Решения TE Connectivity для 112 Gbps архитектуры и серверов. Соединители STRADA Whisper

25 мая 2021

Святослав Зубарев (г. Смоленск)

Данная статья является первой из публикаций, описывающих решения компании TE Connectivity для высокоскоростных соединений. Она посвящена соединителям и кабельным сборкам серии STRADA Whisper, главная особенность которых – поддержка работы с технологией PAM-4 и скорости передачи до 112 Гбит/с.

Постоянно растущие требования к скорости передачи данных вынуждают производителей электронного оборудования искать новые технологии, позволяющие увеличить пропускную способность и удовлетворить требования заказчиков. Такой технологией, в частности, стала PAM-4 (Pulse-Amplitude Modulation), пришедшая на замену кодированию NRZ (Non Return to Zero). Новая технология обеспечивает четырехуровневую импульсно-амплитудную модуляцию, при которой передаются два бита на символ. Это позволяет удвоить скорость передачи данных по сравнению с традиционными схемами кодирования NRZ (рисунок 1). Именно PAM-4 позволяет перейти от 100 Гбит/с Ethernet (100G) к 400 Гбит/с Ethernet (400G).

Рис. 1. Уровни сигнала NRZ и PAM-4

Сигналы PAM-4 имеют меньшее отношение «сигнал/шум», а их амплитуда составляет 1/3 от амплитуды эквивалентного сигнала NRZ, в связи с чем системы на основе PAM-4 будут сильнее подвержены влиянию внешних помех. Кроме того, рост скорости передачи означает увеличение требований по потерям на переключение, уровню шума и надежности кабелей и соединителей. Чувствуя, что предел протоколов NRZ (PAM-2) достигнут и будущее за PAM-4, производители кабелей, разъемов и соединителей уделяют повышенное внимание новой технологии. Не стал исключением и мировой лидер в сфере коммуникационных решений для высокоскоростной обработки данных и сетевых приложений – компания TE Connectivity, которая 30 марта 2020 г. представила новые соединители и кабельные сборки семейства STRADA Whisper, ориентированные на работу с PAM-4 на скорости до 112 Гбит/с.

STRADA Whisper – решения для высокоскоростных соединений PAM-4 

Компания TE Connectivity является лидером в области коммуникационных решений для высокоскоростной обработки данных. Продукция компании применяется на транспорте, в промышленном производстве, медицине, энергетике, системах передачи данных, дата-центрах, в авиации и космических исследованиях.

TE Connectivity – ветеран в производстве разъемов и соединителей для высокоскоростных решений. Компания предлагает клиентам как проверенные временем изделия с поддерживаемой скоростью приема/передачи 3…6 Гбит/с, так и новые продукты, рассчитанные на работу со скоростями 56 Гбит/с или 112 Гбит/с (рисунок 2).

Рис. 2. Разъемы и соединители TE Connectivity для высокоскоростной передачи данных

Как видно из рисунка 2, наиболее скоростным продуктом компании на сегодняшний день является серия соединителей STRADA Whisper. Именно продукты данной серии поддерживают технологию PAM-4 и скорость передачи до 112 Гбит/с (рисунок 3).

Рис. 3. Соединители серии STRADA Whisper производства TE Connectivity

К основным особенностям соединителей серии STRADA Whisper относятся:

• Поддержка PAM-4 и скорости передачи до 112 Гбит/с
• Наличие защитных экранов вокруг сигнальных контактов
• Высокая целостность сигнала на высоких частотах, низкий уровень шума и вносимых потерь
• Высокая плотность компоновки контактов и совместимость с широким спектром соединителей от TE Connectivity
• Широкая номенклатура продуктов для различных конфигураций
• Широкие возможности применения

Поддержка PAM-4 и скорости передачи до 112 Гбит/с 

Сама серия STRADA Whisper не является новой разработкой компании, в ней уже присутствовали соединители, поддерживающие скорость передачи до 40 Гбит/с, однако с распространением технологии PAM-4 данная серия была расширена за счет новых изделий, работающих со скоростями передачи до 56 и до 112 Гбит/с. Стоит отметить, что решения STRADA Whisper имеют обратную совместимость, что позволяет производить мягкий переход от 56 к 112 Гбит/с без перестройки системы, что, в свою очередь, позволяет исключить необходимость замены соединителей и кроссплат (объединительных плат) при проведении модернизации оборудования.

