Решения Molex для 112 Gbps-архитектуры

11 мая

телекоммуникацииинтернет вещейMolexстатьяпассивные ЭК и электромеханикаEthernetInternet-of-Things

Святослав Зубарев (г. Смоленск)

На место кодирования NRZ и 100 Гбит/с Ethernet приходят PAM-4 и 400 Гбит/с Ethernet, что требует новых решений не только в области обработки данных, но и в области их приема-передачи, в том числе – контактных разъемов, соединителей, кабелей и других компонентов. Компания Molex предлагает решения, отвечающие современным стандартам и способные работать как с NRZ, так и с PAM-4.

Развитие технического прогресса провоцирует рост объема обрабатываемых и пересылаемых данных, заставляет производителей электронного оборудования создавать системы с поддержкой все более высоких скоростей передачи. На смену кодированию NRZ (Non Return to Zero) на серверах и в дата-центрах приходит более совершенное PAM-4 (Pulse-Amplitude Modulation). Именно PAM-4 позволяет перейти от 100 Гбит/с Ethernet (100G) к 400 Гбит/с Ethernet (400G). PAM-4 использует для модуляции не два уровня сигнала как NRZ, а четыре. Данный подход удваивает пропускную способность сети (рисунок 1).

Рис. 1. Уровни сигнала NRZ и PAM-4

Рис. 1. Уровни сигнала NRZ и PAM-4

Однако увеличение числа уровней повышает вероятность возникновения искажений. Поэтому PAM-4 требует внедрения методов коррекции ошибок с показателем BER (Bit Error Rate) не выше 10−13, в то время как для NRZ этот показатель составляет 10−12. Кроме того, NRZ по-прежнему хорош для приложений с очень малым радиусом действия – Extra-Short Reach (XSR) и Very-Short Reach (VSR), – где PAM-4 нецелесообразно использовать из-за более высокой стоимости и сложности оборудования. Также при увеличении скорости передачи растут требования по потерям на переключение, уровню шума и надежности кабелей и соединителей. В результате многие пользователи не стремятся переходить с NRZ на PAM-4, пытаясь сократить расходы на модернизацию и подобрать решения, способные смягчить переход и обеспечить будущий запас по скорости и надежности передачи. Одним из поставщиков этих решений является компания Molex, специализирующаяся на производстве соединителей и разъемов, подходящих для NRZ- и PAM-4-систем.

Изделия Molex для высокоскоростных соединений высокой плотности

Компания Molex Incorporated обладает 75-летним опытом разработки и входит в топ-3 мировых производителей соединителей, держателей и разъемов. На текущий момент Molex – это более 50 производственных площадок, расположенных в 18 странах мира, на которых работают более 40 000 сотрудников.

Molex предлагает следующие решения для организации PAM-4-соединений:

  • соединители Impulse;
  • соединители Mirror Mezz;
  • соединители QSFP-DD;
  • решения Bi Pass;
  • сборки Near Stack;
  • кабели Temp-Flex.

Серия Impulse

Соединители серии Impulse производства компании Molex – это решения для объединительных панелей или кроссплат (backplane), ориентированные на применение в высокоскоростных системах, например, в современных центрах обработки данных, серверах и хранилищах (рисунок 2).

Рис. 2. Соединители серии Impulse производства Molex

Рис. 2. Соединители серии Impulse производства Molex

Соединители Impulse поддерживают скорость передачи данных 56 Гбит/с для систем NRZ и 112 Гбит/с для PAM-4, обеспечивая при этом высокую степень целостности сигнала и отсутствие резонансных всплесков на частотах 0…35 ГГц. Серия Impulse спроектирована с учетом прямой совместимости между NRZ и PAM-4 вне зависимости от скорости передачи данных, что позволяет сократить вложения в модернизацию инфраструктуры при переходе между технологиями.

