10Gbps網(wǎng)絡背板設計關鍵

　　工程師們必須采取適當?shù)募夹g與設計技巧，使其在數(shù)據(jù)速率接近10Gbps時，仍能達到可接受的誤碼率。而OEM廠商同時也面對該為現(xiàn)有的背板上采用何種強化技術，本文將有進一步的說明。

　　隨著對帶寬需求持續(xù)成長，大量投資在交叉式升級(forklift upgrade)上并非最好的解決方法，IT經(jīng)理們必需在現(xiàn)有設備上挖掘出更好的效能與更長的產(chǎn)品壽命。這讓系統(tǒng)設計人員別無選擇，只能尋找新方法來利用已經(jīng)投資在背板(backplane)技術上的每一分錢。

　　表面上看起來，最簡單的解決方法似乎是藉由減少每次數(shù)據(jù)帶寬需求增加的單位間隔時間來延長現(xiàn)有銅背板的壽命。但不幸的是，更高速率的系統(tǒng)所衍生出的損耗、反射、串擾與偏斜等問題，將為試圖提升其上一代系統(tǒng)性能的OEM廠商們帶來更多不同于以往的重大挑戰(zhàn)。

　　為解決當前的背板困境，我們必須先解決信號完整性問題，信號完整性問題會在數(shù)據(jù)速率達3Gbps到10Gbps的范圍內造成像表層效應、電介值損耗、反射、串擾、符號間干擾(Inter-Symbol Interference簡稱ISI)，以及內部對偏斜(intra-pair skew)等嚴重問題(參考附件)。將現(xiàn)有的I/O速度提高兩級，或是利用通用的銅纜線均衡器，都無法有效解決上述問題，因為這些技術主要是針對克服低速背板上常見的訊息信道損耗所設計的。

　　現(xiàn)今的工程師們必須采取一些適當?shù)募夹g與設計技巧，使其在數(shù)據(jù)速率接近10Gbps時，仍能達到可接受的誤碼率(Bit Error Rates, BER)。其中，最有效的應該是稱為脈沖振幅調變(Pulse Amplitude Modulation, PAM)的多準位信號技術，以及我們熟知的判斷反饋均衡器(Decision Feedback Equalization，DFE)自適應均衡技術。

　　OEM廠商所面對的另一個問題，是要確定該在為其現(xiàn)有的背板上采用何種強化技術。是要制作一種客制化的ASIC(特殊應用集成電路)，或是用現(xiàn)成的ASSP(特殊應用標準產(chǎn)品)就能滿足設計呢?答案將取決于相關的經(jīng)濟規(guī)模以及系統(tǒng)的特性和規(guī)格。

　　訊息信道損害(Channel Impairments)

　　背板是由許多不同組件組成的復雜環(huán)境，目前已經(jīng)對超過5Gbps以上的信號速率產(chǎn)生了重大挑戰(zhàn)。如圖1所示，其信號路徑包含了超過11種的不同組件，每一顆組件均各自擁有其阻抗變化。此外，在信號路徑中還有超過10個的過孔，每一個過孔都同時具有貫穿(through)與殘段(stub)成份，這導致了額外的電位阻抗不連續(xù)性與諧振極點。其結果是此環(huán)境中的訊息信道傳輸函數(shù)的變化會非常顯著。當奈奎斯特(Nyquist)頻率低于2GHz時，盡管訊息信道存在著一些差異，但過孔與阻抗不連續(xù)性(反射)的現(xiàn)象卻不是很明顯。在2GHz以上時，根據(jù)信號層(以及過孔的貫穿/殘段比率)、走線長度，以及電介值材料的不同，各訊息信道將呈現(xiàn)出很大的差異。要在這種訊息信道特性變化極大的環(huán)境中實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)速率，對高速串行連接而言是非常大的挑戰(zhàn)。

