如何将信号清晰度带入高性能连接器设计?
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笔者最近写了一份有关112G信号完整性的白皮书，介绍了广泛的Cadence技术，涵盖了很多的内容，包括从112G SerDes设计IP(DIP)，到通道的IBIS和AMI模型，再到用于复杂连接器和电缆3D分析的Clarity 3D Solver。在写白皮书时，笔者按照给定的方式使用了连接器。 设计人员将它们安装在板上，并将其整合到信号完整性分析中。 但是连接器也必须进行设计。一方面，它们是塑料和金属导体的机械组件。另一方面，是要分析它们的电磁结构。因此，笔者与Jason Chan进行通话，他现在在我们的硬件验证小组工作，但几年前，他是Amphenol的连接器设计师。
连接器设计 Jason告诉我，由于规范有冲突，连接器设计很难。正如他对我所说： 从表面上看，连接器确实没意思。它只是模制塑料和冲压金属。但是，这些高速连接器却被要求以低成本进行设计，而且它的性能也必须与昂贵的微波连接器类似。 连接器的设计必须考虑到信号完整性问题。SerDes发送器和接收器中的均衡器根本无法解决某些问题。特别是，回波损耗仅会让接收端的噪声容限变得很小，因为从未到达接收器的信号部分在均衡期间显然没有用。串扰是单独信号之间的干扰，它是无法通过均衡来补偿的，因为它的发生频率与信号大致相同(假设攻击方也以相似的数据速率运行)，太快了，均衡器无法进行调整和补偿。 连接器的设计经历了三个阶段，具体取决于该阶段中可用的计算能力，以及用于有限元网格划分和分析的算法的复杂程度。 连接器设计是一个复杂的问题，因为从信号损耗和串扰的角度出发，它们必须具有良好的性能，但是它们通常是由便宜的组件制造的，如Jason上文所述：塑料和冲压金属。设计用于高速SerDes的连接器之所以如此具有挑战性，是因为它们必须以低廉的价格，经济实惠地批量生产，但是112GHz是微波频率，而无法使用昂贵而笨重的微波连接器。实际上，由于112G使用PAM-4信令，因此符号速率实际上为56 Gsymbols /秒，但是每个符号都传达两个字节(4个值，即PAM4中的4个值)。
Jason告诉我过去是怎么做的： 以往我们没有足够的计算机功能，我们将不得不经历一些原型设计周期。加工原型零件，去实验室，在测试板上进行特性描述，对照设计目标进行测量。这将需要多次迭代。随着时间的推移，我们可以使用所有这些计算功能，并且可以使用所有这些计算工具。我们使用了一个很好的有限元求解器，但是它不是很强大，转换机械模型会遇到问题。不过它们在“容错网格划分”方面有了一些重大飞跃，这种方法可以忽略某些缺陷。这使我们能够加快原型开发周期，而不必依靠机械零件原型。我们将其简化为一两个原型周期。这使我们可以将上市周期从两年缩短到六个月到八个月。 在这个时代，假设板的突围区域和连接器之间没有电磁相互作用，则将连接器与参考板分开进行分析，然后将两组测量组合在一起。 在低信号频率下，相互作用是二阶的，而忽略它们则导致的误差很小。 对于112G(和56G)SerDes连接，信号编码为PAM4和高频。在担心连接器之前，其他方面已经引起了挑战。与NRZ相比，PAM4损失9dB。这些封装(通常是球栅阵列)远非完美，因此从封装发出的信号已经很差。杰森说，这意味着电路板与系统设计师经常有不切实际的要求： 我想要尽可能低的回波损耗和尽可能小的串扰，但是机械尺寸上仍然要很小。 信号速率为每秒56G符号(或28G)，但在给定编码方案的情况下，还需要干净地传输更高的频率以恢复数据和时钟。但是，许多连接器是机械压配的，并且电气尺寸很大，因此不是很好。太小了，引脚不可避免地彼此靠近，就没有(或受限制)屏蔽。串扰是一个特别苛刻的问题，因为所有均衡器对串扰都无能为力，因为它太动态了。回波损耗，本质上是连接器反射的信号中的能量，因此永远不会传递到接收器，是连接器设计人员需要最小化而引起的另一个大问题。此外，在这些频率下，通常以为可以分别分析连接器和电路板，然后将它们“相加”在一起，但这种假设也不够好。电路板和连接器之间的交互过多，因此无法在单独的分析中捕获信号，并且也不能忽略。 使用Clarity 3D解算器设计连接器 连接器设计的最新方法是使用完整的3D分析工具(如Clarity 3D Solver)，在“计算机上”进行尽可能多的设计，而不是通过构建原型来完成。 Clarity 3D解算器能够利用云数据中心提供的大量并行性，能够在不影响准确性的情况下显著减少所需的挂钟时间，而这仍然是首要要求。快速获得错误答案是一个很差的妥协。而Clarity 3D解算器在使用内存方面也非常经济，不需要任何不切实际的大型服务器。 当然，最终，至少还需要制造一种原型设计来进行实际测量。这样可以将连接器的设计周期缩短到六个月以下。Clarity 3D解算器可以设计高质量的连接器和相关的参考设计，并准确预测制造后的性能。Clarity 3D解算器可扩展到大量内核，因此速度很快。但是，正如Jason所说：速度固然重要，但准确性更重要。 这就是Clarity 3D Solver提供的组合。 |
