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云技術(shù)中的高速連接器電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

作者: 時(shí)間:2012-07-16 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

轉(zhuǎn)向使用 10G 以太網(wǎng)以后,信號(hào)完整性問題更加突出,無(wú)源線纜開始使用更大標(biāo)準(zhǔn)線來(lái)補(bǔ)償。氣流/彎曲半徑問題開始顯現(xiàn),安裝人員/設(shè)計(jì)人員開始想要使用光纖連接來(lái)解決這個(gè)問題。轉(zhuǎn)向使用光纖帶來(lái)了一些問題,例如:高成本和高功耗等。典型單個(gè) 10G 以太網(wǎng)SFP+模塊的功耗為 1 瓦左右。使用數(shù)以萬(wàn)計(jì)的端口時(shí),光纖連接的功耗需求量便急劇增加,并且功耗增加帶來(lái)的一些問題也隨之出現(xiàn)(機(jī)架溫度上升)。

線纜連接問題
如果用于連接的無(wú)源線纜受到體積龐大和彎曲半徑問題的困擾,則光纖解決方案的問題便是高功耗和高成本。看起來(lái),似乎必須使用一種折中辦法來(lái)解決這個(gè)問題。答案就是一種被稱作“有源銅線”的技術(shù)—這是一個(gè)聰明的想法,其將一些有源元件嵌入到導(dǎo)體外殼中,以對(duì)由小標(biāo)號(hào)線引起的高頻損耗進(jìn)行補(bǔ)償。這種解決方案允許使用一些具有“光纖型”彎曲半徑和大體積且功耗較高的小標(biāo)號(hào)線。如 DS100BR111 等設(shè)備使用 10 Gbps時(shí)每條通道的功耗一般低于 65 mW,其常用于 SFP+ 有源線應(yīng)用。

應(yīng)用于 10 Gbps 以太網(wǎng)時(shí),大多數(shù)情況下這種能夠提高線纜信號(hào)完整性的技術(shù)僅限于 15 米以下的連線長(zhǎng)度。但是,如前所述,大多數(shù)連接線都在 3 米以下,可輕松地使用有源銅線替換無(wú)源或者光纖線。今天,這種方法常用于 10 Gbps 連接。但是,未來(lái)正快步向我們走來(lái),即使是 10 Gbps 連接也將無(wú)法滿足需求。

在光纖連接世界里,基本上有兩種連接:1)短距離連接(小于 1000 米);2)遠(yuǎn)距離(大于 1000 米)通信。更長(zhǎng)的光纖連接形成我們現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的骨干網(wǎng)絡(luò),常使用 100 Gbps WDM 光纖技術(shù)。為了降低這種技術(shù)的成本,包括Google、博科通訊 (Brocade Communications)、JDSU 等在內(nèi)的各大公司,于 2011 年 3 月批準(zhǔn)了一個(gè) 10 x 10 Gbps 多源協(xié)議 (MSA),用于物理媒介依賴 (PMD) 子層,其為 C 形狀系數(shù) (CFP) 模塊提供一種通用架構(gòu)。

CFP 適用于要求 100 Gbps 通信的低數(shù)目/長(zhǎng)距離連接。但是,SFP 和四通道SPF接口 (QSFP) 擁有更高的密度,本地開關(guān)和路由器均要求這種高密度。今天,通過組合四條 10 Gbps 數(shù)據(jù)通道,四通道 SFP 用于 40 Gbps 以太網(wǎng)。下一步的發(fā)展將是從 10 Gbps 轉(zhuǎn)到 25 Gbps 通道。它通過一些小 QSFP 連接器提供相當(dāng)于 100 Gbps 的數(shù)據(jù)傳輸,并為一些不支持 100 Gbps 標(biāo)準(zhǔn)的 40 Gbps 以太網(wǎng)系統(tǒng)提供向后兼容模式。最終,這種形狀系數(shù)可用于光纖模塊,因?yàn)椴辉傩枰?CFP模塊使用的 10 到 4 通道轉(zhuǎn)換。

這種技術(shù)已經(jīng)數(shù)家廠商多次證明,為廣大基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)人員提供了一種轉(zhuǎn)到連接的路線圖。但是,開關(guān)或者服務(wù)器背后的互連并非是出現(xiàn)這種問題的唯一地方。服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)部的各種電氣連接都存在相同的問題。

距離是你的敵人
一個(gè)數(shù)字位的波形橫向傳輸線路和連接器,因此物理學(xué)開始起作用,并試圖通過阻抗錯(cuò)配和相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_引起的頻率反射型可變衰減,完全破壞原始信號(hào)。數(shù)據(jù)本身也存在問題,因?yàn)橹鞍l(fā)送的符號(hào)干擾了傳輸中的當(dāng)前位。這被稱作符號(hào)間干擾,即 ISI。信號(hào)通過 ASIC 到路由器或者開關(guān)背部這段距離后,無(wú)法再辨別出這些位。抹殺無(wú)源連線無(wú)誤差位傳輸?shù)南嗤?yīng),也在這里發(fā)揮作用。