　　圖1：一個標準的背板系統(tǒng)。其中的每一個主動與背動組件都提出了不同的信號挑戰(zhàn)。此外，還必須考慮到制造時的變化。

　　在高頻背板中，兩種更具破壞性的訊息信道損害是符號間干擾(ISI)與反射。它們都各自有其來源及效應，然而，自適應均衡技術的創(chuàng)新應用將同時克服這兩種不良效應。

　　符號間干擾(Inter-symbol interference)

　　訊息信道的其中一種顯著效應就是會在鄰近符號間引發(fā)ISI的單位元響應‘擴展’ 。當在頻域中考慮ISI時，背板訊息信道的表現(xiàn)就像一個低通濾波器，此處的高頻組件會呈現(xiàn)衰減，而低頻信號則不受影響。(見圖2)

　　圖2：(a) – 背板S21曲線;其表現(xiàn)就像一個低通濾波器。

　　(b) – 反向頻率均衡器S21曲線;其表現(xiàn)就像一個高通濾波器;

　　(c) – 整合的S21曲線;轉換函數(shù)擁有平坦性及理想的頻率范圍。

　　透過分析訊息信道的單位元響應，我們可以在時域中觀察ISI。圖3展示了在簡單的101數(shù)據(jù)模式中從有損號的訊息信道至接收器的傳輸所出現(xiàn)的ISI破壞性效應。錯誤的結果是由來自藍波形的‘前體(pre-cursor)’ISI，加上來算綠波形的‘后體(post-cursor)’ISI所歸納出的，其總和會產(chǎn)生一個明顯高于0/1電壓閥值的‘0’位電壓。

　　圖3：在輸入到訊息信道(黑色)，以及輸出到訊息信道(紅色)時，一個無均衡的簡單101數(shù)據(jù)模式。

　　其輸出情況是分別會輸出到兩個分離的單位元響應(綠色、藍色)，顯示出ISI是如何感應到錯誤的發(fā)生。

　　消除I SI的最常用方法是反向頻率均衡。在背板鏈接環(huán)境中，主要的挑戰(zhàn)是如何在極高性能與極低的面積和功率開銷條件下進行有效的均衡。傳送均衡(通常稱為預強調(pre-emphasis)或解強調(de-emphasis))是一種簡單的方法，通常能有效地消除由發(fā)散所引起的ISI。在傳送均衡中，低頻會對應奈奎斯特頻率信號逐步衰減，因此能讓整個系統(tǒng)的響應變得平坦，并消除ISI(見圖2與圖4)。

　　在此必須注意，在均衡情況中，輸出擺動并沒有增加，為了獲得公平的比較，系統(tǒng)會維持其恒定的峰值功率約束。盡管單位元的高度較低，但透過傳送均衡來消除ISI仍能有效地提升訊息噪音比(SNR)。

　　圖4：無均衡的單位元響應以及一個帶有5接頭均衡傳送器展示了透過傳送均衡減少ISI。每一點都代表符號樣品。

　　反射

　　事實上，要強化所有的高速背板性能，都必須先克服確實存在的反射增加情況。由阻抗失配所引發(fā)的反射出現(xiàn)的原因很多。為了解反射出現(xiàn)的原因，我們必須徹底分析背板上的所有組成部份。如圖1所示，被貼裝在封裝中的芯片必須焊接在插入背板的線路卡上。訊息信道是從一個裸晶到另一個裸晶的完整路徑。信號必須通過大量的走線才能從源頭抵達終點。由表層效應與電介值損耗所產(chǎn)生的線路衰減將分布在很長的水平走在線。

　　然而，最麻煩的問題還不是由長水平走線所引起，而是來自于連接系統(tǒng)中所有組件的短垂直走線所產(chǎn)生。這些垂直走線，即我們熟知的過孔，會從芯片的封裝連接到線路卡，并從線路卡連接到連接器與背板。過孔必須遵循由PCB與連接器產(chǎn)業(yè)所設定的嚴格尺寸與間隔要求，這些要求會造成約束，有時會直接與良好的電氣效能產(chǎn)生沖突。連接器本身經(jīng)常會出現(xiàn)內部阻抗不連續(xù)，另外，在與實際系統(tǒng)中的線路卡及背板整合時，也會出現(xiàn)阻抗不連續(xù)的情況。時域反射(TDR)分析可展示這些阻抗不連續(xù)。(見圖5)