К основным особенностям серии относятся:

  • поддержка скорости передачи данных 56 Гбит/с (NRZ) или 112 Гбит/с (PAM-4), что соответствует современным требованиям для маршрутизаторов, центров обработки данных и других вычислительных систем, а также систем хранения информации;
  • U-образные контакты соединителей (рисунок 3). Данный тип контактов обеспечивает надежную изоляцию между сигнальными штырьками, снижает риск изгиба контактов, поддерживает надежное соединение на протяжении всего срока службы, а также увеличивает площадь контакта, что позволяет добиться более чистой передачи сигнала;
  • шаг между контактами 2,00 мм, что позволяет разместить большое число контактов в компактном корпусе;
  • совместимость с кабелями Temp-Flex Twinax (28 или 30 AWG/0,05 или 0,08 мм2);
  • отсутствие резонансных всплесков на частотах 0…35 ГГц;
  • устранение необходимости в печатных платах и соединителях mid-plane, что снижает стоимость решения и упрощает модернизацию.

Рис. 3. Расположение контактов в соединителях Impulse

Рис. 3. Расположение контактов в соединителях Impulse

Серия соединителей MirrorMezz

Соединители Mirror Mezz также являются решением для кроссплат и ориентированы на применение в высокоскоростных системах, однако в отличие от серии Impulse, Mirror Mezz имеют другой тип контактов и ориентацию разъемов. Соединение плат при помощи Mirror Mezz подразумевает их накладывание друг на друга (мезонинное соединение), позволяя комбинировать различные версии разъемов соединителей для достижения желаемой высоты стека в зависимости от требований приложения (рисунок 4).

Рис. 4. Соединители серии Mirror Mezz

Рис. 4. Соединители серии Mirror Mezz

К особенностям серии относятся:

  • поддержка скорости передачи данных 56 Гбит/с (NRZ) или 112 Гбит/с (PAM-4), отсутствие резонансных всплесков на частотах 0…35 ГГц;
  • возможность создания стека из нескольких плат с необходимыми параметрами. При использовании соединителей высотой 2,50 мм и 5,50 мм стек может достигать трех значений высоты: 11,00, 8,00 и 5,00 мм;
  • поддержка дифференциального сигнала до 17 ГГц со смещенной распиновкой GSSG;
  • Stitched BGA, являющаяся более совершенной версией BGA и позволяющая снизить стоимость и время на производство разъемов (рисунок 4);
  • особая форма контактов, обеспечивающая надежное соединение, защиту от вибраций и большую площадь контакта, чем у аналогов. Длина контакта составляет 1,50 мм, что позволяет сохранить прохождение сигнала даже при частичном разъединении (рисунки 5 и 6);
  • прочный корпус с защитой от некорректного подключения.

Рис. 5. Соединитель Mirror Mezz, площадка Stitched BGA и контакты

Рис. 5. Соединитель Mirror Mezz, площадка Stitched BGA и контакты

Рис. 6. Результат соединения разъемов Mirror Mezz

Рис. 6. Результат соединения разъемов Mirror Mezz

Серия соединителей QSFP-DD

Соединители QSFP-DD производства Molex – это компактные решения формата QSFP-DD (рисунок 7), призванные заменить форм-факторы SFP, SFP +, QSFP, QSFP + и zQSFP, получившие значительное распространение в коммутаторах центров обработки данных и сетевых устройствах.

Рис. 7. Соединители серии QSFP-DD производства Molex

Рис. 7. Соединители серии QSFP-DD производства Molex

Спецификация QSFP-DD (Quad Small Form-factor Pluggable Double Density) является следующим этапом развития QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable). QSFP-DD расширяет четырехполосный интерфейс QSFP до восьмиполосного путем добавления ряда контактов, но сохраняя при этом формат и обратную совместимость с QSFP. Каждый из контактов QSFP-DD работает со скоростью до 28 Гбит/с при NRZ или до 56 Гбит/с при PAM-4. Такие скорости работы позволяют использовать QSFP-DD в решениях со скоростью передачи до 200 или 400 Гбит/с. Современные коммутаторы могут поддерживать одновременно до 36 модулей QSFP-DD, обеспечивая совокупную скорость передачи до 14,4 Тбит/с.

С ростом скорости передачи данных от SFP+ (1 × 10 Гбит/с), QSFP+ (4 × 10 Гбит/с), zQSFP+ (4 × 25 Гбит/с) и до QSFP-DD (8 x 25 Гбит/с NRZ или 50 Гбит/с PAM-4) растет и степень нагрева модулей, что вынуждает производителей устанавливать системы охлаждения на свои разъемы. В соединителях QSFP-DD производства Molex используются никелированные радиаторы, которые отчетливо видны на рисунке 7.

