AI賦能下的數(shù)據(jù)中心正催生高速互連技術(shù)升級(jí)，高速連接器如何保證信號(hào)完整性，實(shí)現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)傳輸？

回望2024年人工智能的發(fā)展態(tài)勢(shì)，不得不用“爆發(fā)”二字形容。

蘋(píng)果與Open AI的深度合作使得AI手機(jī)概念爆火;蘿卜快跑等無(wú)人駕駛汽車(chē)逐漸實(shí)現(xiàn)規(guī)模化運(yùn)營(yíng)，特斯拉Optimus機(jī)器人等人形機(jī)器人技術(shù)不斷突破……

AI 與眾多行業(yè)的深度融合，不僅催生出諸如 AI 手機(jī)、無(wú)人駕駛汽車(chē)、人形機(jī)器人等前沿應(yīng)用，更促使數(shù)據(jù)中心加速向大帶寬時(shí)代邁進(jìn)，高速互連技術(shù)也隨之踏上高速率、低延遲的發(fā)展征程。

在這一宏大背景下，高速連接器作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其信號(hào)完整性問(wèn)題愈發(fā)凸顯，成為制約技術(shù)進(jìn)步的核心挑戰(zhàn)之一。

為深入探究高速連接器信號(hào)完整性這一關(guān)鍵議題，《國(guó)際線(xiàn)纜與連接》特別邀請(qǐng)了來(lái)自英特爾數(shù)據(jù)中心和人工智能集團(tuán)首席工程師李祥博士、Molex信號(hào)完整性專(zhuān)家鄧倩、得潤(rùn)電子CEA事業(yè)部研發(fā)總監(jiān)林宗彪、博威合金板帶技術(shù)市場(chǎng)部亞太區(qū)總監(jiān)張敏、泰明同金屬總經(jīng)理羅紅玉、廣東中量科技李記祥經(jīng)理，從系統(tǒng)廠、連接器廠商、新材料廠商、測(cè)試廠商等多元視角，對(duì)高速連接器的SI設(shè)計(jì)、新材料應(yīng)用等關(guān)鍵話(huà)題展開(kāi)了一場(chǎng)全面且深入的對(duì)話(huà)。

01 | SI 影響因素：探尋降低損耗與串?dāng)_之道

電子設(shè)備的互連系統(tǒng)主要由PCB互連線(xiàn)路、連接器及其他元件構(gòu)成，信號(hào)經(jīng)由PCB上的線(xiàn)路和連接器傳遞至其他PCB，進(jìn)而形成完整的背板系統(tǒng)。

▲圖/包圖網(wǎng)

高速連接器的信號(hào)完整性受到特性阻抗、插入損耗、返回?fù)p耗、串?dāng)_、接觸電阻、電磁干擾、信號(hào)傳輸速度、屏蔽效果、機(jī)械耐久性和溫度等多種因素的影響。

“高速連接器在整個(gè)Chiplet里面作用會(huì)比較大。隨著速度越來(lái)越快，高速連接器中間的損耗、串?dāng)_包括反射會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生影響”英特爾數(shù)據(jù)中心和人工智能集團(tuán)首席工程師李祥博士強(qiáng)調(diào)了高速連接器信號(hào)完整性的重要性。

當(dāng)問(wèn)及如何降低損耗、防止串?dāng)_時(shí)，李祥博士表示連接器的損耗并不大，有時(shí)串?dāng)_、阻抗的影響會(huì)比較大。“連接器一般比較短，我們要求一般是調(diào)整阻抗匹配，優(yōu)化信號(hào)傳輸，從而降低串?dāng)_”，李祥博士補(bǔ)充道。

Molex信號(hào)完整性專(zhuān)家鄧倩則深入剖析了224G LR 鏈路潛在的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并說(shuō)明可以在長(zhǎng)鏈路中應(yīng)用電纜解決方案來(lái)降低插損。“PCB用low dk low df材料降低損耗，但是在現(xiàn)有材料上，仍然不能搞定全鏈路損耗，需要采用PCB與電纜結(jié)合的方案。”鄧倩提出了針對(duì)性的解決方案。

得潤(rùn)電子CEA事業(yè)部研發(fā)總監(jiān)林宗彪談到可通過(guò)仿真軟件模擬結(jié)構(gòu)并不斷調(diào)整，優(yōu)化阻抗匹配，防止串?dāng)_減少損耗。而設(shè)計(jì)是否能成為現(xiàn)實(shí)，取決于模具加工精度等制成工藝水平能否完全對(duì)照設(shè)計(jì)。

