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兼具成本與低功耗特性 25Gbit/s銅纜互連技術崛起

2013-03-04
對高速應用而言,銅纜組件的最新技術進展已使其成為一種更可行的選擇。正如Bishop & Associates所言,設計人員偏愛使用熟悉的銅纜互連技術,並正開發通道設計、模擬和線路板布局的專業技術,以繼續擴大頻寬;而少數工程師則樂於預測銅纜連接器產品的最終性能極限。
現今由企業伺服器和儲存應用構成的資料中心,電纜集成、功率和熱管理是固有的挑戰。資料中心不斷增加的頻寬需求促使銅纜傳輸速率也須持續增加,而25Gbit/s通道的推出改變遊戲規則。相較於傳統的銅纜,在原型構建階段實現的高速25Gbit/s銅纜產品,現能提供更高的頻寬選擇,就成本而言,其比光纖連接更低。

銅纜固守中短距有線網路應用

雖然光纖已成為長距離網路通訊中較普及的媒介,但對於短距離與中等距離的應用而言,銅纜連接仍是一種較具成本效益的解決方案。從設計的觀點來看,光學媒介也會帶來挑戰,包括熱管理和功率管理。被動式銅纜可滿足低成本、小功率、短距離(1~7公尺)的應用需求,並且對於獨立系統或在光纖和結構化銅纜布線之間,被動式銅纜通常也是最好的解決方案。目前有線通訊大約90%的應用距離小於等於3公尺,包括高效能計算系統中大部分的數據連接。

網路系統資料中心經常會混合使用光纖模組和銅纜元件。專業的系統設計人員可輕易對一套系統進行整合並優化,以便利用光纖與銅纜模組各自的優勢。對於資料中心布線,高速被動式25Gbit/s銅纜帶來成本和效能上皆具競爭力的解決方案,其中包括機櫃頂端(Top-of-rack)、機櫃中部(Middle-of-rack)和用於連接至資料儲存伺服器。

從記憶體檢索和傳輸資料時,高密度電纜的速度須夠快,以便滿足變化的峰值需求。而增加前面板輸入輸出(I/O)頻寬的密度,可以讓資料中心能增加容量而不需額外的地面和機架空間,工程師並可通過在面板上增加埠密度實現更高的速度。對於單一高速連結,目前被動式銅纜的傳輸速率為10Gbit/s,需要十條線路才能達到100Gbit/s的速率,若將每條線路提升至25Gbit/s,可將所需線路從十條減少至四條,進而節省寶貴的空間並開發出更高密度的前面板I/O。

100Gbit/s標準規範誕生

網通系統的每項因素都將為影響高速銅纜傳輸速率的關鍵。通道須依據時間、過程和溫度的變化進行評估。對於互通性高速電氣性能的挑戰,將隨著速度的增加而呈現以指數的級距增加。雖然在規範中,10Gbit/s具有誤差餘量,但在25Gbit/s通道中,互通性無法負擔相同的緩衝。

在2008年7月,業者推出的iPass+ HSC CXP雙切換卡(Paddle-card)、支援插接式銅或光纖的系統,獲選為InfiniBand CXP 12x QDR標準,該系統也獲IEEE 802.3ba標準採用,作為100Gbit/s乙太網路標準,提供十條資料速率為10Gbit/s的線路。

此一用於高速銅纜的最終標準,與其他IEEE 802標準有很大的不同。雖然802.3ba包含100Gbit/s規範,但到目前為止,在100Gbit/s運行速率下,仍然沒有支援背板媒介上乙太網路的標準。不過,產業團體已認識到,100Gbit/s背板和雙軸銅纜連接在為電腦網路系統和設備實現所期望的密度、功率和成本目標的能力。

