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數據通信市場上的高速多層銅互連系統

( 01 Mar 2005 )
作者：Jim Balistreri, JAE Electronics, Inc.

由於全社會對數據的需求永無止境，使得用於資訊處理的計算、儲存和交換系統的輸出量（throughput）也越來越大。在過去五年裡，處理能力的長足進步，帶來了在系統間更有效率移動大量數據方法的需求。

今天由於全球傳輸的資訊數量日益龐大，這個算不上新鮮的問題便越顯突出，如電腦處理器外部互連系統正提升到越來越高的頻率，以滿足這些需求。但電腦處理器只在一個系統內傳輸數據，距離不過數英尺，而外部系統間的數據傳輸則要跨越幾英尺甚至數千英尺的距離。

解決傳輸速率的問題最初是系統OEM業者的責任，因此各式各樣的互連類型便應運而生。近幾年來，在系統供應商和元件供應商之間進行了一系列成功的嘗試，力圖取得外部互連的相容性。這些早期的應用（例如 XENPAK、X2 和 XFP）主要集中在大功率光傳輸互連領域，並以擴展至LAN、Access、廣域網路以及 Core 設備市場中的各種系統為目標。

雖然這些光學系統已被證明非常適合於長距離傳輸大量的資訊，但對短程多通道、高數據速率的應用（如數據中心）而言，這些系統價格則過於昂貴。根據現代數據中心的規模，主要的系統互連長度可以在 15 公尺以內。很顯然地，從成本的角度考量，這些短程應用將採用銅互連的系統而非光學系統。數據中心對高速銅互連的需求不斷增長。但是銅互連的適用範圍僅限於某些應用，特別是能夠在數千兆的數據速率上提供可接受的信號保真度。這方面的技術難題一直挑戰著元器件和系統設計供應商。

在個人電腦產業內為互連相容性尋找共同點的努力被完整地記錄著，而隨著“即插即用”標準的出現，這已為諸如DVI、USB及Firewire這類成本競爭及商品化的產品提供了一饒富生機的沃土。一股要在多通道、數千兆位元互連市場內做同樣事情的需求，正激起整個業界嘗試設立新標準的努力。

標準化的挑戰
在過去三年裡，出現了許多基於標準的新型應用，嘗試在這些“短程”市場上發揮自己的作用，例如 InfiniBand Architecture Specification Release 1.1 以及 IEEE 802.3ak - 10 GBase-CX4，這兩者都專注於提高短程應用中數千兆位元數據傳輸的經濟性。這些標準正在將銅纜線互連的數位數據傳輸速率推向更新更高的水準。現在這些標準的數據速率為 2.5 Gbs(Infiniband)和 3.125 Gbs(CX4)。處理這些微波頻寬的信號速率對連接器製造商和纜線供應商而言，都是空前的挑戰，他們正試圖以更有效率的方式為興起中的及各式的高速市場提供具有品質的產品。由於下一代系統與標準專注於要將速率提高到現在的兩倍以上，未來的設計挑戰會更加嚴酷。工程師們面臨到連接器、纜線和終端元件的設計問題，不但要能支持微波頻寬的需求，還要具備有競爭力的價格。

除了技術設計挑戰以外，另一個重要問題是信號完整性測量的標準化。迄今為止，尚沒有標準化組織或產業團體提出一種廣為接受的高速連接器測試條件。即使是對不同供應商公開的性能數據進行比較，也存在著許多會顯著影響測試結果的變數。

圖片說明
Infiniband的系統應用。

隨著信號速率增加，定義電氣性能的簡單動作變得更為複雜。直到最近，大多數標準都是以時域為基礎的，即明確說明連接器阻抗數據圖、眼圖等。當數據速率進入數千兆位元的範圍內時，信號中的微波成份使性能測試轉向頻率域的射頻測試方法。例如，可以比較一下 InfiniBand 和 10GBase-CX4 之間的差別。InfiniBand 主要仍是依據時域測試（阻抗數據圖、眼圖），但也涉及一個單頻插入損耗（single-frequency insertion loss）要求，而 10 GBase-CX4 則完全是基於頻率域的規格，依靠的是插入損耗、回授損失（return loss）和頻域串音測量。

