Papan Interkoneksi Switch FDR Tingkat Tinggi: Desain dan Implementasi

Kini, laju transmisi jaringan interkoneksi komputer berkinerja tinggi dengan aplikasi transmisi serial kecepatan tinggi telah berkembang menjadi FDR (Fourteen Data Rate, 14Gb/s), generasi ke-4 dari SDR (Single Data Rate, 2.5Gb/s), DDR (Double Data Rate, 5Gb/s) dan QDR (Quad Data Rate, 10Gb/s). Desain PCB (Printed Circuit Board) dengan papan interkoneksi dan switch board serta kartu antarmuka yang esensial untuk pembentukan Internet telah memasuki bidang kecepatan tinggi dan frekuensi tinggi FDR. Karena waktu naik sinyal FDR telah sangat menurun hingga magnitudo 10ps, serangkaia masalah mengenai integritas sinyal telah menjadi fitur kunci untuk menentukan kemungkinan implementasi fungsionalitas dan operasi yang terpercaya, seperti attenuasi, crosstalk, refleksi, interferensi elektromagnetik dll. Berdasarkan fitur chip interkoneksi FDR termasuk banyak port, banyak channel, banyak kategori daya dan konsumsi energi tinggi, beberapa chip interkoneksi selalu harus diintegrasikan pada satu papan interkoneksi untuk meningkatkan laju throughput. Pada papan dengan ruang terbatas, satu sisi, beberapa persyaratan harus dipenuhi termasuk tata letak komponen dan pendinginan, routing dengan kepadatan tinggi, transmisi jarak jauh di belakang papan dan integritas berbagai macam sinyal. Di sisi lain, beberapa elemen harus dipertimbangkan termasuk periode desain PCB, keterbatasan teknik pembuatan PCB dan kontrol biaya. Oleh karena itu, sangat sulit untuk implementasi desain dan verifikasi simulasi. Berdasarkan contoh desain PCB papan interkoneksi dan switch FDR, artikel ini membawa beberapa metode optimasi dalam hal pemilihan bahan substrat, desain stack up, aturan routing dan desain anti interferensi untuk mengatasi masalah integritas berbagai macam sinyal dalam proses desain PCB kecepatan tinggi FDR.

Atribut Attenuasi dan Pemilihan Bahan Substrat

Untuk sinyal frekuensi tinggi FDR, kerugian garis transmisi adalah masalah mengenai integritas sinyal. Ketika sinyal FDR ditransmisikan dari terminal transmisi ke terminal penerima melalui saluran interkoneksi, karena attenuasi frekuensi tinggi jauh lebih besar daripada attenuasi frekuensi rendah, deformasi serius telah terjadi pada bentuk gelombang sinyal yang tiba di terminal penerima. Deformasi terutama diklasifikasikan menjadi dua aspek: geseran tegangan sinyal telah sangat menurun sementara degradasi yang buruk telah terjadi pada tepi naik sinyal. Yang pertama membatasi jarak transmisi sinyal sementara yang kedua menyebabkan interferensi antara kode. Kerugian garis transmisi A dapat dianggap sebagai jumlah kerugian konduktor A_cond dan kerugian dielektrik A_diel seperti ditunjukkan dalam Rumus (1): A = A_diel + A_cond.

Kerugian konduktor merujuk pada kerugian yang disebabkan oleh resistor seri pada konduktor tembaga antara jalur sinyal dan jalur kembali. Dalam situasi frekuensi tinggi, efek kulit menyebabkan arus mengalir di permukaan konduktor tembaga di sekitarnya. Dengan meningkatnya resistansi seri ekivalen konduktor tembaga, kerugian konduktor akan naik dengan meningkatnya frekuensi yang berbanding lurus dengan akar kuadrat frekuensi, yang diilustrasikan dalam Rumus (2): .

Kerugian dielektrik merujuk pada kerugian yang dihasilkan oleh medium bahan substrat, terutama ditentukan oleh atribut bahan dan tidak terkait dengan konstruksi geometris termasuk lebar konduktor, berbanding lurus dengan frekuensi, yang ditunjukkan dalam Rumus (3): .

Berdasarkan Rumus (2), peningkatan lebar garis mampu mengurangi kerugian konduktor. Namun, dalam desain PCB praktis, lebar konduktor tidak pernah dapat tak terbatas lebat karena keterbatasan jarak antara pin, papan, jumlah lapisan sinyal dan impedansi. Lebar konduktor/jarak/lebar yang umum diterapkan dalam desain FDR biasanya 7mil/7mil/7mil atau 8mil/10mil/8mil. Ketika lebar konduktor sama, kerugian konduktor berbanding lurus dengan panjang konduktor, tanpa hubungan dengan bahan. Oleh karena itu, untuk mengurangi kerugian transmisi keseluruhan, hanya kerugian dielektrik yang harus dipertimbangkan. Berdasarkan Rumus (3), kerugian dielektrik berbanding lurus dengan faktor disipasi dan aplikasi faktor disipasi kecil dapat membantu mengurangi kerugian dielektrik, yang mengarah pada kerugian transmisi keseluruhan.

Tabel 1 mencantumkan parameter atribut tiga bahan papan kecepatan tinggi umum dan nilai kerugian yang dihitung sesuai dengan Rumus (1), (2) dan (3) ketika laju transmisi adalah 14Gb/s, lebar konduktor 8mil dan impedansi 50Ω.

Dapat diilustrasikan bahwa dengan laju transmisi 14Gb/s dan panjang transmisi 30 inci, kerugian transmisi keseluruhan Nelco4000-13SI sekitar 14dB sementara attenuasi geseran tegangan yang dapat ditahan oleh chip FDR konvensional berada dalam rentang dari 20dB hingga 25dB. Oleh karena it