5G互连设计挑战及其解决方案

围绕5G的势头继续增强，带来了同样的挑战和机遇。安富利跟Molex 全球产品经理麦克·汉森（Mike Hansen）沟通，以了解更多关于铜质互连在下一个高速蜂窝网络发展中的作用。

在互连的世界里，有射频，有光，有铜。随着我们对更多数据的渴求，似乎有一种普遍的趋势是将尽可能多的数据流量转移到光学领域，这在很大程度上是由于它带来的好处，如抗电磁干扰和高速度。

然而，正如任何参与制造业的人都知道的那样，成本在设计决策中起着很大的作用。

在上述三种模式中，只有一种模式可以同时提供电力和数据，因此，它将永远是必要的。但是，我们是否看到了数据用铜线互联的终点？

5G的性能成本

麦克·汉森为这个问题提供了蜂窝网络的背景。"旧的方式是无源天线，用同轴电缆连接到一个大型基带单元，在那里进行解调并转换为光纤进行长途回传。随着4G的发展，运营商开始把远程无线电头放到电线杆上，就在天线的下面。这时，到基带单元的光纤开始变得流行。随着5G的发展，有几个主要的转变。有更多具有大规模MIMO的天线，有新的频段，而且速度也快了很多。因此，除了将远程无线电头带入天线并成为一个有源天线单元外，在这个小盒子里有很多事情要做。"

这些大规模的天线阵列现在需要被解调，从模拟转换为数字，然后进行交换或路由，直到它到达光纤。"汉森解释说："当然，光纤对于从杆上到基带单元的长距离来说非常有效，但我们仍然看到板对板和高速夹层连接器的花销，因为有源天线单元（AAU）里有那么多的板挤叠在里面。

所有传统的铜线与光纤的争论仍然适用，但据汉森说，它正变得更像是一种混合解决方案。"在盒子里面，我们看到的是铜，而在盒子外面则是长距离的光纤。这是一个速度、密度和成本之间的权衡，"他说。就密度而言，铜缆仍然获胜。像Molex 的NearStack技术可以在一个连接器中支持16个和差分对(differential pairs)，而且占地面积非常小。

现在更高的速度的趋势是使用双轴电缆，而不是使用PCB布线，因为它避免了大量的信号损失。一些设计和使用高速开关芯片、SERDES和ASIC的公司不希望因为电路板布线而造成大量损耗。使用双轴铜线是一个很好的解决方案。

汉森说："我们可能会看到一个NearStack连接器紧挨着电路板上的芯片，并直接延伸到QSFP【四通道SFP接口】连接器，所以你在电路板上的损失非常小，因为导线非常短，" 。

虽然PCB制造商在不断改进自己的技术，但阻燃剂4（FR4）仍然是最主要的材料。尽管包括系泊设备指南4（MEG4）、MEG6和MEG7在内的选项是针对高速信号的，但它们不太常见，而且价格较高。使用twinax绕过PCB正变得越来越流行，因为它有效地为数据创造了一个可以从点到点的相对直线传播的天桥，而不是使用正交的PCB线路和可能通过通孔在板的多个层之间移动。

高速接口

从不归零编码（NRZ）到4电平脉冲幅度调制（PAM-4）和56Gbps到112Gbps也是一个重要的设计考虑。向5G的发展很快将更多地依赖于这些高速信号的路由。"我们在设计时当然会考虑到这一点。即使制造商今天没有完全采用56或112 Gbps的PAM-4，至少我们也为它准备好连接器。"汉森说。

汉森认为这是连接系统的另一个优势，因为它提供了固有的模块化。"当你连接时，你可以在几年后很容易地换上卡或更好的硅。让我这样说吧。我们为NearStack开发的任何新的连接器都将是112Gbps，PAM-4能力。

设计具有这种性能水平的连接器没有单一的技巧。Hansen解释说，Molex 关注的是整个通道。这包括如何将其插入PCB，连接器横梁的几何形状，如何将电介质置于横梁之间，间距和配合界面。"我们的审视是从端到端的，"他说。"我们这样做已经30几年了，这很有帮助。随着速度的提高，我们已经发展了我们的几何形状来满足对速度的需求，同时保持密度的要求。"

电缆组装创新

在电缆组装解决方案方面也有创新。"我们创造了一种独特的直接接触焊接终端，其中导线直接焊接到信号触点上。这使得它具有高度的可重复性，这对SI来说是很好的。我们做的另一件事是使用高性能的twinax"。Molex 还拥有一家twinax制造商，因此在避免与采购材料有关的供应链问题方面处于有利地位。

连接器在投产前进行建模，并在整个过程中进行测试和调整，以便对讯号完整性（SI）进行优化。据汉森说，这已成为Molex的核心设计原则。该公司还在前端做了大量的模拟，使SI工程师更容易把电缆组件模型，放到他们自己的系统模型中，看看它的性能如何。这意味着整个高速通道都可以被模拟。据汉森说，客户的经验是，真实世界的结果与模拟结果相吻合。

Molex 向客户提供其连接器的所有模型和S参数，以实现这种水平的设计模拟。在向使用高速信号的制造商供货时，提供模型正迅速成为进入成本。这也延伸到了所有长度的电缆组件的模型。

Molex 现在提供的独特连接器解决方案之一是NearStack On-the-Substrate（在基板上）选项。顾名思义，这是将连接器直接放在芯片的基板上。这可能听起来非常酷（因为确实酷），但它也有很多独特的设计挑战。由于这个原因，它需要与客户进行大量的密切协作，它真正针对的是客户开发自己的芯片和机箱，以便他们能够实现这种水平的直接连接。

可以理解的是，On-the-Substrate连接器的性能确实很好。然而，同样可以理解的是，许多客户无法将连接器直接安装在基材上。即将推出的解决方案是NearStack HD。它提供了同样的性能，但安装在PCB上，而不是基板上。"汉森说："我们称之为'近芯片放置'而不是'芯片上放置'。这意味着你现在可以把高速连接器放在PCB上，使它更容易使用。这也将有助于填补NearStack产品组合的空白。

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