替代FR4 PCB的高速連接，有線背板成本與性能的博弈

可以預(yù)見的是，隨著數(shù)據(jù)中心，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)和高性能計(jì)算市場的高性能/低功耗半導(dǎo)體芯片組的激增，傳統(tǒng)的FR4PCB基質(zhì)的傳輸性能可能不再能滿足相應(yīng)的靈活性需求、吞吐量需求以及信號(hào)完整性需求。并不是絕對不能滿足，對于25Gbps以下的速度來說，傳統(tǒng)的FR4 PCB基質(zhì)的傳輸性能仍舊是可以覆蓋的。但速率一旦需要升級(jí)，且需要在25Gbps基礎(chǔ)上再拔高，就不得不轉(zhuǎn)而尋找FR4PCB基質(zhì)在連接方面的替代方案。

應(yīng)運(yùn)而生的有線背板技術(shù)是替代FR4 PCB的高速連接方案里相當(dāng)重要的一項(xiàng)技術(shù)。在十余年的發(fā)展歷程中，有線背板技術(shù)在背板生態(tài)系統(tǒng)里一直獨(dú)具吸引力。

更高的電氣性能與更高的成本

FR4 PCB基質(zhì)在耐用性和機(jī)械性能上足夠優(yōu)秀，各項(xiàng)性能指標(biāo)也都能滿足一般工業(yè)用電子產(chǎn)品的需要，性價(jià)比更是沒得說。在25Gbps以及更高速度下的連接應(yīng)用，都格外看重連接系統(tǒng)的電氣性能，但前提是系統(tǒng)速率能達(dá)到25Gbps，F(xiàn)R4 PCB基質(zhì)雖然性價(jià)比很高，但是不得不犧牲一些成本來找到性能更高的方法。目前除了光纖技術(shù)外，有線背板技術(shù)是用于大型計(jì)算和交換系統(tǒng)的少數(shù)替代方案之一。有線背板技術(shù)相對于傳統(tǒng)PCB基質(zhì)，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，成本提高了5-10倍不等。

一些領(lǐng)先的PCB制造供應(yīng)商開發(fā)了HDI高密度互連結(jié)構(gòu)，增加的互連密度允許增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度和提高可靠性。構(gòu)建這些極高層數(shù)的背板需要采用20-30個(gè)制造步驟，成本的增加帶來的是更高的性能。高密結(jié)構(gòu)有助于減少信號(hào)損失和交叉延遲的可能性，從而提高信號(hào)傳輸速率，所有這些都有助于提高高密度互連系統(tǒng)中的整體性能。

但高速與高密的取舍并不是所有供應(yīng)商都能做好，高速與高密之間，存在著不可避免地相互制約的關(guān)系，接口密度越高信號(hào)間的串?dāng)_風(fēng)險(xiǎn)一定會(huì)隨之變大，最高信號(hào)速率難免就會(huì)受到束縛。目前國內(nèi)廠商最高水平是能夠做到56Gbps，在大多數(shù)情況下，56Gbps的數(shù)據(jù)速率已經(jīng)足夠。在56Gbps以上的112Gbps更高速率應(yīng)用領(lǐng)域，目前還是只有一些國際主流大廠能把握好超高速下連接與高密的平衡點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化，比如TE、安費(fèi)諾、莫仕。實(shí)現(xiàn)了112Gbps高速率的大廠現(xiàn)在都在盡可能控制信號(hào)端子的短柱諧振，以提供更平穩(wěn)的線性傳輸速率，這種技術(shù)和工藝層面的領(lǐng)先在相當(dāng)長一段時(shí)間里都會(huì)如此。話說回來，在56Gbps及以下的應(yīng)用里，國產(chǎn)連接器目前的實(shí)力也相當(dāng)能打了。

靈活的背板配置與結(jié)構(gòu)帶來更高的信號(hào)完整性

借助有線背板技術(shù)，互連系統(tǒng)可擁有更多設(shè)計(jì)上的靈活性，為OEM提供更多的系統(tǒng)配置。各子卡并行安裝是一種常用的背板配置，此外，中板/正交配置以 90 度方向安裝子卡也很常見。以這種方式布線通常是在背板空間內(nèi)連接子卡，可實(shí)現(xiàn)更高效的熱管理。不管哪一種各配置，使用電纜都能夠進(jìn)一步提升電氣性能和信號(hào)完整性。

領(lǐng)先的廠商能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)端子在高速差分對中水平排列的零斜切，這會(huì)大大簡化電路板設(shè)計(jì)，還同時(shí)能提高信號(hào)完整性，節(jié)省了相當(dāng)大一部分電路板空間。在保證靈活度上做得最好的可以參考TE的C形、360°接地設(shè)計(jì)，斜切的減少以及零斜切會(huì)減少了噪聲消除的相關(guān)工作并保證電氣裕度，不依賴噪聲消除這個(gè)能力在高速連接應(yīng)用中是至關(guān)重要的。充裕的電氣裕度從另一方面保證更高的PCB靈活性。

莫仕更喜歡采用無中間平面PCB的開放式結(jié)構(gòu)，通過構(gòu)建無中間平面PCB的開放式結(jié)構(gòu)來改善氣流，這種做法在成本上更低廉一些。得益于工藝的領(lǐng)先，在Molex的背板系列里，無中間平面PCB的開放式結(jié)構(gòu)應(yīng)該是目前市面上能提供的密度最高的選擇之一。

有線背板的困擾

隨著設(shè)備數(shù)據(jù)速率從25Gbps到56Gbps到112Gbps，市場對有線背板的需求只會(huì)不斷增加。 有線背板技術(shù)可獲得上面那些優(yōu)異的性能，但也并不是沒有困擾。

使用有線背板需要使用復(fù)雜的引腳標(biāo)測來了解每個(gè)電纜是如何從板到板進(jìn)行路由的。某些系統(tǒng)內(nèi)可能需要設(shè)置數(shù)千個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)連接，復(fù)雜性可見一斑。電纜路由極為復(fù)雜，這可能會(huì)影響電氣和機(jī)械性能。要解決這一困擾需要OEM與連接提供商做大量的細(xì)節(jié)合作。

小結(jié)

作為替代傳統(tǒng)FR4 PCB基質(zhì)的傳輸?shù)挠芯€背板，有著很好的性能，也有一些應(yīng)用中的困擾，但我想歸根結(jié)底在選擇時(shí)最重要的還是成本。如果PCB能夠滿足信道預(yù)算，應(yīng)該沒有誰使用更昂貴的有線背板。但是，如果要求體系結(jié)構(gòu)上的靈活，要求突破傳統(tǒng)PCB連接在25Gbps及更高速度條件下存在的信號(hào)完整性上的極限，那么有線背板昂貴的因素也就不重要了。但肯定的是隨著設(shè)備數(shù)據(jù)速率越來越高，市場對有線背板的需求只會(huì)不斷增加，如何解決有線背板在應(yīng)用時(shí)的困擾，也許連接器廠商通過對系統(tǒng)尺寸和信道長度的持續(xù)優(yōu)化，會(huì)讓這一技術(shù)在成本上更具競爭力。