以前的一些設(shè)計(jì),開關(guān)ASIC使用多條慢數(shù)據(jù)通路(一般為3.125 Gbps),連接到某個(gè)物理層設(shè)備(PHY),以在SFP連接器構(gòu)建10 Gbps NRZ連接。PHY的位置非??拷谖锢磉B接器,因此信號(hào)完整性損失得到最小化。但是,由于 ASIC 技術(shù)轉(zhuǎn)而使用更小的幾何外形,吸納 10 Gbps 接口的連接便成為一種內(nèi)在要求。首先,由于移除了 PHY,因此這種變化可以降低電氣連接的總功耗。但是,PCB 邊緣的信號(hào)完整性損失,要求更昂貴、低功耗的電路板材料,或者再使用一種有源解決方案。

用于抗線纜信號(hào)損失的相同設(shè)備現(xiàn)在也正用于高性能路由器、開關(guān)和服務(wù)器內(nèi)部連接。使用低功耗緩沖中斷器和重定時(shí)器時(shí),可使用標(biāo)準(zhǔn) FR-4 PCB 材料(控制成本),并且功耗非常低。實(shí)際上,這些設(shè)備以一種類似的方式用于 10 Gbps NRZ以太網(wǎng) PHY,以恢復(fù)數(shù)據(jù)和再計(jì)時(shí)數(shù)據(jù),滿足連接器規(guī)范。

達(dá)標(biāo)努力
在服務(wù)器中,包括 PCI express (PCIe) 在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)比比皆是。由于數(shù)據(jù)傳輸速率更高,內(nèi)核處理器向(自)內(nèi)核傳輸信息的能力,推動(dòng) PCIe 等標(biāo)準(zhǔn)不斷提高傳輸速度。最新的標(biāo)準(zhǔn)為第 3 代,其標(biāo)稱擁有 8 Gbps 的連接速度。如前所述,在許多情況下,設(shè)備內(nèi)部物理距離不變,歸因于處理器硬件、連接器數(shù)目和間隔。服務(wù)器也不例外,同樣受到信號(hào)完整性問題和功耗的困擾。前面使用第 1 代或者第 2 代PCIe 的一些設(shè)計(jì),只要小心謹(jǐn)慎地布局和選擇連接器,便能夠滿足操作規(guī)范。但是,隨著服務(wù)器轉(zhuǎn)向第 3 代,電路板材料和連接器正對(duì)信號(hào)完整性產(chǎn)生影響,以致于不再能夠滿足這種標(biāo)準(zhǔn)。

如 PCIe 等標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)另一個(gè)問題,讓問題的解決更加困難,而同時(shí)還要保持低功耗。這個(gè)問題便是帶外 (OoB) 信號(hào)傳輸,其出現(xiàn)在通道早期訓(xùn)練過程。由于在通道接入時(shí)標(biāo)準(zhǔn) PCIe 板并不了解,因此它必須與根組件溝通,并對(duì)通道做出調(diào)節(jié),以幫助維持信號(hào)完整性。這種通信在帶外完成,并且如果失?。ㄒ蚬适艿阶枞ǖ辣銦o(wú)法初始化。

一些PCIe 集成電路 (IC) 中斷器的廠商使用一種重復(fù)根組件的方法。這種方法將通道分成兩部分,有效地縮短了距離,并大大提高了信號(hào)完整性(連接器更少/距離更短)。這種方法存在的問題是功耗。重復(fù)根組件,要求理解通道傳輸,并在兩端正確地對(duì)其重復(fù)。另外,串行化和去串行化過程,還會(huì)引起過多的延遲。

其他廠商通過使用一種方法對(duì)帶內(nèi)和帶外信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)(去除了所有信息處理),暫時(shí)解決了這個(gè)問題。如 DS80PCI402 等器件使用這種方法,每條通道僅要求 65 mW。該器件插入到 PCIe 通道中以后,有效縮短了末節(jié)點(diǎn)和根組件之間的通道距離,其不干擾帶外過程,大大改善了 8 Gbps 數(shù)據(jù)信號(hào)完整性,同時(shí)更小。

其他改善方面
我們的信息基礎(chǔ)設(shè)施正不斷增長(zhǎng),以滿足日益增加的用戶數(shù)和技術(shù)(例如:云計(jì)算等)需求。連接功耗預(yù)算只是這些系統(tǒng)總功耗的一部分而已。各大廠商都在尋找一種方法,以產(chǎn)生更低連接功耗的內(nèi)核。由于ARM內(nèi)核的易用性和極低的功耗,人們對(duì)于在云服務(wù)器中使用這種引擎的關(guān)注度正不斷上升。另外,一些專用處理器也使用其各自的方法進(jìn)入到信息基礎(chǔ)設(shè)施中提供各種服務(wù),例如:視頻和圖像實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼、語(yǔ)音識(shí)別等等。這些專用服務(wù)通常要求在通用處理器中執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算功能。這些專用處理器提供許多高能效的方法,執(zhí)行相同運(yùn)算功能。

結(jié)論
隨著云計(jì)算和存儲(chǔ)在規(guī)模和容量方面都不斷增長(zhǎng),節(jié)點(diǎn)之間的連接能力也不斷提高。設(shè)計(jì)人員面臨的會(huì)是在不斷增加網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量的同時(shí),維持最低的。這些解決方案不僅受到來(lái)自日益增長(zhǎng)的高帶寬要求的,而且也會(huì)達(dá)到功耗最小化的上限。


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