К ключевым особенностям серии QSFP-DD следует отнести:

  • 28 Гбит/с при NRZ на контакт и 56 Гбит/с при PAM-4, превосходные характеристики целостности сигнала и низкие вносимые потери;
  • соответствие и превышение текущих требований для приложений 200-Gigabit Ethernet, InfiniBand 100-Gigabit (EDR) и SAS 3.0, при этом — поддержка работы с устаревшими приложениями 10 Гбит/с Ethernet, 14 Гбит/с (FDR) InfiniBand и 16 Гбит/с Fibre Channel;
  • установка на плату посредством поверхностного монтажа (SMT), как показано на рисунке 8;
  • обратная совместимость с соединителями QSFP+, что сокращает затраты на модернизацию и повышает гибкость системы;
  • никелированный радиатор, обеспечивающий повышенную теплопередачу и охлаждение модулей;
  • совместимость с кабелями Temp-Flex Twinax;
  • корпус из нержавеющей стали, что обеспечивает повышенную прочность по сравнению с аналогами.

Рис. 8. Пример размещения соединителя QSFP-DD Molex на печатной плате

Рис. 8. Пример размещения соединителя QSFP-DD Molex на печатной плате

Решения BiPass

Решения BiPass от компании Molex предназначены для высокоскоростных систем с целью заменить стандартные печатные платы и обеспечить более эффективное применение PAM-4 на скоростях 56 и 112 Гбит/с. Решения BiPass обеспечивают низкий уровень вносимых потерь, более эффективное охлаждение и имеют отличные характеристики целостности сигнала по сравнению со стандартными печатными платами (рисунок 9).

Рис. 9. Примеры решений BiPass производства Molex

Рис. 9. Примеры решений BiPass производства Molex

Реализация протоколов с высокой скоростью передачи данных, таких как PAM-4, требует максимально хорошего соотношения «сигнал/шум». В связи с этим у разработчиков приложений для дата-центров, серверов и другого оборудования возникают сложности при попытке применения печатных плат, изготовленных из стандартного материала FR4. Более качественные материалы имеют более высокую цену, и их использование зачастую невыгодно. Сборки BiPass от компании Molex снижают общие требования к целостности сигналов основной печатной платы и значительно сокращают вносимые потери между источником сигнала и входом/выходом по сравнению с использованием стандартных решений. Сравнительные показатели вносимых потерь для различных материалов печатных плат и кабелей Twinax, которые используются в сборках BiPass, приведены в таблице 1 и на рисунке 10.

Таблица 1. Сравнение вносимых потерь для печатных плат FR4 и Megtron 6 и кабелей Twinax

Наименование FR4 Megtron 6 Twinax (34 AWG/0,02 мм2)
Вносимые потери для 4″, дБ 6,7 3,2 1,0
Вносимые потери для 8″, дБ 13,3 6,3 2,0
Вносимые потери для 12″, дБ 20,0 9,5 3,0
Вносимые потери для 18″, дБ 30,0 14,2 4,5

Рис. 10. Анализ вносимых потерь на частоте 12,5 ГГц для печатных плат FR4, Megtron 6 и кабелей Twinax

Рис. 10. Анализ вносимых потерь на частоте 12,5 ГГц для печатных плат FR4, Megtron 6 и кабелей Twinax

Molex BiPass обеспечивают пропускную способность до 400 Гбит/с и обеспечивают качественно новый уровень по вносимым потерям, рассеиванию тепла и гибкости исполнения для конечных продуктов.

Ключевые особенности решений BiPass от Molex:

  • соответствие протоколу PAM-4 со скоростью 112 Гбит /с;
  • альтернатива стандартным печатным платам: экономически эффективнее, более гибкий дизайн, лучшее тепловое рассеивание;
  • надежная целостность сигнала, позволяющая работать с протоколами, которые требуют высоких значений соотношения «сигнал/шум»;
  • возможность сборки индивидуального решения с нужным числом лотков и панелей из нескольких блоков BiPass;
  • наличие трех категорий приложений: I/O для ASIC, ASIC для ASIC и ASIC для кроссплат.

