华为高速实验室承担大量高速互连的研发任务和设计任务,以及多个厂商的新产品的试用和认证工作,本文请两位在光互连背板和5Gbps高速电背板的研发领域经验丰富的专家,介绍了短距离光互连和铜互连的发展趋势,通过对比说明了两种互连的应用前景。
随着数据通信业务和Internet的飞速发展,带宽需求呈爆炸性增长,在太比特路由器这些的电信设备结构中,我们不难发现,互连是限制系统性能的重要瓶颈。板间、框间信号的主要载体是铜互连和光互连。对于铜互连,我们通常采取两种方法增加传输带宽,一种是增加传输路径的数目,也就是增加铜互连线的数量,带来的问题是ASIC的管脚越来越多、PCB层数增加、系统成本也随之上升。另一种办法则是提高线速,使用更高速的IO,采用差分技术等等,带来的挑战是信号完整性问题突出,整个物理链路的设计难度增加。
光互连与铜互连比较,前者具有带宽高、损耗小、基本不存在串扰、匹配和电磁兼容等的优点。单芯光互连已经得到广泛应用,而大容量(千G级)的平行多芯光互连技术在板间、框架间、以及短途机柜间互连中逐渐显示了一定的应用前景。我们将这种传输距离在300米之内的大容量光互连解决方案称为“短距离光互连”。
本文重点讨论用于板间传输的光互连形式,也就是俗称的光背板技术。目前业界光背板中光纤互连的形式有三种。1. 光纤电路技术,其特点是将光纤电路布线后封装到柔性板材中,是目前最成熟的光背板互连技术,Tyco、Molex、HRS等公司都能提供相应的生产能力,这种技术是我们下面主要讨论的内容。2. 聚合物光波导互连技术,属于光背板的第二代产品。波导的最大问题是由于光波长和波导尺寸接近,波导很难实现光线的90°弯曲,整个器件尺寸难以缩小,迄今发展比较缓慢。最近兴起的光子晶体技术应该是个解决问题的方向。主要应用于纯光系统如OXC等,目前Dupont具有称为Polyguide 的聚合物光波导制作技术。3. 自由空间光互连技术,对灵巧像素阵列、单一透镜或透镜阵列,结合DOIE器件,即可对光互连任意编程,此项技术可以应用在高速并行计算机或交换机和路由器上,但目前还不成熟,尚处于实验阶段。
光背板互连方案
光背板互连方案主要包括光模块、光连接器和柔性光纤板等主要部分。下面简要介绍每个部分的特点和产品型号。
1．光模块
垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的光学腔体取向和半导体晶圆垂直,可以从表面发光,因此容易做成阵列,提高单位晶片上光通道的数目。VCSEL与LED的封装、测试工艺相容,适于低成本的批量制造,所以VCSEL激光器现在是短距离光互连主要使用的激光器形式。
图1中是一个边沿型激光器和VCSEL激光器的对比示意图,下面部分是VCSEL。
在VCSEL激光器中,分布布拉格反射器形成了腔体反射镜装置,而腔体本身由解理层(反射镜)和量子阱有源区,以及将光引导到表面发射的结构组成。基于这种特殊结构,光可以从VESEL的底部或顶部输出,显然由于腔体的长度非常短,输出的激光谱将会非常窄,此外,VESEL的平面性允许设计对称的横截面,所以能产生圆形的输出光波,显然VCSEL与边沿型激光器相比是一大进步。更详细的VCSEL介绍可以查看:。目前30Gbps并行光模块器件的生产商有Zarlink、Infineon、Agilent、MOLEX、E2O和Picolight几家。
2．光连接器
光连接器发展的趋势是连接器/卡箍尺寸的小型化。在工业标准连接器中,所使用的全尺寸(2.5mm)卡箍技术,例如SC、ST和FC连接器将被小外形因子的1.25mm 的单光纤卡箍和多光纤mini-MT阵列卡箍所取代。小形状因子连接器的范例除了LC 和MT-RJ 之外,还有MU,有时称为mini-SC,这些连接器的端口密度比它们所取代的产品大约都要高2到4倍。
这些连接器普遍使用多槽位和阵列式的封装形式,已经实现的单封装包含24根光纤,4个光纤连接器的96光纤密度,据悉MOLEX的576根光纤的阵列连接器已经正式向客户推广,而且尽管在插入损耗方面有些损失,但较新的多光纤阵列连接器的性能已经与单光纤连接器的性能不相上下。其最大插入损耗不到0.3dB,标称损耗的范围从0.1到0.2dB。
3．柔性光纤板(OXF):
柔性光纤板就是将多根光纤粘和,形成一组光纤,每根光纤两端接有光连接器的柔性塑料薄片。如图2所示。
柔性光纤板有两个特点:能够完成多根光纤复杂的交叉连接,实现对称或随机的布线方式。当传统的光缆组装技术无法实现需求时,柔性光纤板就是成为一个安装方便,美观灵活的光纤配线器。可以支持板间信号(背板)和板内的信号传输。
4. 光纤互连系统实例
以AMP公司的LIGHTRAY MPX光纤互连系统为例,它具有以下特点:可以装配满足Bellcore 1435的多模光纤(62.5/125μm或50/125μm)和单模光纤(9μm)12根；连接器可以像电连接器一样插拔方便；在移开单板前,光缆不需拔出；收发器不需放置在板沿,给单板的设计带来很大灵活性；系统可以使用任何形状的收发器接口,如SC、FC、ST和MT-RJ等等；由于板沿使用了通用的光接口,所以系统比较容易升级。此外,柔性光纤板可以支持单模或多模光纤；可以实现对称或非对称设计；可以选择多种保护薄膜基片；可以端接LIGHTRAY MPX或任意工业标准连接器；可在相当宽的温度范围内工作；光纤可以相互层压,但性能不会受影响；插入损耗非常低(<0.3dB)；设计最大尺寸22英寸×22英寸。
MOLEX的光纤互连系统的特点是它提供比较丰富的单板到背板的光背板连接器产品,主要有四个系列,BSC/BLC/BMTP/HBMT。
