Flyover™-kablar: oundvikligt, men inte enkelt

FR4-flerskiktskort fungerar bra i de flesta designsituationer men, som Samtec visade på DesignCon-mässan 2019, måste man tänka ett varv extra när det handlar om bleeding edge-sammankopplingar med signalhastigheter på 28 gigabit per sekund (Gbit/s) eller ännu högre. Eller så kan man, som i Samtecs lösning, göra en fullständig omdirigering av signalerna med hjälp av Flyover^TM -kablar, som helt tar bort signalerna från bakplanet, från kretsen till angränsande anslutning.

Flyover-kablarnas uppgift är att isolera signalerna från kretskortens (PCB) begränsningar. Med ökade signalhastigheter blir kortets relativa kapacitivitet ett problem – spåren måste läggas perfekt för att undvika störningar, signalkoppling och överhörning. Övergången från NRZ- till PAM4-modulering för ledande serverkort har gjort det extremt svårt att klara jitter- och bruskraven över meningsfulla kortlängder, trots enorma framsteg inom kanalkarakterisering och utjämning (figur 1).

Figur 1: När signalhastigheten ökar upp mot PAM4 (56 Gbit/s) och ännu högre, blir kretskorten dyrare och mindre tillförlitliga, och kompletteras därför med Flyover-kablar. (Bildkälla: Samtec Inc.)

Flyover-konceptet utformades av Samtec, som del av företagets FireFly^TM-serie. Konceptet går ut på att designa kablar och kontaktstycken specifikt för höghastighetssignaler, och att sedan dra kablarna ovanför och över kortet. Minskat materialbehov och lägre specifikationer leder då till lägre kretskortskostnad, samtidigt som det tillförs extra flexibilitet för höghastighetssammankopplingar.

Vid DesignCon-mässan presenterade Samtec en 112 Gbit/s Flyover-anslutning från ett Credo Pelican II SERDES ASIC-kort till en frontpanelanslutning (figur 2).

Figur 2: Samtecs Flyover-kabelsystem på DesignCon-mässan bestod av en kabelanslutning på 112 Gbit/s (blå) från ett ASIC-kort till ett frontpanelgränssnitt. Kablarna löpte direkt ovanför ett antal kretskort. (Bildkälla: TechWire International)

Hjärtat i demoinstallationens Flyover-teknik är designen med twinaxkablar, som har låg förlust och låg förvrängning. Vid 28 GHz har den ca 13 dB lägre införingsförlust jämfört med konventionell bakplansdesign (figur 3).

Figur 3: Jämförelse mellan Samtecs förvrängningssäkra lågförlustkabel och konventionell bakplansdesign med spår, visar att Flyover-kabeln av twinaxtyp har ca 13 dB lägre införingsförlust vid 28 GHz. (Bildkälla: Samtec Inc.)

Resultaten från det system som presenterades på DesignCon talar sitt tydliga språk (figur 4).

Figur 4: Flyover-installationens införingsförlustkurva visar 15 dB förlust vid 28 GHz med PAM4-modulering. Samtliga ögonhöjder är större än 125 mV (millivolt). (Bildkälla: TechWire International)

Flyover-installationens införingsförlustkurva visar 15 dB förlust vid 28 GHz med PAM4-modulering. Samtliga ögonhöjder är större än 125 mV, och bitfelsförhållandet för hela systemet är 7,05e-09 före framfelskorrigering (pre-FEC), vilket är 4–5 gånger bättre än specifikationen.

Flyover-kabelns utförande

DesignCon-installationen innehöll 30 cm av Eye Speed-twinaxkabel med 34 AWG och ultralåg förvrängning (figur 5). Hur en lösning fungerar är ibland lika intressant som vad den gör.

Figur 5: Samtecs twinaxkabel har många egenskaper som säkerställer signalintegritet vid upp till 112 Gbit/s, vilket förevisades på DesignCon 2019. (Bildkälla: Samtec Inc.)

Enligt Danny Boesing, produktmarknadschef hos Samtec, har twinaxkabeln snabbare signalöverföring än andra kablar med motsvarande AWG-dimension. Kanske har han rätt, men jag är framför allt intresserad av hur kabeln fungerar.

Kabeln har ett antal egenskaper som man kanske förväntar sig, exempelvis en extruderad högtemperaturhylsa (servrarna kan bli extremt varma), en extra metalliserad barriär och under denna en ”avancerad” skärm av kopparlegering. Under skärmen omges de två ledarna av ett FEP-material (fluorerat etenpropen) eller PFA-material (perfluoralkoxi) med låg relativ kapacitivitet. En av egenskaperna hos dessa utföranden är att de kan smältbehandlas.

Men en stor del av Samtecs ”hemliga recept” är de silverpläterade kopparledarna. Jag vet inte exakt hur de är uppbyggda (det är fortfarande hemligt) men termen ”samextrudering” används flitigt i företagets dokumentation, vilket är en ledtråd.

Även om det exakta utförandet är hemligt, är det uppenbart att vissa innovationer är verkligt bra, i synnerhet när man får kunskap om hur de fungerar. Tricket är ofta att optimera varje liten designaspekt, för att på så sätt skapa en så bra produkt som möjligt. Och i det här fallet är den produkten en höghastighetskabel.

Du kan förvänta dig fler FireFly-meddelanden från Samtec, i och med lanseringen av OFC Optical Fiber in Communications). Fram till dess kan du kika i den här designguiden för FireFly-tillämpningar, som hjälper dig att börja använda Flyover-konceptet inom optikdomänen.