高速數(shù)字系統(tǒng)的互連完整性和散熱問(wèn)題

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　　隨著互連速度超過(guò)了10Gbps，工程師和設(shè)計(jì)人員都在努力解決如何在保持一個(gè)合理的熱能管理預(yù)算的前提下，保持信號(hào)的完整。由于系統(tǒng)散發(fā)的熱量過(guò)多，因此如何讓系統(tǒng)保持溫度低于合理的水平，防止過(guò)早失效或人身傷害(連接器的溫度)這對(duì)工程師和設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。在這篇文章中，我們將探討如何降低互連功耗，以及當(dāng)今高速世界熱能管理的各種技術(shù)。

　　服務(wù)供貨商正在迅速擴(kuò)大他們的容量，為此所需的傳輸互傳帶寬—10G通過(guò)太網(wǎng)交換機(jī)和服務(wù)器進(jìn)行互連的方式已經(jīng)非常普遍了。由于數(shù)據(jù)傳輸速率超過(guò)了10Gbps，要保持信號(hào)的完整性以及管理日益增加的電力需求正變得越來(lái)越困難。要更快的速度，就需要更多的電力。要在同一距離達(dá)到更快的速度，就需要有源電路或特殊材料。那么，有沒(méi)有適合這種轉(zhuǎn)換升級(jí)的解決方案呢?

　　光互連和替代品

　　在許多高速數(shù)據(jù)應(yīng)用中，都有一個(gè)ASIC或FPGA在完成或正在處理交換。實(shí)例包括了組成連接結(jié)構(gòu)的交換機(jī)和采用深度封包檢測(cè)技術(shù)的防火墻，這里吞吐能力是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。這些類型的系統(tǒng)互連通常是通過(guò)位于靠近設(shè)備背面的連接光纜的光纖模塊。直到最近，大多數(shù)ASIC或FPGA都不能直接提供內(nèi)建的10G以太網(wǎng)連接，所以一個(gè)物理層設(shè)備(PHY)采用了匯聚多個(gè)信道的較慢數(shù)據(jù)(XAUI)來(lái)達(dá)到10G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。這使得設(shè)計(jì)人員能夠在其印刷電路板(PCB)上傳輸速度較慢的數(shù)據(jù)，也較少會(huì)碰到一些關(guān)于信號(hào)完整性(SI)的問(wèn)題(請(qǐng)見(jiàn)圖1)。

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　　然而，隨著最近32nm(及更小)CMOS工藝的推出， 10GE元件已能夠被整合在中央ASIC或FPGA當(dāng)中。在大多數(shù)應(yīng)用中，這是很重大的進(jìn)步，因?yàn)橄到y(tǒng)工程師可以在他們的設(shè)備設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)更高的密度—這的確是這樣(見(jiàn)圖2)。然而，這帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題，因?yàn)樵诘竭_(dá)光纖模塊連接器之前，10G信號(hào)的完整性會(huì)迅速惡化。較小發(fā)射振幅的低電壓CMOS限制了信號(hào)的輸出電平。此外，如果這些模塊遠(yuǎn)離ASIC或FPGA，就可能難以滿足非常嚴(yán)格的輸入抖動(dòng)要求。為了解決這個(gè)問(wèn)題，信號(hào)調(diào)節(jié)器裝置可以放在連接器附近以幫助減少抖動(dòng)來(lái)滿足規(guī)范。在許多情況下，隨著高密度交換器的增加，額外的功耗會(huì)導(dǎo)致空氣溫度上升，而空氣本是用來(lái)冷卻插入系統(tǒng)背面的光纖模塊的，這就需要增加信號(hào)調(diào)節(jié)的步驟以盡可能的降低功耗。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的單通道DS100BR111和四通道DS100BR410都是可以滿足此要求的良好實(shí)例，兩款元件都是功耗極低的10G緩沖中繼器。增加連接器附近的功耗可能會(huì)導(dǎo)致光纖模塊溫度的問(wèn)題，所以保持較低的功耗至關(guān)重要。

