC基板上吗?这种方法将有助于消除与打包和拆分相关的损失。然而，必须发展和集成几种不同的技术才能实现所需的通道性能。
将微型双轴电缆组件或光纤连接到基板上需要灵活的互连设计。理想情况下，在同一机械连接系统中启用铜端和光端将简化设计。连接器锁存等可靠性特性将提高整体的坚固性。
将连接器集成到封装中也带来了挑战。高速互连设计和先进的集成电路封装和组装协作是必须的。任何解决方案都必须足够小，不能干扰任何散热技术，如散热器、热界面材料(TIM)或液体冷却。
就像瑞士军刀一样，微型双轴电缆、ASIC设计、互连、先进IC封装和其他技术的融合提供了答案。Samtec的Si-Fly 112 Gbps PAM4低规格高密度电缆系统(见图3)等产品将高速信号直接连接到硅封装上。这消除了信号失真，避免了BGA和路由信号从IC封装通过长到达电缆。结合超高密度设计，总数据速率可达25.6 TB，路径可达51.2 TB。
图3 Samtec的Si-Fly等产品可直接连接到IC封装。
性能怎么样?在112 Gbps PAM4和IEEE 802.3ck允许损耗下进行测量时，与MEGTRON7 PCB的4.5英寸距离相比，铜twinax Si-Fly的距离为22英寸。该系统旨在支持未来的光连接。
直接连接到包提供了224 Gbps的PAM4性能路径。通过减少损失，可以在覆盖范围或性能上进行权衡。融合是224 Gbps PAM4系统设计的关键，而支持224 Gbps PAM4的解决方案只需一个硅设计。
