Implementierung modularer Hochleistungsverbindungen für die Ausrüstung von Unternehmensrechenzentren

Bei der Entwicklung von Servern, Speicher- und Netzwerk-Equipment zur Unterstützung von Big-Data-Anwendungen in Unternehmens- und Cloud-Rechenzentren sowie Kommunikationsinfrastrukturen der nächsten Generation stehen Sie oft vor der Herausforderung, kompakte Verbindungslösungen anzubieten, die den erforderlichen Datenraten gerecht werden. Zu diesen Raten gehören Highspeed-Signale mit bis zu 56 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) unter Verwendung von Spezifikationen wie vierstufiger Pulsamplitudenmodulation (PAM4), Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) der Generationen 4 und 5, Non-Volatile Memory Express (NVMe), Serial Attached SCSI (SAS), Small Form Factor Pluggable (SFP) und Quad SFP (QSFP).

Die fraglichen Anwendungen erfordern schlanke, kostengünstige Steckverbinder, die ein hohes Maß an Signalintegrität (SI), Modularität und Skalierbarkeit bieten und die Ausfallzeiten durch einfache Wartung und Reparatur minimieren. Außerdem benötigen sie Steckverbinder, die mehrere Steckzyklen mit geringen Einsteckkräften und Impedanzen wie 92, 85 und 95 Ohm (Ω) ermöglichen, um verschiedene Anforderungen an Interoperabilität und Signalintegrität zu erfüllen.

In diesem Blog werden die Industriestandards und Anforderungen an die Signalintegrität von PAM4, PCIe, NVMe, SAS, SFP und QSFP vorgestellt und kurz beschrieben. Anschließend wird am Beispiel von PCIe die Bedeutung der Impedanzauswahl und der Bedarf an schlanken Kartenrand- und Kabelanschlusslösungen in Servern, Speichern und Netzwerkkomponenten mit hoher Packungsdichte erörtert. Dabei werden wir uns einige Mini-Cool-Edge-Steckverbinderoptionen von Amphenol ansehen, die Sie für leistungsstarke, kompakte, modulare Verbindungen in Unternehmens- und Cloud-Rechenzentrumsausrüstungen verwenden können.

Einhaltung von Standards und Erreichen von Signalintegrität

Die Spezifikation des Mini-Cool-Edge-Steckverbinders entspricht dem SFF-TA1002-Standard (SFF: Small Form Factor) der Storage Networking Industry Association (SNIA), der rechtwinklige, sattelmontierte und orthogonale Steckverbinder für Server und Speichergeräte umfasst. Dieser Standard wurde von den Ausschüssen EDSFF (Enterprise and Datacenter Standard Form Factor) und OCP (Open Compute Project) für Anwendungen für Halbleiterfestplatten (SDD) bzw. NIC 3.0 (NIC: Network Interface Card) angenommen.

0,60 Millimeter (mm) Mini-Cool-Edge-IO-OverPass^TM-Lösungen (speziell für Flyover-Anwendungen) unterstützen auch Gen-Z-Systemarchitekturen mit niedriger Latenz, die hohe Leistung und verbesserte Signalintegrität bieten. Diese Steckverbinder zeichnen sich durch hochstabile und ausgeglichene Impedanzen und S-Parameter wie Einfügungsdämpfung, Rückflussdämpfung und Nebensprechen aus, die die für Highspeed-Verbindungen erforderliche Signalintegrität ermöglichen. Sie unterstützen sowohl Add-in-Card- (AIC) als auch kabelgebundene Anwendungen mit bis zu 56 Gbit/s PAM4, PCIe Gen 4 und Gen 5 über eine Übertragungsdistanz von 1 Meter (m). Die Impedanzoptionen umfassen 85 Ω (Serie G97), 92 Ω (Serie G42) und 95 Ω (Serie G98). Es sind verschiedene Pinzahlen verfügbar, die den PCIe-, NVMe-, SAS-, SFP(+)- und QSFP-Spezifikationen entsprechen.

Wie bereits erwähnt, unterstützen die Mini-Cool-Edge-Anschlüsse viele Schnittstellenspezifikationen. Im weiteren Verlauf dieses Blogs werden jedoch die für eine PCIe-Schnittstelle erforderlichen Designüberlegungen erörtert.

Welche Impedanz benötigen Sie?

Bei der Entwicklung von Highspeed-Verbindungen für PCIe-Schnittstellen sind viele Faktoren zu berücksichtigen - einschließlich Leiterbahnen und Durchkontaktierungen auf Leiterplatten - und die Steckverbinder stehen ganz oben auf der Liste. Bei der Entwicklung von kompakten, modularen Verbindungslösungen ist die Aufrechterhaltung der Signalintegrität von entscheidender Bedeutung, und die Wahl der richtigen Impedanz ist für das Erreichen dieses Ziels unerlässlich.

