云技術(shù)中的高速連接器電源設計挑戰

轉向使用 10G 以太網(wǎng)以后，信號完整性問(wèn)題更加突出，無(wú)源線(xiàn)纜開(kāi)始使用更大標準線(xiàn)來(lái)補償。氣流/彎曲半徑問(wèn)題開(kāi)始顯現，安裝人員/設計人員開(kāi)始想要使用光纖連接來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。轉向使用光纖帶來(lái)了一些問(wèn)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。使用數以萬(wàn)計的端口時(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(wèn)題也隨之出現（機架溫度上升）。

線(xiàn)纜連接問(wèn)題
如果用于高速連接的無(wú)源線(xiàn)纜受到體積龐大和彎曲半徑問(wèn)題的困擾，則光纖解決方案的問(wèn)題便是高功耗和高成本?？雌饋?lái)，似乎必須使用一種折中辦法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。答案就是一種被稱(chēng)作“有源銅線(xiàn)”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體外殼中，以對由小標號線(xiàn)引起的高頻損耗進(jìn)行補償。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號線(xiàn)。如 DS100BR111 等設備使用 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(xiàn)應用。

應用于 10 Gbps 以太網(wǎng)時(shí)，大多數情況下這種能夠提高線(xiàn)纜信號完整性的技術(shù)僅限于 15 米以下的連線(xiàn)長(cháng)度。但是，如前所述，大多數連接線(xiàn)都在 3 米以下，可輕松地使用有源銅線(xiàn)替換無(wú)源或者光纖線(xiàn)。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(mǎn)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）遠距離（大于 1000 米）通信。更長(cháng)的光纖連接形成我們現代互聯(lián)網(wǎng)基礎設施的骨干網(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 等在內的各大公司，于 2011 年 3 月批準了一個(gè) 10 x 10 Gbps 多源協(xié)議 (MSA)，用于物理媒介依賴(lài) (PMD) 子層，其為 C 形狀系數 (CFP) 模塊提供一種通用架構。

CFP 連接器適用于要求 100 Gbps 通信的低數目/長(cháng)距離連接。但是，SFP 和四通道SPF接口 (QSFP) 連接器擁有更高的密度，本地開(kāi)關(guān)和路由器均要求這種高密度。今天，通過(guò)組合四條 10 Gbps 數據通道，四通道 SFP 連接器用于 40 Gbps 以太網(wǎng)。下一步的發(fā)展將是從 10 Gbps 轉到 25 Gbps 通道。它通過(guò)一些小 QSFP 連接器提供相當于 100 Gbps 的數據傳輸，并為一些不支持 100 Gbps 標準的 40 Gbps 以太網(wǎng)系統提供向后兼容模式。最終，這種形狀系數可用于光纖模塊，因為不再需要 CFP模塊使用的 10 到 4 通道轉換。

這種技術(shù)已經(jīng)數家廠(chǎng)商多次證明，為廣大基礎設施設計人員提供了一種轉到高速連接的路線(xiàn)圖。但是，開(kāi)關(guān)或者服務(wù)器背后的互連并非是出現這種問(wèn)題的唯一地方。服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò )存儲設備內部的各種電氣連接都存在相同的問(wèn)題。

距離是你的敵人
一個(gè)數字位的波形橫向傳輸線(xiàn)路和連接器，因此物理學(xué)開(kāi)始起作用，并試圖通過(guò)阻抗錯配和相鄰通道串擾引起的頻率反射型可變衰減，完全破壞原始信號。數據本身也存在問(wèn)題，因為之前發(fā)送的符號干擾了傳輸中的當前位。這被稱(chēng)作符號間干擾，即 ISI。信號通過(guò) ASIC 到路由器或者開(kāi)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(xiàn)無(wú)誤差位傳輸的相同效應，也在這里發(fā)揮作用。