Сборки NearStack

Сборки NearStack производства компании Molex – это еще одно решение, призванное снизить степень использования печатных плат в высокоскоростных системах и улучшить качество передаваемых сигналов (рисунок 11). NearStack используют кабели Twinax, обеспечивают превосходную целостность сигнала, низкие вносимые потери и способны работать на скоростях 56 Гбит/с для NRZ и 112 Гбит/с для PAM-4.

Рис. 11. Внешний вид решения NearStack от Molex

Рис. 11. Внешний вид решения NearStack от Molex

Передача высокоскоростных сигналов по дорожкам печатных плат, как правило, сопровождается задержками сигнала, высоким уровнем вносимых потерь и проблемами с шумом. И если с задержкой сигнала можно бороться путем включения в цепь преобразователей скорости передачи данных (ретаймеров, ReTimer), то с остальными факторами могут возникнуть проблемы. Решения NearStack передают сигналы напрямую из точки A в точку B, обеспечивая превосходные характеристики целостности. Сборки NearStack позволяют разработчикам использовать меньшее количество печатных плат в проекте. Кроме того, задержка сигнала не является проблемой для кабелей Twinax, поэтому необходимость в ретаймерах также отпадает.

Ключевые особенности сборок NearStack

  • возможность работы со скоростью 56 Гбит/с для NRZ и 112 Гбит/с для PAM-4;
  • сокращение количества печатных плат в проекте, освобождающее пространство и обеспечивающее прямые связи, а также меньшие потери при передаче данных;
  • гибкость исполнения: минимальная длина составляет 150,00 мм; максимальная – 1,5 м;
  • выход кабеля Twinax из разъема NearStack под углом 45˚, что позволяет использовать как вертикальное, так и горизонтальное расположение разъема (рисунок 12);
  • корпус из прочного пластика с защитой от некорректного подключения. Присутствует дополнительная опция в виде специальных хомутов, надежно фиксирующих положение выходящих кабелей. Контакты утоплены в корпус разъема NearStack. Усилие освобождения защелки составляет 30 Н;
  • доступность сборок NearStack с другими разъемами Molex на противоположном конце, например, с разъемами Impulse, Impel, zQSFP+ и QSFP DD.

Рис. 12. Размещение NearStack на печатной плате

Рис. 12. Размещение NearStack на печатной плате

Кабели Temp-Flex

Temp-Flex Twin Max производства Molex – это высокотемпературные кабели с низкими потерями передачи на всем промежутке рабочих температур -20…105˚C. Кабели поддерживают передачу сигнала на скоростях 10, 12 и 28 Гбит/с и имеют значения сопротивления 85…100 Ом (рисунок 13).

Рис. 13. Структура кабеля Temp-Flex Twin Max

Рис. 13. Структура кабеля Temp-Flex Twin Max

Кабели Temp-Flex Twin Max имеют двухжильную структуру, фторполимерную изоляцию, высокую гибкость и ориентированы на применение в высокоскоростных системах высокой плотности, где важны не только малые потери на передачу, но и компактные размеры устройств, а также возможность работы при температуре до 85°C.

Ключевые особенности:

  • скорость передачи 10, 12 и 28 Гбит/с, что удовлетворяет потребности NRZ- и PAM-4-протоколов;
  • высокая пропускная способность;
  • сопротивление 85, 90 и 100 Ом;
  • минимальные и не зависящие от температуры потери на передачу. Диапазон рабочих температур -20…105˚C, способность выдерживать температуру пайки;
  • доступность как полных сборок с разъемами на концах, так и отдельных кабелей;
  • малый радиус изгиба кабеля, что позволяет применять его в самых разнообразных решениях.

Продукты и области применения

Описанные решения Molex направлены в первую очередь на применение в высокоскоростных системах, таких как центры обработки данных, серверы, хранилища данных и другое оборудование. Однако некоторые из приведенных решений могут быть также использованы в телекоммуникации, сотовой связи и автомобилестроении. В таблице 2 приведены области применения по каждому решению, а также продукты, входящие в серию.