博威合金板帶技術(shù)市場(chǎng)部亞太區(qū)總監(jiān)張敏同樣提到了數(shù)字化仿真的重要性。他指出：“為提高信號(hào)完整性，工程師需要進(jìn)行復(fù)雜或極端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真技術(shù)，我們可以推算出材料需要具備哪些功能性能，來(lái)滿(mǎn)足這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求。同時(shí)，基于這些性能需求參數(shù)，再借助AI大型模型來(lái)計(jì)算出合適的配方和工藝流程，來(lái)實(shí)現(xiàn)這些要求。”張敏詳細(xì)說(shuō)道。

▲博威合金智能選材工具

泰明同金屬總經(jīng)理羅紅玉從材料純度的角度出發(fā)，指出全部用新料與用回收量比例偏高的材料對(duì)連接器的影響是不一樣的。“新料比如電解銅相對(duì)來(lái)說(shuō)純度更高，對(duì)連接器的干擾更少，而加了回收料的產(chǎn)品會(huì)有相對(duì)的雜質(zhì)，影響到信號(hào)的完整性。”羅玉紅解釋道。

02 | SI設(shè)計(jì)難點(diǎn)：如何平衡機(jī)械性與高頻性?

高頻信號(hào)在傳輸過(guò)程中易受反射、串?dāng)_和衰減等影響，導(dǎo)致信號(hào)失真或誤碼。為確保信號(hào)完整性和準(zhǔn)確性，需在PCB、封裝和連接器設(shè)計(jì)中進(jìn)行優(yōu)化。

信號(hào)完整性(SI)是一個(gè)較為寬泛的議題，當(dāng)聚焦于高速連接器領(lǐng)域時(shí)，就不得不談連接器的設(shè)計(jì)。如何在超高速傳輸?shù)目耧j突進(jìn)中，既巧妙降噪，又最大化信號(hào)傳輸量，這已成為高速連接器信號(hào)完整性設(shè)計(jì)的重頭戲。

▲業(yè)界首個(gè)芯片到芯片之間互連的224G產(chǎn)品組合，包括下一代電纜、背板、板對(duì)板連接器和Near-ASIC高速線(xiàn)對(duì)板解決方案，支持的信號(hào)速率高達(dá)224 Gbps-PAM4。

Q：高速連接器要保證信號(hào)完整性有何難點(diǎn)?

得潤(rùn)電子CEA事業(yè)部研發(fā)總監(jiān)林宗彪：連接器設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及材料性能的改善。拿PCle來(lái)講，從第一代、第二代、第三代、第四代、第五代的外形看，它們基本上都是一樣的，但里面的結(jié)構(gòu)卻在優(yōu)化。

Molex信號(hào)完整性專(zhuān)家鄧倩：高速連接器是一個(gè)非常精密的器件，小小一個(gè)就能實(shí)現(xiàn)電的連接，但里面的結(jié)構(gòu)不同會(huì)導(dǎo)致信號(hào)有很大差異。在速率越高的時(shí)候，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)系著連接器的可靠性。

Q：高速連接器的高頻性能與機(jī)械性能應(yīng)該如何平衡?

得潤(rùn)電子CEA事業(yè)部研發(fā)總監(jiān)林宗彪：高頻性能與機(jī)械性能兩者具有矛盾性。連接器端子傳輸路徑越長(zhǎng)，損耗就越大，而連接器端子傳輸路徑變短，機(jī)械性能也會(huì)有相應(yīng)的影響，比如連接器端子變短會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力降服接觸不良、保持力下降等問(wèn)題，塑膠高度變矮也會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度減弱和高溫翹曲等問(wèn)題。銅連接高頻電磁干擾、輻射，回波損耗、插入損耗等都與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有直接的關(guān)聯(lián)。

Molex信號(hào)完整性專(zhuān)家鄧倩：這確實(shí)也是做連接器設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。如果單純從連接器本體來(lái)講，連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受限于加工工藝，會(huì)不可避免地?fù)p害SI性能，那么只能做些研究，比如跟連接器模具的供應(yīng)商做一些最大可能的優(yōu)化。另外客戶(hù)與應(yīng)用連接器工程師需要保持良好溝通，因?yàn)?strong>整機(jī)上面會(huì)有些額外的公差影響連接器的配合，需要看哪種公差視角能夠最好地保證產(chǎn)品性能。

除此之外，對(duì)高速連接器的機(jī)械物理性能進(jìn)行密封性、安全防護(hù)、IP等級(jí)的測(cè)試，能夠體現(xiàn)出高速連接器的物理性能以及信號(hào)完整性，水、塵等異物的侵入會(huì)對(duì)連接器高速互連性能和可靠性產(chǎn)生影響。

廣東中量科技有限公司李記祥經(jīng)理：相比于普通的連接器，高速連接器的要求會(huì)更高。舉個(gè)例子，普通汽車(chē)連接器的IP67、IP68的防護(hù)等級(jí)就能滿(mǎn)足使用要求，而高速信號(hào)線(xiàn)則需要IP6K9K的防護(hù)等級(jí)。此外，高速連接器的密封性測(cè)試至關(guān)重要。如果密封性差，灰塵和雜質(zhì)容易進(jìn)入連接器內(nèi)部，可能會(huì)干擾高速信號(hào)傳輸，使信號(hào)產(chǎn)生衰減、失真甚至中斷。并且良好的密封能減少外界溫濕度變化的干擾，確保內(nèi)部的接觸件等部件在合適的環(huán)境下工作，從而保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

03 | 新材料如何賦能高速連接器?