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　　另外，系統(tǒng)也開(kāi)始在使用有源銅纜來(lái)代替長(zhǎng)度在15米以下的光模塊互連。這種趨勢(shì)主要來(lái)自于用戶希望能降低互連的成本，且在較短傳輸距離下可選擇的使用到光纜。有源銅纜基本上采用了如上所述相同的技術(shù)，除了緩沖中繼器裝置是在連接器外殼內(nèi)部，還采用了均衡和去加重補(bǔ)償電纜的損耗。然而，由于這些系統(tǒng)背面高密度的連接器和有限的氣流或空氣溫度較高，構(gòu)建一個(gè)有源電纜還是要求非常低的功耗。事實(shí)上，如果有源元件的功率不夠低，連接器外殼的溫度可能上升到足以造成移動(dòng)電纜的技術(shù)人員嚴(yán)重?zé)齻某潭取?/p>

　　像Molex、Tyco、Amphenol及其他幾家制造商也開(kāi)始在光纖模塊組籠(Cage)中整合散熱片，以幫助消除余熱。這有助于管理模塊的熱量性行蹤(thermal footprint)以確保正常運(yùn)行。然而，對(duì)于某些為了縮短運(yùn)行距離而使用無(wú)源電纜的安裝客戶來(lái)說(shuō)，需要的是較大直徑的電線組件。當(dāng)這些電纜大量插入一個(gè)機(jī)架的背面時(shí)，它們實(shí)際上可能阻礙氣流，造成設(shè)備的運(yùn)行溫度上升。這是促使用戶轉(zhuǎn)向使用有源銅纜28或30 AWG導(dǎo)線的另一個(gè)原因。相對(duì)于無(wú)源電線組件以及類似光纖的彎曲半徑來(lái)說(shuō)，后者的直徑更小。

　　未來(lái)不再那么遙遠(yuǎn)

　　隨著對(duì)帶寬需求的不斷增加，運(yùn)營(yíng)商和服務(wù)供貨商將需要更高容量和更高密度的互連。目前大多數(shù)企業(yè)交換機(jī)和服務(wù)器接口都是10G以太網(wǎng)，其已部署到位的信息架構(gòu)可支持光纖和銅纜—無(wú)論是有源還是無(wú)源。40G以太網(wǎng)使用四信道10G，而100G使用十通道。但是，下一步將遷移到25G互連，這將簡(jiǎn)化用于傳輸100G以太網(wǎng)的WDM光纖模塊。由于必須以更快的速度運(yùn)行和需要增加互連密度而導(dǎo)致功率的增加，預(yù)計(jì)在2012年或2013年左右將會(huì)出現(xiàn)一系列新的散熱問(wèn)題。

　　增加氣流以改善系統(tǒng)冷卻能力的需求帶來(lái)了與機(jī)械式風(fēng)扇有關(guān)的問(wèn)題。然而，Nuventix公司新的冷卻技術(shù)采用了所謂的「夾帶(entrainment)」現(xiàn)象，他可以在無(wú)需旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇的情況下，幫助保持連接器的周圍氣流運(yùn)動(dòng)。這些冷卻器產(chǎn)生了噴射的氣流，將周圍的空氣拉入(pull in)冷卻器，其壽命達(dá)到了10萬(wàn)小時(shí)。這些冷卻器已經(jīng)被用于那些有較高使用壽命要求和在乎因使用旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇引起過(guò)大噪聲影響的LED散熱系統(tǒng)。

　　結(jié)論

　　隨著我們對(duì)分享豐富式媒體(Rich Media)、流視頻和實(shí)時(shí)下載愿望的增加，對(duì)帶寬的要求也將不斷增加。更快的系統(tǒng)需要更多的電力，也需要新的方法來(lái)更有效地使用電力，或是處理好相關(guān)的散熱。一個(gè)最佳的解決辦法是以較低功率水平更快地傳輸數(shù)據(jù)，也許在不久的將來(lái)的某個(gè)時(shí)候人們會(huì)發(fā)現(xiàn)一種全光纖網(wǎng)絡(luò)解決方案。銅纜仍然還有很長(zhǎng)的壽命，今天的一些解決方案已使數(shù)字信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了25Gbps。