Как и при любом проектном решении, выбор типа объединительной платы требует баланса между ценой, гибкостью и производительностью, характерными для конкретной сетевой топологии. В статье рассматривается влияние на работу высокоскоростных каналов при использовании печатной платы (ПП) и кабельных сборок с разъёмами, их соответствие стандартам IEEE и OIF, а также области, где предпочтительнее каждый вариант.
Следует ли выбрать кабель или ПП? Всё зависит от задачи. Анализируется влияние целостности сигнала на уровне компонентов и системы, возможности повышения производительности и компромиссы интеграции.
Хотя кабельная объединительная плата дороже ПП на уровне компонентов, на системном уровне она может сократить время разработки, снизить совокупные издержки и обеспечить гибкость при подключении модулей, тестировании и прототипировании. Её большая дальность и пропускная способность позволяют расширять сеть и число узлов.
На рисунке 1 показаны физические карты нескольких распространённых сетевых топологий. На примере топологии «звезда» видно, что система может быть спроектирована под ПП или кабельную плату без изменения конструкции узлов. Это даёт возможность со временем перейти на более высокоскоростное решение и продлить жизненный цикл продукта, компенсируя более высокую стоимость кабельных компонентов.
Рис. 1. Различные сетевые топологии
В случае простых топологий — кольцевой, ячеистой и звездообразной (рис. 1) — использование кабельной объединительной платы позволяет размещать узлы с увеличенным шагом между модулями или блейд-серверами. Это даёт больше пространства для систем охлаждения при росте мощности компонентов и позволяет располагать узлы в соседних стойках или шасси. Когда потери на печатной плате становятся критичными, переход на кабельную объединительную плату обычно не вызывает трудностей.
В более сложных топологиях с множеством пересечений кабельные решения хуже масштабируются, и печатные платы оказываются предпочтительнее. Печатные объединительные платы также удобнее интегрировать с другой инфраструктурой — подачей питания и передачей низкоскоростных сигналов вне полосы частот.
С точки зрения производительности обе технологии обеспечивают высокие характеристики на коротких каналах, но кабельные объединительные платы сохраняют качество сигнала и на длинных трассах благодаря экранированным дифференциальным парам, не проходящим через ПП. Это снижает потери и повышает целостность сигнала.
На рисунке 2 показано сравнение топологий печатной и кабельной объединительных плат при одинаковой спецификации. Основное различие — в потерях на единицу длины: при частоте 26,56 ГГц (IEEE 802.3ck 400GBASE-KR4) потери ПП-платы (G) составляют 1,0 дБ/дюйм, а кабельной (G’) — 0,25 дБ/дюйм. Кроме того, в кабельной версии отсутствуют переходные отверстия и разветвления, ухудшающие сигнал на ПП.
Рис. 2. Сравнение топологии
На рисунке 3 показаны смоделированные вносимые потери между топологиями, описанными на рисунке 2, с двумя вариантами длины для каждого типа топологии. Существенное изменение наблюдается в потерях между розовыми дорожками (объединительная плата печатной платы 2 и 16 дюймов), при этом наибольшие потери наблюдаются в канале 16 дюймов. Объединительная плата печатной платы по-прежнему обеспечивает запас вносимых потерь примерно в 6 дБ. Но достаточно ли этого? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо провести анализ каналов на системном уровне.
Рис. 3. Сравнение потерь
При построении восьми линий и оценке потерь на системном уровне в соответствии с требованиями PAM4 с использованием коэффициента использования канала (COM) ситуация выглядит не такой безопасной (см. Рисунок 4). Более высокие предельные значения данных, такие как CEI-112G-LR-PAM4 и IEEE 802.3 400GBASE-KR4, приводят к потере запаса на системном уровне, особенно при проектировании систем с учетом экономической эффективности.
Рис. 4. Канальные модели
В модели портов 800 GbE каждая линия выступает жертвой, а семь других — агрессорами. На рисунке 4 зелёными точками обозначены CEI-112G-LR-PAM4, оранжевыми — IEEE 802.3 400GBASE-KR4; три графика слева — кабельная объединительная плата (G’), справа — печатная (G).
При росте скорости передачи запас уменьшается, что видно на графиках. Кабельная плата длиной 4 дюйма почти не уступает печатной длиной 2 дюйма по производительности и показывает стабильный COM на длинах 4, 10 и 18 дюймов. Печатная плата теряет способность SERDES компенсировать потери и помехи на каналах длиннее 8 дюймов. Для 8- и 16-дюймовых плат разница в COM между скоростями 100G и 112G становится более выраженной. При 112G PAM4 на 16-дюймовой плате COM отрицательный, несмотря на запас относительно предельной линии потерь OIF-CEI-112-LR.
Ранее запас в 6 дБ (см. рисунок 3) позволял завершать разработку с уверенностью в незначительности ошибок. Для скоростей 112G и выше это уже недостаточно: требуется учитывать системные многополосные эффекты и все важные участки межсоединений. Современные системы соединителей с межплатными и кабельно-платными вариантами позволяют оптимизировать проектирование, ускорить интеграцию и увеличить срок службы системы
Литература:
1. Данные о продукте Samtec Twinax, URL: https://www.samtec.com/s2s/system-optimization/twinax-flyovers
2. Б. Саймонвич, «Контроль электромагнитных излучений от краёв печатных плат в объединительных панелях», Signal Integrity Journal , январь 2017 г., URL: https://www.signalintegrityjournal.com/articles/292