以前的一些設計，開(kāi)關(guān)ASIC使用多條慢數據通路（一般為3.125 Gbps），連接到某個(gè)物理層設備（PHY），以在SFP連接器構建10 Gbps NRZ連接。PHY的位置非?？拷谖锢磉B接器，因此信號完整性損失得到最小化。但是，由于 ASIC 技術(shù)轉而使用更小的幾何外形，吸納 10 Gbps 接口的高速連接便成為一種內在要求。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(xiàn)纜信號損失的相同設備現在也正用于高性能路由器、開(kāi)關(guān)和服務(wù)器內部連接。使用低功耗緩沖中斷器和重定時(shí)器時(shí)，可使用標準 FR-4 PCB 材料（控制成本），并且功耗非常低。實(shí)際上，這些設備以一種類(lèi)似的方式用于 10 Gbps NRZ以太網(wǎng) PHY，以恢復數據和再計時(shí)數據，滿(mǎn)足連接器規范。

達標努力
在服務(wù)器中，包括 PCI express (PCIe) 在內的標準比比皆是。由于數據傳輸速率更高，內核處理器向（自）內核傳輸信息的能力，推動(dòng) PCIe 等標準不斷提高傳輸速度。最新的標準為第 3 代，其標稱(chēng)擁有 8 Gbps 的連接速度。如前所述，在許多情況下，設備內部物理距離不變，歸因于處理器硬件、連接器數目和間隔。服務(wù)器也不例外，同樣受到信號完整性問(wèn)題和功耗的困擾。前面使用第 1 代或者第 2 代PCIe 的一些設計，只要小心謹慎地布局和選擇連接器，便能夠滿(mǎn)足操作規范。但是，隨著(zhù)服務(wù)器轉向第 3 代，電路板材料和連接器正對信號完整性產(chǎn)生影響，以致于不再能夠滿(mǎn)足這種標準。

如 PCIe 等標準帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題，讓問(wèn)題的解決更加困難，而同時(shí)還要保持低功耗。這個(gè)問(wèn)題便是帶外 (OoB) 信號傳輸，其出現在通道早期訓練過(guò)程。由于在通道接入時(shí)標準 PCIe 板并不了解，因此它必須與根組件溝通，并對通道做出調節，以幫助維持信號完整性。這種通信在帶外完成，并且如果失?。ㄒ蚬适艿阶枞?，通道便無(wú)法初始化。

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

其他廠(chǎng)商通過(guò)使用一種模擬方法對帶內和帶外信號進(jìn)行調節（去除了所有信息處理），暫時(shí)解決了這個(gè)問(wèn)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，有效縮短了末節點(diǎn)和根組件之間的通道距離，其不干擾帶外過(guò)程，大大改善了 8 Gbps 數據信號完整性，同時(shí)能耗更小。

其他改善方面
我們的信息基礎設施正不斷增長(cháng)，以滿(mǎn)足日益增加的用戶(hù)數和技術(shù)（例如：云計算等）需求。連接功耗預算只是這些系統總功耗的一部分而已。各大廠(chǎng)商都在尋找一種方法，以產(chǎn)生更低連接功耗的內核。由于A(yíng)RM內核的易用性和極低的功耗，人們對于在云服務(wù)器中使用這種引擎的關(guān)注度正不斷上升。另外，一些專(zhuān)用處理器也使用其各自的方法進(jìn)入到信息基礎設施中提供各種服務(wù)，例如：視頻和圖像實(shí)時(shí)轉碼、語(yǔ)音識別等等。這些專(zhuān)用服務(wù)通常要求在通用處理器中執行浮點(diǎn)運算功能。這些專(zhuān)用處理器提供許多高能效的方法，執行相同運算功能。

結論
隨著(zhù)云計算和存儲在規模和容量方面都不斷增長(cháng)，節點(diǎn)之間的連接能力也不斷提高。設計人員面臨的挑戰會(huì )是在不斷增加網(wǎng)絡(luò )數據吞吐量的同時(shí)，維持最低的功率。這些解決方案不僅受到來(lái)自日益增長(cháng)的高帶寬要求的挑戰，而且也會(huì )達到功耗最小化的上限。