Die Bestimmung der optimalen Impedanz wird durch die vielen Arten von PCIe-Verbindungen erschwert. Beispiele hierfür sind Midplane-zu-Motherboard(MB)-Kabelbrücken, Chip-zu-Chip-Kabelbrücken, Chip zu externem Input/Output (I/O) und andere (Abbildung 1). Diese Verbindungen können an einem oder beiden Enden ein IC-Gehäuse haben und mehrere Leiterplatten wie eine Prozessorplatine, Riser oder Add-in-Karten umfassen. Außerdem gibt es elektromechanische PCIe-Kartenanschlüsse (CEM). Die Forderung nach einer Impedanz von 85 Ω gewährleistet die Interoperabilität von Systemen und Karten, die die CEM-Spezifikation verwenden, und garantiert angepasste Impedanzen für alle verbundenen Komponenten. 85 Ω sind jedoch keine absolute Anforderung an PCIe.

Abbildung 1: Verbindungen durch Kabelbrücken haben eine Vielzahl von Formen und müssen hohe Signalintegrität unterstützen. (Bildquelle: Amphenol)

Was ist, wenn die CEM-Interoperabilität nicht erforderlich ist?

Die CEM-Interoperabilität ist für viele PCIe-Anwendungen nicht zwingend erforderlich. In der PCIe-Spezifikation heißt es, dass die 85Ω-Anforderung nicht unbedingt für Steckverbinder, Kabel, Durchkontaktierungen und andere Verbindungen gilt. Sie ist nur für die CEM-Interoperabilität erforderlich. Ohne die Notwendigkeit der Interoperabilität hängt die Wahl der Verbindungsimpedanz von Ihren Prioritäten bezüglich der Signalintegrität ab. Wenn zum Beispiel die Einfügungsdämpfung im Vordergrund steht, können höhere Impedanzen wie 92 oder 95 Ω die bessere Wahl sein.

Neben einer Reihe von Impedanzoptionen zur Optimierung der Signalintegrität benötigen Sie auch eine Vielzahl von Steckerkonfigurationen, die verschiedene mechanische Konstruktionen wie linke und rechte Ausgänge sowie rechtwinklige (RA) und gerade Verbindungen unterstützen (Abbildung 2). Im Vergleich zu Leiterbahnen auf der Platine kann die richtige Steckverbinder- und Kabelbrückenlösung größere Verbindungslängen mit hoher Signalintegrität ermöglichen, die Modularität und Erweiterbarkeit unterstützen und gleichzeitig die Wartung und Reparatur vereinfachen.

Abbildung 2: Steckverbinder mit einer Vielzahl von physischen Konfigurationen können die Anforderungen bestimmter Anwendungen erfüllen. (Bildquelle: Amphenol)

Kompakte PCIe-Steckverbinder

Wenn Sie PCIe-Verbindungen entwerfen, können Sie die Mini-Cool-Edge-IO-OverPass^TM-Steckverbinder von Amphenol verwenden. Diese schlanken Steckverbinder bieten Ihnen einen neuen Ansatz für das Systemdesign, der modular, skalierbar, einfach zu reparieren und kostengünstig ist. Neben einem Raster von 0,60 mm und der Unterstützung von Highspeed-Signalen mit bis zu 56 Gbit/s PAM4/PCIe, Gen 4/PCIe und Gen 5/PCIe sind weitere wichtige Merkmale zu nennen:

• Vertikale und rechtwinklige Konfigurationen (Abbildung 3).
• Gerade, rechtwinklige und Optionen mit links- und rechtsseitigen Kabelausgängen.
• Unterstützung von Signalen mit bis zu 56 Gbit/s - über eine Übertragungsstrecke von 1,0 m.
• Ein und derselbe Steckverbinder kann Kabel- und Kartenranddesigns unterstützen.
• Zu den verschiedenen Impedanzen gehören 92 Ω (Serie G42, z. B. G42V12312HR mit 74 Kontakten), 85 Ω (Serie G97, z. B. G97R26312HR mit 148 Kontakten) und 95 Ω (Serie G98, z. B. G98V11312HR mit 38 Kontakten).
• Die Fähigkeit, 250 Steckzyklen mit einer Steckkraft von maximal 0,6 Newton (N) pro Stift und einer Trennkraft von mindestens 0,06 N pro Stift zu widerstehen.

Abbildung 3: Vertikale (unten) und rechtwinklige (oben) Mini-Cool-Edge-IO-Anschlüsse haben einen Rasterabstand von 0,60 mm. (Bildquelle: Amphenol)

Fazit

Bei der Entwicklung von PCIe-Verbindungen für Unternehmensrechenzentren, wie Server, Speicher und Netzwerkgeräte, müssen Sie nicht weiter als bis zur Produktreihe Mini-Cool-Edge-IO-OverPass^TM von Amphenol schauen. Sie bietet eine Reihe von Steckverbinderoptionen, die eine Vielzahl von Industriestandards erfüllen und Ihren Bedarf bezüglich der Signalintegrität unterstützen, während sie gleichzeitig kostengünstige Lösungen für modulare, skalierbare und leicht zu reparierende Konfigurationen bietet.