5G 互連設計的挑戰和其他解決方案
圍繞 5G 的話題性還在不斷增強，卻也帶來同樣的挑戰和機遇。安富利與 Molex 全球產品經理 Mike Hansen 針對銅互連在下一個高速行動網路開發中所扮演的角色進行了對話。
在互連的領域，媒介有射頻、光纜和銅纜。隨著我們渴望獲得更大的資料量，將大部分資料流量轉移到光域似乎成為了普遍趨勢，主要是因為光域擁有電磁耐受性和高速等優點 。
然而，任何參與製造產業的人都知道，成本在設計決策中是很重要的角色。
在上述三種模式中，只有一種可以同時提供電力和資料，因此它永遠有存在的必要。但資料的銅互連時代是否已迎來終結？
5G 效能的成本
Mike Hansen 談到行動網路與此問題的關聯。「老方法是使用被動式天線，同軸電纜向下連接到大型基頻裝置，該裝置負責解調及轉換為光纖，以進行長距離回程。到了 4G 時代，電信業者開始將遠端無線電站放在天線正下方的電線桿上，於是開始流行將光纖連到基頻裝置。到了 5G 時代，一些重大轉變出現。此時有更多支援大規模 MIMO 的天線，有新的頻段，速度也更加快速。除了將遠端無線電站放入天線，使其變成主動式天線裝置之外，這個體積相對較小的盒子還有很多工作要做。」
這些龐大的天線陣列現在需要解調，從類比轉換為數位，然後再進行切換或路由，直到到達光纖。Hansen 說明：「當然，光纖非常適合從電線桿到基頻裝置的長距離，但現在仍能看到板對板和高速夾層連接器的運用，因為主動式天線裝置 (AAU) 內裝入了太多的電路板。」
所有關於銅線與光纖的爭論仍然存在，但根據 Hansen 的說法，這逐漸成為一種混合式解決方案。Hansen 表示：「盒子內是銅纜，盒子外則是用於長距離的光纖。這是速度、密度和成本之間的權衡。」就密度而言，銅仍然勝出。Molex 的 NearStack 等技術可以在一個連接器中以非常小的空間內支援 16 個差分對組。
由於追求更高速的趨勢，現在轉向使用雙軸佈線，而非使用 PCB 走線，因為這可以避免大量訊號損失。部分在設計中使用高速交換晶片、SERDES 和 ASIC 的公司，並不想因為電路板佈線而導致大量損耗，因此使用雙軸是個良好的解決方案。
Hansen 表示：「我們可能會看到 NearStack 連接器就在電路板上的晶片旁邊，並直接連接到 QSFP [四通道小型外形尺寸] 連接器，因為走線很短，使得電路板的損耗極低。」
雖然 PCB 製造商不斷改進自己的技術，但阻燃劑 4 (FR4) 仍然是最主要的材料。儘管包括繫泊設備指南 4 (MEG4)、MEG6 和 MEG7 在內的選項皆是針對高速訊號，但這些較不普遍且價格較高。使用雙軸繞過 PCB 變得越來越普遍，因為這有效地建立了資料的橋接，資料可以在相對的直線上點到點傳輸，而不用使用正交的 PCB 走線進行佈線，甚至也能穿孔在多層之間移動。
「我們的職責是將高速訊號從一個地方傳輸到另一個地方，因此了解這些系統的架構有助於我們建構解決方案，達成使命。」– Molex 全球產品經理 Mike Hansen
高速介面
從不歸零 (NRZ) 發展為 4 級脈衝振幅調變 (PAM-4)，還有從 56 Gbps 發展為 112 Gbps，也是很重要的設計考慮因素。轉移到 5G，代表更需要路由這些高速訊號。Hansen 表示：「我們在設計時當然有考量到這點，即使製造商今天沒有完全使用 56 或 112 Gbps 的 PAM-4，至少我們要準備好連接器。」
Hansen 認為，這是連接系統的另一項優勢，因為它提供了固有的模組化能力。 「在幾年後加入連接器時，可以很輕易地更換電路卡或更好的晶片。可以說，我們為 NearStack 開發的任何新連接器都將達到 112 Gbps，支援 PAM-4。」
想要設計達到此效能水準的連接器可不單純。Hansen 解釋，Molex 著眼於整個通道，包括如何將其插入 PCB、連接器樑的幾何形狀、電介質如何放置在樑之間、間距和插配的介面。Hansen 表示：「我們的審視是從端到端的，我們已經這樣做了 30 年，這很有幫助。隨著速度的提高，我們改善了幾何形狀，來滿足對速度的需求，同時保持密度要求。」
纜線組件創新
纜線組件解決方案也有創新。「我們創造了獨特的直接接觸式焊接端子，把電線直接焊到訊號接點上。使其具有高度可重複性，這對訊號完整性 (SI) 非常有用。另外我們也採用高效能雙軸。」Molex 還擁有一家雙軸製造商，剛好可避免與採購材料相關的供應鏈問題。
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連接器在量產前進行建模，並在整個過程中進行測試和調整，以達到最佳的訊號完整性 (SI)。據 Hansen 表示，這已成為 Molex 的核心設計原則。該公司也在前端完成了大量模擬，SI 工程師可以更輕鬆地建立纜線組件模型，將其放入自己的系統模型中，並查看其表現。這代表整個高速通道都可以模擬。Hansen 表示，我們從客戶的經驗中發現，真實世界的結果與模擬的結果一致。
Molex 向客戶提供其連接器的所有模型和 S 參數，讓他們得以設計出極為精細的模擬。在使用高速訊號供應製造商時，提供模型已即刻成為入場成本，並延伸到所有長度的纜線組件的模型。
Molex 現在提供一種獨特的連接器解決方案，稱為 NearStack On-the-Substrate 選項。顧名思義，其將連接器直接放在晶片的基板上。聽起來很酷 (因為是真的酷)，但也有很多特殊的設計挑戰需解決。因此這項解決方案需要與客戶進行大量密切合作，針對客戶自己開發的晶片和機箱進行作業，因此能實現高度的直接連接。
想當然爾，On-the-Substrate 擁有極佳效能。然而同樣可以理解的是，許多客戶無法直接將連接器安裝在基板上。為解決這個問題，即將取樣的 NearStack HD 於是誕生。其提供相同的效能，但安裝在 PCB 上，而不是基板上。Hansen 表示：「我們稱其為『近晶片放置』，而不是『晶片上放置』。」這意味著您現在可以將高速連接器放在 PCB 上，使其更易於使用。而且這也有助於讓 NearStack 產品組合更為完善。
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