　　圖5：反射減少，信號振幅達到接收器要求的水平，并在訊息信道傳輸函數(shù)中引發(fā)諧振磁傾。反射強度與阻抗失配成正比。

　　判斷反饋均衡器(DFE)

　　判斷反饋接收均衡(DFE)在處理損耗與發(fā)散ISI時非常有效，該方法同時能有效地幫助減少與配置相關的反射。該技術同時運用了傳送及接收均衡器，以讓有范圍限制的DFE擁有足夠的范圍 (見圖6，參考文獻[1]亦有詳細描述)。由于發(fā)散與背板的多種功能屬性有很大關聯(lián)，因此傳送均衡器的靈活性無論在接頭數(shù)量或是接頭設定方面都相當令人滿意。同樣地，由于接收均衡器的主要作用是減少反射，因此接頭分配及加權的靈活性對于處理不同高性能背板配置中變化的反射是非常重要的。

　　圖6：(a) - 均衡結構整合Tx+Rx，以實現(xiàn)DFE;(b) – 均衡接頭范圍覆對訊息信道的單位元響應。

　　任何均衡架構的主要挑戰(zhàn)之一，就是設定接頭加權或均衡系數(shù)。在真實的訊息通到訊息信道變化的標準背板環(huán)境中，沒有一組簡單的系數(shù)設定能適用于所有訊息信道的工作。

　　透過使用自適應技術，我們可以同時為每一種均衡系數(shù)確定最佳方案。兩種基本的自適應方法分別是‘設定并忘掉’，以及‘連續(xù)’。在‘設定并忘掉’方法中，自適應回路會在通電時執(zhí)行，以建立均衡系數(shù)的設定，在自適應回路關斷后，鏈路會以固定系數(shù)執(zhí)行。

　　在‘連續(xù)’方法中，系數(shù)會在實時數(shù)據(jù)傳輸時連續(xù)地進行調整。溫度與濕度變化是背板設計中必須進行連續(xù)自適應調整的最常見效應。它們會依序改變訊息信道傳輸函數(shù)。為了調和連續(xù)的自適應方法，工程師必須更關注均衡設計，以保證均衡系數(shù)的實時變化不會在count rollover期間產(chǎn)生輸出故障。

　　最先進的背板技術在一個區(qū)域與功率效應方式中展現(xiàn)了實現(xiàn)自適應均衡的能力。Rambus公司的Raser X 10Gbps核心利用了內含‘強制歸零(zero-forcing)’方法的連續(xù)自適應技術。Raser X核心同時提供了‘設定并忘掉’與‘連續(xù)’的自適應方法，兩種方法均可由設計人員完全控制。另外，這種自適應方法的比率是可調整的，而且在系統(tǒng)的訊息信道特性變中，它能被調整為任何我們所預期的比率。

　　多準位信號

　　當在背板上執(zhí)行更快速的頻率時，一種處理損耗增加的方法是簡單地使用電壓來增加數(shù)據(jù)速率(即多準位信號)，而非以時間的方法。在傳統(tǒng)的二進制信號中，在每一個符號時間內僅能傳送或接收單一位。但采用像脈沖振幅調變(PAM)這類的多準位信號方法，則能在每一段符號時間內傳送多個位，如此一來，符號在較低的奈奎斯特頻率上執(zhí)行時，也能達到相同的數(shù)據(jù)速率。一種被稱為 4-PAM的技術即是采用了4個級來對每個符號的2個位進行編碼，如圖7所示。

　　圖7：發(fā)出兩個位信號的兩種方法;(a) – 實時二進制信號發(fā)送;

　　(b) – 以電壓和多準位信號方法發(fā)送信號(4-PAM)，XY刻度均是相同的。