Наличие защитных экранов вокруг сигнальных контактов 

Одной из отличительных особенностей соединителей серии STRADA Whisper является наличие защитных экранов вокруг сигнальных контактов. Сами сигнальные контакты в разъемах расположены горизонтально в дифференциальных парах. Такое расположение упрощает конструкцию кроссплаты, повышает целостность сигнала и экономит пространство. Каждая дифференциальная пара в свою очередь окружена шестью контактами заземления (рисунок 4).

Рис. 4. Расположение контактов в разъеме STRADA Whisper

Расстояние между землей и сигнальным контактом составляет 1,5 мм, что достигается за счет использования фирменной технологии, позволяющей создавать C-образные конструкции и окружить сигнальные контакты контактами заземления, организовав тем самым их полное экранирование. Экранирование контактов обеспечивает высокий запас целостности сигнала и делает семейство продуктов STRADA Whisper одним из самых надежных предложений на рынке (рисунок 5).

Рис. 5. Экранирование сигнальных контактов в разъеме STRADA Whisper

Высокая целостность сигнала на высоких частотах, низкий уровень шума и вносимых потерь 

Соединители STRADA Whisper отличаются высокой степенью целостности сигнала на высоких частотах, низким уровнем шума и вносимых потерь, что стало возможным не только за счет экранирования сигнальных контактов, но и за счет применения новой технологии подавления перекрестных помех eye-of-needle (EON). Благодаря принятым мерам уровень вносимых потерь для соединителей семейства не превышает 2 дБ на частотах до 20 ГГц, а отношение наводок однонаправленной приемопередачи в одной из пар к уровню сигналов во всех остальных парах (powersum FEXT) составляет не более -30 дБ на частотах до 12,5 ГГц. В качестве примера на рисунке 6а приведен график электрической характеристики, показывающей уровень powersum FEXT для соединителей STRADA Whisper R, а на рисунке 6б – суммарные перекрестные наводки от всех пар (powersum NEXT). В обоих случаях уровень наводок не превысил -30 Дб. Уровень вносимых потерь также оставался на минимуме (рисунок 7).

Рис. 6. Powersum FEXT и Powersum NEXT соединителей STRADA Whisper R

Рис. 7. Вносимые потери соединителей STRADA Whisper R

Высокая плотность компоновки контактов и совместимость с широким спектром соединителей от TE Connectivity 

Высокая плотность компоновки контактов в соединителях серии STRADA Whisper R позволяет сэкономить пространство на печатной плате, что имеет важное значение для систем с плотным расположением компонентов. Соединители STRADA Whisper совместимы с широким спектром таких изделий от TE Connectivity как кроссплаты backplane и mid-board, а использование кабельных конфигураций и сборок позволяет объединить их с соединителями других серий компании, включая SFP, QSFP, QSFP-DD, Sliver и OSFP, что значительно расширяет возможности разработчиков и архитекторов систем высокоскоростной передачи данных и современного коммуникационного оборудования.

Широкая номенклатура продуктов для различных конфигураций

Соединители STRADA Whisper поддерживают подключение как напрямую к кроссплатам, так и через специальные кабели. На сегодняшний день номенклатура серии STRADA Whisper включает в себя более 70 наименований, ориентированных на использованиях в различных конфигурациях: перпендикулярное подключение плат (direct plug orthogonal, DPO configuration), кабельное подключение midplane (cabled midplane configuration), подключение кабеля под углом (right angle cabled configuration), традиционные разъемы для кроссплат (backplane configuration), а также перпендикулярное подключение midplane (DPO Midplane connectors) (рисунок 8).

Рис. 8. Различные конфигурации соединителей серии STRADA Whisper

Номенклатура серии STRADA Whisper включает в себя соединители с сопротивлением 85, 92 и 100 Ом и рабочим диапазоном температур от -55 до 85°С.

Применение соединителей STRADA Whisper 

Соединители серии STRADA Whisper применяются в системах сбора и обработки данных (дата-центрах), серверах и хранилищах информации, беспроводных системах (например, 5G BBU), коммутаторах, аппаратных ускорителях, системах спутниковой связи и так далее.

На рисунке 9 показан пример организации подключения PAM-4 112 Гбит/с по каналу +30 дБ между двумя платами с установленными на них соединителями STRADA Whisper.