事實上，推動這些規格的技術專家有時也會討論以頻域測試方法定義一個固有時域方波數據信號的想法。進一步的挑戰是為各種訊號完整性測試的時域與頻域測試之適當性（appropriateness），達成較普遍的一致性。從技術設計的觀點來看，一旦信號完整性的標準建立起來，銅纜互連就可以更充份地滿足市場需求。

需求很大的市場
千兆銅互連市場從一個量小的利基型市場到成為一商品化的量大市場，這種轉變為現在和今後的供應商提出了一些特定的挑戰。一個 InfiniBand 的典型應用可以在單一群集（cluster）內連接數台至超過 2 千台伺服器。

Virginia 科技大學的一項安裝計畫是一個恰當的例子，該校與蘋果電腦公司、Cisco、Liebert 和 Mellanox 科技公司合作，推出一種建立超級計算群集的新型統包式（turnkey）解決方案。以現有的工業元件設計了一個大型 64 位元 InfiniBand 群集，該超級電腦將歸 Virginia 科技大學所有，將大幅增強其研發實力。Virginia 科技大學的工程師、電腦專家和高階管理人員選擇蘋果公司的 Power Mac，即G5，來作為該群集的骨架。

幾個月以來，該大學與蘋果公司合作進行新機器的採購與改造工作，不同業者間每週召開會議，以便以創記錄的速度來建造置這台超級電腦。從地理分佈上看，採國際化運作，遠至以色列和日本的專家也參與了專案的運作。最終，Virginia 科技大學將擁有一台全球最先進的超級電腦，用來支援大量的“大型科學”研究。

不幸的是，在像這樣的應用中，“一種尺寸並沒有辨法適用所有的場合”。互連需求可以從 0.5公尺至 15 公尺，因而造成無法讓任何特定長度獲得規模經濟。另外，標準及訂製式應用、且來自現有OEM及新興公司的發展中客戶需求，也會在未來幾年中令人感到氣餒。

為了滿足未來的市場與客戶需求，連接裝置供應商將嘗試來因應這些挑戰，要在很短的前置時間（無客戶庫存）和技術支援情況下，提供滿足性能要求的產品，如出色的信號完整性（低 NEXT）和機械健全性（robustness），所有這些都要具備有競爭力的價格。

連接系統要滿足時域規範的阻抗需求，同時還要滿足新應用中回授損失的情況，低近端串音（Near End Cross TalK，NEXT）就成為重要參數。

市面上許多新型高速 SERDES（串列/解串列）晶片採用需要極低 NEXT的信號處理技術。使用這些晶片時，NEXT 可以是增加纜線長度的限制因素。但在這些應用中，NEXT 並非一個純粹的連接器特性，連接到連接器的纜線端也很重要。

設計中的綜效
大多數採用纜線的系統連接都由三個部分組成：(1)連接器插頭、插座對；(2)纜線和(3)可靠的連接器/纜線終端（termination）處理其支援的信號。前兩項是分別設計、以便處理其所要支援信號的元件。第三項則是前兩項功能相互整合的副產品。在過去，這三項可以完全獨立地進行考慮，並能在多數應用中正常使用。但現在情況有了變化，因為要考慮跨越整個互連的信號完整性，以及與多來源標準產品的連接等問題，於是要求三者要具有一致性：連接器、纜線和終端。

由於今天數千兆位元互連對信號完整性的需求，所以要特別注意終端的處理，這會花費許多的時間。為了減少每種組合的終端時間，同時維持其性能，必須在纜線與連接器設計的早期就考慮終端問題。在高速應用中，需要把纜線和連接器看作一個系統來進行功能設計，而不能像今天大多數低性能的互連設計一樣，僅僅把它們看成分離的部份。

下一代的互連系統將需要協調所有的設計努力，將所有的三種部件當成一個單一的單元。這樣，新設計才可以得到更好的性能價格比。只有用這種方式，才能讓“高性能、高產量和品質”成為同義字。

結論
隨著更高數據速率的需求不斷成長，整合式的設計方法將成為下一代互連的標準。標準化組織需要更進一步地去了解用於建立一個高品質、高性能互連系統的各種部件，以及評價其性能的方法。只有這樣才能真正獲得好的系統性能價格比。

作者簡介
Jim Balistreri 是 JAE 電子公司電信部門產業行銷經理。讀者可透過以下方式與他聯絡，電話：(949) 753-2677，電子郵件：balistrerij@jae.com。

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