如果要將連接器的精妙設(shè)計(jì)從藍(lán)圖轉(zhuǎn)化為可量產(chǎn)的成品，材料是繞不開(kāi)的一大核心要素。銅材因其高導(dǎo)電性，在高速互連技術(shù)中扮演著關(guān)鍵角色，主要用于優(yōu)化信號(hào)傳輸效率和實(shí)現(xiàn)高效電磁屏蔽。

▲信號(hào)與屏蔽(左)和非屏蔽(右)連接器的干擾

Q：新材料在高速連接器中的應(yīng)用是怎樣的?

泰明同金屬總經(jīng)理羅紅玉：高速連接器對(duì)材料的要求會(huì)更高一點(diǎn)，對(duì)大電流、抗疲勞的性能要求比傳統(tǒng)的連接器高。材料分切方面需要優(yōu)化設(shè)備、提高精度，力求將毛刺控制在極小范圍內(nèi)，甚至趨近于零瑕疵。異型材方面主要是降低加工的公差、厚度公差，提高穩(wěn)定性。

使用特殊設(shè)計(jì)的異型材料能夠減少對(duì)連接器性能的損耗 圖/泰明同異型材

博威合金板帶技術(shù)市場(chǎng)部亞太區(qū)總監(jiān)張敏：在信號(hào)完整性的嚴(yán)格要求框架下，新材料需要具備三大關(guān)鍵特性：其一，高強(qiáng)度，要足以承受復(fù)雜多變的機(jī)械應(yīng)力、插拔沖擊以及各類(lèi)物理形變;其二，高導(dǎo)電性，可最大程度降低傳輸損耗，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效、保真?zhèn)鬟f;其三，超強(qiáng)耐久性，在長(zhǎng)時(shí)間處于高溫、高濕、強(qiáng)電磁干擾等極端工況下仍能保持穩(wěn)定性能。

“實(shí)際上，在連接器設(shè)計(jì)中，材料的限制往往是關(guān)鍵因素。工藝和材料必須滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，只有這樣，工程師設(shè)計(jì)的信號(hào)完整性才能得以實(shí)現(xiàn)。”對(duì)于這一點(diǎn)，張敏用了“知易行難”來(lái)總結(jié)。

博威合金依托數(shù)字化轉(zhuǎn)型優(yōu)勢(shì)，自主研發(fā)多款材料，已成為新能源汽車(chē)、AI等高科技領(lǐng)域的重要供應(yīng)商

當(dāng)談及新材料行業(yè)在未來(lái)高速連接器領(lǐng)域的應(yīng)用走向時(shí)，羅紅玉坦誠(chéng)地分享了自己的觀察。她談到，就現(xiàn)階段的整體態(tài)勢(shì)而言，行業(yè)尚處于發(fā)展階段，一些廠商為了跑量可能更注重量跟性?xún)r(jià)比。但隨著數(shù)據(jù)中心的蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)高速連接器的要求提高，相應(yīng)地對(duì)材料的應(yīng)用要求也會(huì)提高，有助于推動(dòng)行業(yè)向高精尖方向發(fā)展，“這對(duì)我們來(lái)說(shuō)是個(gè)機(jī)會(huì)”羅紅玉說(shuō)道。

04 | 小結(jié)

隨著AI領(lǐng)域計(jì)算需求的節(jié)節(jié)攀升，計(jì)算架構(gòu)與互連架構(gòu)的門(mén)檻也隨之水漲船高，高速連接器的信號(hào)完整性對(duì)于滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率和實(shí)時(shí)處理能力的需求至關(guān)重要。

在整個(gè)制造流程中，從研發(fā)設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從仿真測(cè)試到模具加工，再到零組件的加工生產(chǎn)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)確保連接器的信號(hào)完整性起著決定性作用。另外，持續(xù)的材料創(chuàng)新和制造技術(shù)改進(jìn)也是提升高速連接器性能的關(guān)鍵因素。

期望整個(gè)上中下游產(chǎn)業(yè)鏈通過(guò)不斷優(yōu)化材料、設(shè)計(jì)和制造流程，實(shí)現(xiàn)高端連接器行業(yè)的技術(shù)升級(jí)與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。

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審核編輯 黃宇