高速背板的设计考量

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1、高速背板的设计考量

2、第1...lunouseg(this)">高速背板在设计上常面临信号减弱、交互符号干扰与串音等多项难题，需拥有信号调节技术的产品才可克服这些系统层次的挑战。而高速接口解决方案不但可让系统商为客户提供高效能且可升级的系统，还可缩短开发时程并降低开发成本。本文将为读者介绍以模块化机壳为基础系统中之高速背板、高速背板的设计挑战以及可克服这些挑战的芯片解决方案。在核心路由器、以太网络交换器与储存子系统这种以模块化机壳为基础的系统，内含的高速背板（Backplane），需要高度的信号完整性与更高的系统处理能力。基于成本效益与实时性设计的考量下，这些应用领域的系统厂

3、商面临了许多挑战。不但必须为客户保留在原有线卡、机壳与电源供应器上的投资，同时还必须支持更高效能及提供更新的服务。目前某些系统中的背板是以5Gbps或更高速的序列连结技术来运作。为了在这些数据传输速度上设计可靠性高的系统，芯片厂商必需提供保证不会在背板中发生传输错误的解决方案。本文便介绍了以模块化机壳为基础系统中之高速背板、高速背板的设计挑战以及可克服这些挑战的芯片解决方案。以模块化机壳为基础的系统范例像是高阶核心路由器、企业交换器与储存子系统这种以模块化机壳为基础的系统，都是以高速背板与多线卡为特色，增加更多线卡及提高线卡上的连接端口密度，便可以提高效能与容量。这些系统都

4、是模块化且规模独立的系统，而不需要将整个系统全部升级或更换。它们也是为高可用性（Usability）而设计，以确保有足够的正常运作时间。这些系统是由含有多余交换卡、线卡与电源供应模块的插槽组成。可以藉由多余的组件来设定它们，以增加安装作业的可靠度与可用性。(图一)便是以模块化机壳为基础的系统典型组态。背板接口解决方案（也就是所谓的高速序列连结）提供了在高速背板上的全双工通讯能力。序列连结装置的传输速度则视系统的处理能力需求而定。而序列连结则是透过高速差动信号来传输资料。差动信号则会透过线卡与连接插头来实现背板上传送，以及通过另一组高密度的连接插头来传送。信道的特性则视背板的

5、材质、连接插头密度、追踪宽度与耦合等等元素而定。在典型的路由器中，随着线卡插入这些引线中的位置不同，引线的长度便可能介于1英吋至48英吋之间。《图一　以模块化机壳为基础的系统范例》500)this.style.ouseg(this)">500)this.style.ouseg(this)">这些模块化系统中的背板接口装置有下列关键要求：提升速度接口装置必须要能满足系统设计师对频宽日益增加的需求。芯片厂商会以3.125～5Gbps的速度来传送解决方案，及以6.25Gbps的速度为解决方案建立样品，来为现有的背板建立升级解决方案。只要简单地升级一张交换器卡，系统厂商可以重复使用

6、现有的机壳与线卡，同时还能提供升级到更高频宽线卡的路径，在低成本的情况下为客户提供更多的服务。●向下兼容性：背板接口装置必须在原有线速上运作，以提供与原有线卡的跨平台兼容性；●高密度与低耗电：为了应付日益增加的流量，这些系统需要可提高效能与密度的小型兼容脚位，而且不会因耗电量提高而增加费用支出。因此永远都会有必须在较低耗电量的情况下提供速度越来越快的背板装置之需求；●制造能力、测试能力：背板接口装置需要含有类似JTAG与BIST的功能特色，以提供在原型制作及制造时的芯片层级与系统层级的测试能力。高速背板设计考量由于资料速度提升至超过1Gbps的层级，因此设计师必须解决背板系

7、统设计上产生的新问题。这些背板的信号完整性会因表面效应、介电损失、因串音而产生的干扰以及交互符号干扰而受到影响。集肤效应集肤效应为频率增加时大部分电流都集中在外侧导体上的现象。因为表面现象而产生的损失是与频率、引线宽度与高度的平方根成正比的。介电损失是因为热散失到面板介电上以及频率呈直线增加而产生的现象。在较高的频率下，介电损失便会成为较大的问题。这些损失会降低信号振幅、减慢信号边际速度，进而导致信号消散与较差的抖动范围。《图二　效应与介电损失》500)this.style.ouseg(this)">500)this.style.ouseg(this)">信号消散会导致产生

8、交互符号干扰（ISI），因为减弱效应较低的低频组件会与接收器端减弱的高频组件一起被计算总和。因此，开口会变小，这将使接收端难以回复而导致无法接受的位错误，这会限制最大位速率。另一个解释此现象的方式便是信号模糊或散开，因而能量便从其中一个位向后续位降低，而导致位错误。通常在较低速率下，交互符号干扰是可以更正的，因为有足够的时序预留空间。而在较高速率下，ISI则不再受限于信号范围，而且可以影响整个位的宽度。干扰的主要为因高密度连接插头与背板引线而产生的串音。串音为因高密度连接插头与背板引线的置放位置而产生的主要干扰。串