Рис. 9. Организация подключения PAM-4 112 Гбит/с при помощи соединителей STRADA Whisper

Высокоскоростные кабельные сборки STRADA Whisper 

Соединители STRADA Whisper поддерживают подключение как напрямую к кроссплатам, так и через специальный кабель. Использование кабелей позволяет значительно сэкономить на печатной плате и расширить возможности подключения. Для упрощения процесса проектирования и разработки компания TE Connectivity предлагает своим клиентам готовые кабельные сборки, позволяющие обеспечить высокую степень гибкости системы, сохранив при этом ее характеристики.

Кабельные сборки STRADA Whisper имеют крайне низкие вносимые потери (0,11 дБ/дюйм против 0,75 дБ/дюйм при 12,5 ГГц на печатной плате), что позволяет сохранять целостность сигнала в 2…4 раза больше, чем в конструкциях с печатными кроссплатами. Снижение вносимых потерь достигается применением высокоскоростных кабелей, улучшающих запас канала и позволяющих создавать новые гибкие конструкции.

Кабельные сборки имеют различные вариации и могут быть оснащены на одном конце разъемом STRADA Whisper, а на другом – соединителем иного типа, позволяющим организовать подключение к различным высокоскоростным устройствам, включая кросс- и промежуточные платы или устройства ввода/вывода (I/O). На сегодняшний день компания TE Connectivity предлагает три типа кабельных сборок серии STRADA Whisper:

• Кабели для организации соединения типа «точка-точка»
• Двухточечные Y-образные кабели
• Кабели с разъемом для крепления на панель

Все предлагаемые решения поддерживают работу с PAM-4 и скорость до 112 Гбит/с. Более подробные сведения о сборках приведены в таблице 1.

Таблица 1. Кабельные сборки STRADA Whisper производства TE Connectivity

Тип сборки	Описание	Внешний вид
Кабель для соединения «точка-точка»	Кабель с розеткой STRADA Whisper на обоих концах
	Кабель с розеткой STRADA Whisper  и коннектором типа Sliver на другом
	Кабель с розеткой STRADA Whisper  на одном конце и вилкой STRADA Whisper  на другом
Двухточечный Y-образный кабель	Кабель для подключения расположенного за пределами платы QSFP-трансивера
	Кабель с двумя розетками STRADA Whisper
Кабель с разъемом для крепления на панель	Кабель с розеткой STRADA Whisper  на одном конце и коннектором типа Sliver на другом

Стоит также отметить, что помимо стандартных кабельных сборок компания предлагает своим клиентам индивидуальные заказные решения.

Преимущества использования решений STRADA Whisper

Компания TE Connectivity является мировым лидером в сфере инновационных коммуникационных решений для высокоскоростной обработки данных и сетевых приложений, а ее продукты характеризуются высокой степенью надежности, качества и находят применение во множестве отраслей. Не стали исключением и кабельные сборки серии STRADA Whisper, ориентированные на использование в высокоскоростных системах на основе пришедшей на замену NRZ (PAM-2) технологии PAM-4.

Номенклатура STRADA Whisper включает в себя продукты, ориентированные на использование в различных конфигурациях, а сами соединители позволяют обеспечить высокую целостность сигнала на высоких частотах, низкий уровень шума и минимальное значение вносимых потерь. Использование же кабельных сборок компании позволяет значительно увеличить гибкость разрабатываемой системы и расширить возможности подключения, не привязываясь при этом к кроссплате.

Соединители и кабельные сборки STRADA Whisper – не просто отдельный продукт, а часть экосистемы компании, позволяющей организовать соединение и прямое подключение к другим системам и устройствам приема/передачи данных, таким как трансиверы SFP, QSFP, QSFP-DD, OSFP и так далее.

Заключение

Рост технологий и объемов данных порождает необходимость роста скоростей их обработки и передачи. Важную роль в этом играют соединители и кабели. Решения серии STRADA Whisper, ориентированные на работу с технологией PAM-4, позволяют обеспечить высокую целостность сигнала на высоких частотах, низкий уровень шума и вносимых потерь, а также организовать мягкий переход от систем 56 Гбит/с к 112 Гбит/с. В следующих публикациях мы рассмотрим другие перспективные решения для серверов и дата-центров от компании TE Connectivity, включая решения для однопарного Ethernet (Single Pair Ethernet, SPE) и системы, работающие с сетями 5G.