自從有了IEEE 802.3ba標準,市場已對連接器、切換卡設計、連接器裝接(Connector Launch)、電纜終端接頭(Conductor Termination)和高頻通訊電纜(Raw Cable)的顯著改進,且25Gbit/s銅纜元件將這些設計上的改進都已整合到這些關鍵區域。業者已在DesignCon 2011展示下一代100Gbit/s速率銅纜如何支援資料網路和電信中的主要應用中。採用小尺寸、插接式I/O的系統提供八條25Gbit/s資料速率線路(每一方向四條),並使用收發器和示波器,通過眼圖(Eye Pattern)展現一條3公尺被動式電纜的傳輸性能。

在高頻條件下,下一代5公尺25Gbit/s銅纜組件的差分插入損耗比當前的3公尺10Gbit/s銅纜組件更好(圖1)。綜合串音雜訊(Integrated Crosstalk Noise, ICN)方面,根據802.3ba標準計算所獲得的結果顯示,與3公尺產品相比,高速5公尺電纜的雜訊降低大約50%(圖2),而改善後的ICN也讓5公尺25Gbit/s銅纜具備較佳的訊噪比(Signal-to-noise Ratio, SNR)。隨著SNR的提高,進而提升互連訊號完整性。

圖1 在高頻條件下,下一代5公尺電纜元件的差分插入損耗性能優於目前的3公尺電纜元件。

圖2 下一代電纜元件提供了串音改善,並且與當前的3公尺電纜組件相比,雜訊降低一半以上。

被動式銅纜具低功耗特性

與光纖連接器產品相比,被動式銅纜元件使用極低的功率。在3.3伏特(V)、小於30毫安培(mA)峰值下(典型值3mA),可節省較多的電力,且低功耗相當於發熱較少,從而減少與熱有關的效能問題。在1~5公尺短距離應用中,被動式25Gbit/s銅纜由於功耗較低,可為企業解決能耗與散熱的問題,進一步降低運營費用,因此在區域網路(LAN)、資料中心和儲存應用中具較大的市場優勢。

一項很有價值的建議是,與小於等於7公尺長度內的光學模組和光纜相比,每個被動式銅纜價格可能以小於3的係數降低。在設計靈活性方面,被動式銅纜元件僅包含一個電子式可清除可編程唯讀記憶體(EEPROM)電子元件,因此其可提供的平均故障間隔時間(MTBF)可能比光纜元件長十至五十倍。

元件級模型解決雜訊問題 25Gbit/s銅纜性價比再提升

無論是光纖或銅纜傳輸,在連線性選擇和設計中,折衷權衡是與生俱來的。雖然光纖對於長距離運行是有利的,但對於較短電纜長度的應用,銅纜還是首選的解決方案,尤其未來高速25Gbit/s的銅纜成為更具吸引力的選擇。

然而,在25Gbit/s銅纜連線性的可行性和商業生存能力之間,仍然有著未滿足的挑戰。對著眼於25Gbit/s銅纜的設計人員來說,主要的考慮因素就是高頻差入損耗和雜訊,且主要的考慮項目即為SNR餘量。

元件供應商正攜手合作為設計人員提供精確且可預測的元件級模型和端對端(End-to-end)通道模型,以便在新的25Gbit/s系統中實現適當的性價比。

忙於開發高速銅纜的製造商與產業分析人士,已認識到銅纜的重要作用,以及先進的訊號調節技術如何延長現有元件的使用壽命,同時激勵可大量生產的下一代銅纜介面產品的開發。

高頻寬應用如火如荼 25Gbit/s銅纜市場加速起飛

雲端運算(Cloud Computing)、物聯網(Internet of Things)、高性能運算應用、伺服器虛擬化和融合網路的蓬勃發展將會繼續推動對於更高頻寬的刀鋒式和機架式伺服器連接產品的需求,而這些均利於具成本效益、高效能25Gbit/s銅纜連接市場的發展。

目前25Gbit/s銅纜原型產品正在審查和測試中,預計在未來3~5年進行批量生產。此外,25Gbit/s銅纜完整互通性將需要適當的元件規範、清晰的定義和公認的合規方法,以及各方持續的合作。

(本文作者任職於Molex)

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