Таблица 2. Решения и продукты Molex для высокоскоростных систем

Наименование Продукты Области применения
Серия Impulse Соединители Impulse 6 на 12

Дата-центры, хранилища данных, маршрутизаторы, коммутаторы, серверы, суперкомпьютеры
Серия Mirror Mezz Соединители Mirror Mezz 6 на 5

Дата-центры, серверы, хранилища данных, телекоммуникационные системы, сетевое оборудование
Соединители Mirror Mezz 10 на 11

Соединители Mirror Mezz 6 на 15

Соединители Mirror Mezz 15X11 OCP

Серия QSFP-DD Соединители QSFP-DD линейки EMI Cages

Дата-центры, серверы, хранилища данных, телекоммуникационные системы, сетевое оборудование, сотовая инфраструктура, мультиплатформенные сервисные системы,маршрутизаторы,серверы, коммутаторы
QSFP-DD-соединители входов/выходов

Соединители QSFP-DD линейки STACK Cages

Кабельные сборки QSFP-DD

Решения BiPass Сборка NearStack 1XN QSFP28 с Pico-Clasp

Дата-центры, серверы, хранилища данных, маршрутизаторы, телекоммуникационные системы, сетевое оборудование, коммутаторы ToR (Top of the Rack)
Сборка NearStack 1XN QSFP28 с Press-Fit-контактами

Сборка NearStack 1XN QSFP-DD с Press-Fit-контактами

1×2 вертикальное решение BiPass

Решения для объединения модулей (Tray Solutions)

Сборка NearStack QSFP-DD 16DP

Сборки NearStack Сборки Mated Near Stack Connector System, 8 дифференциальных пар, кабели длиной 0,15…1,5 м

Дата-центры, коммутаторы, телекоммуникационные системы, сетевое оборудование, сотовая инфраструктура, маршрутизаторы, коммутаторы ToR (Top of the Rack)
Сборки Near Stack Mated Connector Set, 24 дифференциальных пары, кабели длиной 0,15…1,5 м

Кабели Temp-Flex Автомобильные мультимедийные системы, системы беспилотного транспорта, дата-центры, оборудование, использующее кроссплаты, серверы, телекоммуникационные системы, сетевое оборудование
Номер серии Сопротивление, Ом Толщина провода,
AWG/мм2
100068-0044 85 ±5 34/0,02
100068-0080 32/0,03
100068-0085 90 ±5 28/0,08
100068-0115 30/0,05
100068-0046 100 ±5 34/0,02
100068-0071 32/0,03
100068-0079 34/0,02
100068-0107 30/0,05
100068-0108 28/0,08

Преимущества решений Molex

Компания Molex является одним из передовых мировых производителей разъемов и соединителей для множества отраслей, в том числе тех, где требуется наличие высокоскоростных соединений высокой плотности, способных работать в соответствии с современными протоколами и требованиями.

Каждый год Molex инвестирует около 5% чистой прибыли в исследования и разработки, что ставит его в один ряд с компаниями, имеющими самый высокий уровень инновационных инвестиций в отрасли. Это позволяет компании выдвигать на рынок соответствующие новым стандартам продукты задолго до конкурентов.

Molex предлагает своим клиентам проверенные на 100% изделия, дающие преимущества не только в скорости и надежности, но и в стоимости проекта или его модернизации. Многие решения поддерживают старые протоколы и обладают обратной совместимостью с предшествующими стандартами (например, серия QSFP-DD), в то же время другие позволяют сделать проект более гибким к настоящим и будущим модернизациям (решения BiPass). Решения Molex соответствуют IEEE 802.3bj, InfiniBand EDR, SAS 3.0 и могут применяться как для NRZ-, так и для PAM-4-проектов.

Заключение

Рост технологий и объемов данных порождает необходимость роста скоростей их обработки и передачи. Важную роль в этом занимают соединители и кабели. Решения компании Molex позволяют создавать проекты, способные работать не только с современными протоколами передачи (NRZ и PAM-4), но и иметь задел на будущее.

Литература

  1. Александр Шауэрман. Molex: соединения, связь, инновации.
  2. Datasheet. Impulse Direct Backplane Connector System and Cable Assemblies.
  3. Datasheet. Mirror Mezz Connectors.
  4. Datasheet. Mirror Mezz 15 x 11 OCP Connectors.
  5. Datasheet QSFP-DD (Double Density) Interconnect System and Cable Assemblies.
  6. Datasheet BiPass I/O High-Speed Solutions.
  7. Preliminary Datasheet.NearStack High-Speed Connector System and Cable Jumper Assemblies.
  8. Datasheet. Temp-Flex TwinMax High-Temp/Low-Loss Twinax Cable.
•••

Наши информационные каналы