ホワイト ペーパー: ケーブル バックプレーン システム: PCB に代わる高速システム

データセンター機器の速度が増加し続けている現在、従来の FR4 プリント基板 (PCB) 基材は、特に 25 Gbps 以上では、許容可能な伝送性能を提供できなくなる可能性があります。 コア スイッチとルータは、優れた伝送特性によるスループットの最大化が求められます。これらのシステムがより大きな計算能力を達成するにつれて、それらがサポートするバックプレーンとドーター カードは、サイズ、数、複雑さが増大します。多くの機器メーカは PCB 基材に代わる接続方法を探しており、高速ケーブル バックプレーン技術は第一の候補となっています。このホワイト ペーパーでは、高速ケーブル バックプレーン接続の必要性、PCB ベースの方法に対する優位性、潜在的な問題、TE Connectivity が優れた伝送特性で最大の柔軟性とスループットを発揮するケーブル バックプレーン製品を実現している仕組みについて詳しく紹介します。

ケーブル バックプレーン技術は、10 年以上前から存在しています。 バックプレーン エコシステムが最近 10 Gbps から 25 Gbps 以上に移行したことで、ケーブル バックプレーン技術は今日のシステム設計者にとってさらに魅力的なソリューションになっています。ケーブル バックプレーンには 3 つの特長があります。それは、性能を向上できること、配線距離が長くても通信損失を抑えられること、そしてルーティングの柔軟性を向上できることです。

これらの利点にもかかわらず、ケーブル バックプレーン技術を使用することには潜在的な課題があります。 1 つ目は、非常に多くの接続が必要になる可能性があることです。大規模な通信システムでは、ドーター カードやスイッチ カードなどの数が多く、データ長が長くなるため、通常はケーブル アプローチが必要です。通常、各カードはシステム内の他のすべてのカードに接続するため、多くのポイント間接続が生じることになります。各接続には差動ペア構成の Twinax ケーブルが必要なため、ドーター カードの端に沿って、多くの嵌合ケーブル ヘッダおよびリセプタクルが必要になる場合があります。

ケーブル バックプレーンを使用するには、複雑なピン マッピング スキームを使用して、各ケーブルがボードからボードにルーティングされている状態を理解する必要があります。これには、OEM と相互接続ソリューション メーカ間の緊密な協力が必要です。システムによっては何千ものポイント間接続が必要になるため、ケーブル ルーティングの複雑さは容易に想像できます。ケーブル ルーティングには、複数のワイヤー長と曲げを伴う難しいワイヤ管理が必要になる場合があり、これが電気的性能や機械的性能に影響を与える可能性があります。製品検証テスト前後の性能の完全性は、ケーブル アセンブリ レベルとシステム レベルで保証する必要があります。

もう 1 つの課題は、大量のケーブルが必要になることです。システムによっては、数千の差動ペア チャネルが含まれるため、数千フィートの Twinax ケーブルが必要になる可能性があります。従来のバックプレーン ソリューションと比較すると、これらすべてのケーブルによってシステムの重量が増大します。これは、梱包や輸送における懸念事項になるだけでなく、衝撃や振動などの検証テストでも重要な考慮事項です。これらのシステムへの損傷は、特にメーカからの出荷後は検出が難しくなる場合があります。設置後の修理は、ケーブル バックプレーン システムの最も困難な側面の 1 つです。

また、25 Gbps 以上の速度で伝送特性を確保するには、適切な特性インピーダンス (通常 85 〜 100 オーム) を維持しながら、ケーブルからコネクタへの結線を維持することが重要です。一般的に使用されるワイヤ結線技術は、溶接 (レーザ、超音波、抵抗溶接) またははんだ付けです。製造プロセスは正確でなければなりません。また、品質と性能の目標が維持されていることを継続的に監視する必要があります。

一般に、ケーブル バックプレーンを使用するかどうかを決定する際の一番の課題は、コストです。PCB がチャネルの予算に合う場合は、通常、ケーブル バックプレーンは必要ありません。しかし、アーキテクチャの柔軟性がシステム設計の主な決定要因である場合は、ケーブル バックプレーンが最適なオプションになる可能性があります。システム サイズやチャネル長を展開することで、ケーブル バックプレーンの市場でのコスト競争力を高めることができます。

ケーブル バックプレーンの需要が増大するのは、機器のデータ レートが 25 Gbps NRZ および 56 Gbps PAM-4 から、56 Gbps NRZ および 112 Gbps PAM-4 に進むときにのみです。 新しい伝送特性要件により、特にコア ネットワーキング市場や高性能コンピューティング市場の大規模システムで、ケーブル バックプレーンが必要になる可能性があります。データ レートの高速化に伴って PCB のコストが上昇している現在、TE のケーブル STRADA Whisper コネクタは、フレキシブルなソリューションを提供します。 

TE の STRADA Whisper コネクタは、ケーブル挿入損失が非常に低く (12.5 GHz で 0.11 dB/in であるのに対し、PCB の損失は 0.75 dB/in)、これにより、従来の PCB バックプレーン設計より 2 〜 4 倍の距離で伝送特性を維持できます。高速ケーブルによって挿入損失を低減させることで、チャネル マージンが向上し、より創造的なシステム アーキテクチャ設計が可能になります。 

ケーブル STRADA Whisper コネクタは、TE の STRADA Whisper 製品群と同じ機械的堅牢性と、最高クラスの電気性能や伝送特性を引き続き提供します。25 〜 56 Gbps PAM-4 をサポートし、将来的には 56 Gbps NRZ および 112 Gbps PAM-4 に拡張されます。 

TE は、ケーブル バックプレーン アーキテクチャに関連する課題を緩和する最適な設計パートナです。ペア マッピングの複雑さに関しては、TE のエンジニアリングの専門知識が最適な割り当ての設計をお手伝いします。TE では広範なテストを行っているため、アセンブリが PCB 製造サプライヤと同じくらい信頼できることが保証されます。TE は、ケーブルを取り付け、形成、ルーティングするための成形・試作品作成・開発方法を備えているため、ほとんどのシステム サイズやルーティングのニーズに対応できます。顧客のニーズに最適なカスタム アーキテクチャを定義できるよう、1 つの問題に複数のソリューションを提示します。当社の製造プロセスでは、非常に厳しい精度で広範な電気的チェックと目視による品質チェックが行われています。これにより高精度で最高品質の製品を提供しています。 

TE では、ポイント間ケーブル、付加価値アセンブリ、フル バックプレーン/ミッドプレーン設計の 3 種類を中心とした、ケーブル STRADA Whisper コネクタ ソリューションをご用意しています。TE が独自の Madison Cable 製品を使用し、社内設計と高度なケーブル エンジニアリング機能を組み合わせることにより、ケーブル STRADA Whisper 製品のコストを可能な限り低く抑えることができます。

通信機器におけるデータ レートの高速化に向けた動きは、加速し続けています。従来の PCB 接続は、25 Gbps 以上の速度では伝送特性に限界があるため、より高価な基板を使用する必要があります。ただしこれは、システムの全体的なコストを大幅に増加させる可能性があります。TE のケーブル相互接続を使用すると、伝送特性に対処でき、設計の柔軟性を促進できます。これにより、次世代システムを 56 Gbps NRZ および 112 Gbps PAM-4 という未来の機能へと確実に導くことができます。