隨著5G時代的到來,電信革命正以前所未有的規模快速發展。海量數據及其所需的數據流容量推動了新一代高速寬帶網絡設備的誕生。高速信號完整性是設計高速網絡平臺的主要挑戰之一,高速印制電路板的插入損耗、VIA效應和SSN(同步開關噪聲)如何被最小化和可控制,是完善通信設備性能的關鍵。鑒于這一必要性,NEXCOM、ITRI(工業技術研究所)、FHT(First Hi-Tec)和TUC(臺灣聯合技術公司)合作開發新技術,以克服高速信令的挑戰。
Figure 1. TUC3 correlation of signal speed and insertion loss.
四方聯合共同推出了一種新型的“超低損耗”材料,稱為Tuc3,其插入損耗可以達到-0.57db/inch@25Gbps(圖1)。另一個被稱為同軸VIA(如圖2所示,同軸VIA架構)的創新技術,它在信號模擬方面表現出色,其中SDD21指數分別為-0.2db@8GHz、-0.3db@12.5GHz和-1.2db@28GHz,而同一指數通過傳統的PTH VIA讀取0.3db@8GHz、0.5db@12.5GHz和1.6db@28GHz(圖3)。在同軸via與pth(電鍍通孔)或pth+gnd via的對比圖中,我們發現傳輸速度越高,性能和信號完整性的差異就越大(表1)。在電路板布局中采用同軸通孔,可以在高速信號時保持信號的完整性。
Figure 2. Coaxial VIA stack-up.
Figure 3. Simulation of Coaxial VIA vs PTH@Sdd21 across different speeds.
Simulation Improvement (mV)
|
Signal Measurement + Improvement (mv)
|
|||||||||
CV1
|
PTH
|
Intel GND Via
|
Coaxial Via 1
|
Coaxial Via 2
|
Coaxial Via 3
|
|||||
@10Gbps
|
17
|
381
|
396
|
15
|
397
|
16
|
400
|
19
|
402
|
21
|
@16Gbps
|
33
|
336
|
352
|
16
|
355
|
19
|
356
|
20
|
356
|
20
|
@25Gbps
|
54
|
199
|
222
|
23
|
269
|
70
|
281
|
82
|
284
|
85
|
Table 1. Signal measurement of types of VIA @ different speeds.
該團隊帶來的第三個創新是如圖4所示的嵌入式電容器(紅色路徑)分層在PCB FAB中,與目前主流的SMD型電容器(綠色路徑)相比,將電路軌跡減少50%,從而大大提高了信號完整性,因為它減少了高速IC芯片(如Mellanox ConnectX-5等)產生的大部分SSN。(圖5)展示了帶嵌入式電容器的PCB FAB,其容量為0.01uf@8GHz,電阻為@6 ohm。
Figure 4. Trace length-embedded capacitor (red) vs SMD capacitor (green).
Figure 5. Cross Section, PCB FAB with embedded capacitors.
新漢開發的100G LAN模塊,展示了合作開發整合的三項創新(圖6)。LAN模塊支持2 x100G QSFP28中的100G控制器。端口0的設計遵循100G IC制造商的設計指南,采用PTH+GMD VIA和符合3“長度限制的高速信號電路;同時,端口1的設計基于以上3種創新技術,從而允許高速信號將長度延長至14”(圖7)。在驗證IEEE一致性測試的過程中,100G LAN模塊的端口1 QSFP28完全符合IEEE802.3BM的要求,如圖所示(圖8)。
Figure 6. 100G LAN module snapshot.
Figure 7. 100G LAN module PCB layout.
npoc240
|
|
Port No.
|
Eye Height
(95mV) |
Eye width
(17.84ps) |
Jitter
|
Pass/Fail
|
TUC-3, 14inch
Port 0 (14") |
Sample A
|
TX1
|
142
|
20
|
18.7
|
PASS
|
TX2
|
117
|
19.6
|
18.6
|
PASS
|
||
TX3
|
142.6
|
22.1
|
17.3
|
PASS
|
||
TX4
|
129.8
|
21
|
17.3
|
PASS
|
||
Sample B
|
TX1
|
176.6
|
18.4 |
18.1
|
PASS
|
|
TX2
|
140.4
|
20.7
|
20.1
|
PASS
|
||
TX3
|
189.4
|
22.4
|
16.8
|
PASS
|
||
TX4
|
175.5
|
20.5
|
16.7
|
PASS
|
||
Sample C
|
TX1
|
158.1
|
22.1
|
15.5 |
PASS
|
|
TX2
|
155.3
|
18.5
|
19.9
|
PASS
|
||
TX3
|
170.2
|
22.1
|
17.7
|
PASS
|
||
TX4
|
136.2
|
18.1
|
16.7
|
PASS
|
||
Average
|
153.6
|
20.4
|
17.8
|
PASS
|
Figure 8. Readings of eye diagram, port 1, 100G LAN module.
此卡安裝在基于Intel Purley平臺的新漢 NSA 7146中,并在新漢自己的DPDK下運行時,我們見證了令人印象深刻的吞吐量數據(表2)。我們在不增加中繼器、定時器和任何其他活動組件的情況下實現這一點,以保護其信號完整性并保持所需的性能。這個100G LAN模塊標志著一個里程碑,是高速信號設計的真正突破。
Frame Size
|
Throughput
|
% 100gb/s
|
512B
|
1,330,474,624/1,255,701,950
|
94.38
|
1024B
|
718,385,872/718,385,872
|
100
|
1280B
|
576,907,231/576,907,231
|
100
|
1518B
|
487,646,294/487,646,294
|
100
|
Table 2. Throughput, port 1, 100G LAN module.