BSC以及BSCII背板连接器系统集成NTT标准SC连接器和背板适配器。BLC连接器是为使用标准LC光接口(标准SC接口1/2大小)的单板特殊设计的。这两种背板连接器都可端接2、4和8根光纤,支持盲插特点,同时特殊设计的卡箍“浮动”特性方便补偿卡槽(card cages)的不精确性。插入损耗非常低,小于0.25dB。
BMTP和HBMT都是基于带状光纤连接的MT插芯技术。BMTP的特点是可以和MOLEX高速电背板连接器VHDM集成在一起,如图3所示。HBMT则是高密度的背板连接器,最多可以支持96根光纤互联。这两种背板连接器都具有安装的浮动特性,支持盲插特点,支持单模或多模光纤。HBMT连接器还具有颜色标识和光纤90°角弯曲等突出特点。
设计光背板是一项不复杂的工作。主要过程包括选择恰当的器件,提供信号流向信息定制柔性光纤板,装配和测试等等。应该说,选择恰当的器件即完成了整个设计的绝大部分工作。
铜互连解决方案
为了对比说明短距离光互连的特点,现在简述一下铜互连的发展状况。
目前,IC供应商普遍将3.125Gbps的高速收发器IP化,并将高速IO集成到通信集成电路之中。例如,Xilinx采用MINDSPEED的低功耗SERDES硬核,作为新一带FPGA的高速接口方案。安捷伦公司在单芯片中集成150通道的SERDES,每通道速率可达3.125Gbps,采用0.13um CMOS工艺。
上述高速SERDES器件,由于采用了预加重、均衡、多电平、甚至自适应均衡等技术,对铜互连物理链路的设计要求并没有比2.5Gbps速率情况有很明显的增加。能够提供5Gbps以上的独立SERDES器件的厂商包括Acclerent、Analgox和Velio等。
Accelerent公司的设计案例显示(如图4),在使用普通FR4板材和ERNI 2mm Hard Metric连接器的背板上面,其SERDES芯片AN5000可以驱动34英寸长的差分传输线,达到了实用化的要求。如果将板材优化,可以驱动40英寸以上的差分传输线,基本满足所有大多数背板设计需求。华为高速实验室对AN5500的性能测试验证了上述传输距离。
在design2003大会上,多篇文章提到10Gbps以上互连设计的,如“Maximizing 10Gbps Transmission path Length in Copper Backplanes with and without Transceiver Technology"一文中描述了一个由高速高密度连接器和特别设计的标准材料PCB构成的互连系统。在这个互连系统中,10Gbps信号可以在没有预加重和自适应均衡情况下,获得相当的传输距离。另外一篇文章"How to Make Optimal Use of Signal Conditioning in 40-Gbps Copper Interconnects"重点研究了发送端信号的预加重或者去加重,以及接收端有源均衡等技术。因此,从技术和商用角度看,依靠铜互连传输10Gbps以上信号的技术日臻成熟。
高速铜互连解决方案设计下列关键技术:
1． 时钟数据恢复。这是SERDES中基本的技术,接收器件在数据流中提取时钟信息,不需要另外提供时钟通道,前提是在发送端采用的诸如8B/10B变换的编码方式。
2. 预加重技术,在发送端对每次翻转后的第一位数据进行幅度提升,增加与沿信息相关的各次频谱能量,以补偿由于线路损耗而带来的眼图幅度下降。
3. 均衡技术,分为有源和无源两类,无源均衡基本结构就是高通滤波网络,用来减小长距离传输后低频分量过多带来的数据抖动；有源均衡可以提供一定的增益,但不能无限地减小抖动。MAXIM等公司提供了用于包括5G/10Gbps应用的独立均衡器产品。4. 多电平技术,这个技术本身并不是新事物,在快速以太网中已经有了三电平的应用,目前更高速的SERDES也引进了类似的思路,通过多电平编码有效地减少信号带宽,减小了对物理链路设计难度的要求。5Gbps以上SERDES的一个重要方向就是采用多电平技术。但是在如此高的速率之下,多电平技术通常要与自适应均衡、自适应边沿调整、自适应幅度调整等技术结合起来使用,根据链路的特性,动态调整各种参数,实现最好的信号传输质量。
两种技术的对比及预测
通过上面的比较可见,在背板设计领域,从器件信号的密度甚至信号速率上面,铜互连仍旧能满足要求,光互连没有任何优势。甚至在10米左右的3.125G传输中,电缆互连仍旧保持一定优势。应该说:成本是短距离光纤互连的最大的限制。华为高速实验室的实验光背板系统,交换容量达到2.5×12×12＝360Gbps,但是制造和无源器件物料的成本就达到数万人民币。而一个类似的电背板的制造和无源器件的物料成本最多1-2万人民币,差距很大。
虽然短距离光互连在通讯设备背板的应用优势比较不显著,在大容量线速率2.5Gbps以上、传输距离大于20米的机柜间的互连应用上,在目前还是不可替代的,所以光背板现在的应用领域还只能在非常高端的系统中。短距离光互连的优越性将更多表现在:1. 结合并行光模块,对整体电路设计的简化。这部分的成本也许不能用材料成本来衡量。2. 在现在流行的分布式路由器中,相对长距离的光互连应用正在越来越多出现。Marconi的BXR48000 ATM交换路由设备就是应用的典型。3. 大量光信号需要互连的场合,比如OXC和OADM等。
作者:华为公司高速设计实验室
姜向中
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