高速設(shè)計中應(yīng)該使用PCB還是電纜背板？

摘要/前言

選擇背板設(shè)計需要對特定的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和應(yīng)用進行權(quán)衡。在某些情況下，對PCB與電纜背板的評估不是 "非此即彼"，而是一種組合方式。

Samtec的工程師Andrew Josephson、Brandon Gore和Jonathan Sprigler進行了一次討論，旨在回答在決定高速設(shè)計中應(yīng)該使用PCB還是電纜背板時出現(xiàn)的一些最常見的問題？

這兩種方法在成本上比較如何？

像大多數(shù)工程答案一樣......得看情況。它取決于結(jié)構(gòu)段的物理覆蓋范圍、每個段必須承載的通道數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建的物理網(wǎng)絡(luò)交叉的數(shù)量、串行結(jié)構(gòu)與其他系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施共存的需要，以及背板設(shè)計本身的范圍。對于物理上簡單的串行結(jié)構(gòu)拓撲和有限范圍的設(shè)計工作，成本權(quán)衡可以簡單地評估。但是對于復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)和大規(guī)模的系統(tǒng)開發(fā)工作來說，開發(fā)進度、早期硬件/固件/軟件交叉啟用和總成本成為價值標準，這些方法的成本比較答案可能變得更加復(fù)雜。

在BOM層面，電纜背板可能比傳統(tǒng)的PCB更昂貴。但是，在系統(tǒng)層面上，電纜背板可以提供顯著的優(yōu)勢，因為它可以實現(xiàn)更早的軟件開發(fā)/集成活動，降低后端的總成本。例如，電纜背板可以將刀片與測試設(shè)備、軟件開發(fā)平臺和早期工程原型系統(tǒng)連接起來，同時為經(jīng)得起未來考驗的生產(chǎn)解決方案提供足夠高的性能。

正是出于這個原因，Samtec提供了有線纜組件選項的經(jīng)典的直角板對板的背板連接器。有些應(yīng)用看重這些解決方案純粹是為了SI性能，有些應(yīng)用則看重它們在開發(fā)和集成方面的靈活性，有些則看重它們兩者。最后，有些開發(fā)非常適合購買與決策。從部件供應(yīng)商處采購COT電纜組件有時比通過程序性的設(shè)計定制高性能背板PCB更快/更容易/更便宜。

對于不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，哪種背板更好？

下圖顯示了一些常見網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的物理映射。在更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，由于有更多的網(wǎng)段交叉，電纜背板方法可能會遇到擴展問題，從而使PCB路由方法更具吸引力。此外，基于PCB的背板可以提供與其他基礎(chǔ)設(shè)施共同設(shè)計的優(yōu)勢，如電源傳輸和帶外低速信號。

在簡單的環(huán)形、網(wǎng)狀和星形拓撲結(jié)構(gòu)的情況下，使用電纜背板可能允許節(jié)點以更大的刀片或模塊間距填充（隨著組件功率密度的增加，適應(yīng)熱設(shè)計空間，或可能放置在相鄰的機架或機箱中）。

看看上圖（右）所描述的機架/機箱中勾勒出的星形拓撲結(jié)構(gòu)。在這個例子中，節(jié)點或刀片的設(shè)計與電纜或PCB背板的連接器是一樣的。這意味著設(shè)計者現(xiàn)在可以計劃使用PCB背板，以后可以遷移到更高速的電纜背板，或者現(xiàn)在就設(shè)計電纜背板以獲得額外的余量。

上圖（左）不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有不同的物理映射。星形 "配置可能是最常見的。星形拓撲結(jié)構(gòu)也被描繪在一個機架中（右），顯示了人們可能在組合配置中使用PCB和電纜背板的地方。

性能比較如何？

PCB和電纜背板都能在較短的通道鏈路上提供出色的性能。電纜背板在較長的通道鏈路上也能提供出色的信號速度。電纜背板能做到這一點的原因之一是，布線沒有穿過PCB，所以每個差分對可以通過單獨的屏蔽電纜。與PCB通道相比，這可以帶來更少的損耗和更好的信號完整性（見下圖）。

上圖：4英寸和18英寸電纜（藍色線）以及2英寸至16英寸PCB背板（橙色線）的插入損耗比較。黑線顯示的是行業(yè)標準的插入損耗限制。

在上圖中，所有的選擇都在超過35GHz的設(shè)計參數(shù)范圍內(nèi)工作，它們提供了5或6dB的設(shè)計余量，這在傳統(tǒng)上已經(jīng)足以滿足系統(tǒng)設(shè)計中的損耗問題。但對于下一代系統(tǒng)來說，這足夠了嗎？回答這個問題需要進行系統(tǒng)級信道分析（見下一個問題）。

112 Gbps PAM4需要多少性能？

更高的數(shù)據(jù)限制，如CEI-112G-LR-PAM4，和IEEE 802.3 400GBASE-KR4，導(dǎo)致系統(tǒng)級的余量損失，特別是在設(shè)計具有成本效益的系統(tǒng)時。例如，當(dāng)八個通道被繪制出來，并使用信道操作余量（COM）評估對PAM4要求的系統(tǒng)級損失時， 5或6dB的余量開始變得緊張（見下圖）。

在這個800GbE端口的模型中，每個通道作為受害者，而其他七個通道作為近端發(fā)射的攻擊者。在下圖中，綠色的點是CEI-112G-LR-PAM4，而橙色的點是IEEE 802.3 400GBASE-KR4。

上圖：左邊的三個模型是用于電纜背板，右邊的三個模型使用PCB背板。請注意，16英寸的PCB背板通道（在上一段圖表中有5dB的插入損耗余量）現(xiàn)在在大多數(shù)112 Gbps通道上的COM系統(tǒng)級指標有負余量。

我們預(yù)計，隨著數(shù)據(jù)速率的提高，余量會越來越少，這在圖中得到了印證。電纜背板在所有三種長度（4、10和18英寸）上表現(xiàn)出類似的COM性能，而PCB背板超過了SERDES在8英寸的背板路由長度后補償損耗、反射和串?dāng)_的能力。此外，對于8英寸和16英寸的PCB背板，請注意隨著COM結(jié)果的分離，100 Gbps和112 Gbps速度之間的差異變得更加明顯。對于在112 Gbps PAM4下的16英寸PCB背板，該系統(tǒng)有一個負的COM，盡管在OIF-CEI-112-LR插入損耗限制線方面有很大的余量。

在過去，6dB的余量對設(shè)計者來說是一個舒適的地方，可以停止開發(fā)和分析，相信未計算的誤差項相比之下會很小。對于112Gbps和更高的速度，情況不再是這樣了。重要的是在系統(tǒng)層面上評估通道的端到端多線效應(yīng)，包括所有重要的互連區(qū)域。提供板對板和電纜對板互連選項的連接器系統(tǒng)可用于確定設(shè)計交易空間，也為更早的集成和更長的維持提供了重要的機會。

Samtec解決方案

Samtec提供連接器和電纜，支持PCB和電纜背板。如果您還在想：在高速設(shè)計中，我應(yīng)該使用PCB還是電纜背板？