AI賦能下的數(shù)據(jù)中心正催生高速互連技術(shù)升級，高速連接器如何保證信號完整性，實現(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，不得不用“爆發(fā)”二字形容。

蘋果與Open AI的深度合作使得AI手機概念爆火;蘿卜快跑等無人駕駛汽車逐漸實現(xiàn)規(guī)?；\營，特斯拉Optimus機器人等人形機器人技術(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、無人駕駛汽車、人形機器人等前沿應(yīng)用，更促使數(shù)據(jù)中心加速向大帶寬時代邁進(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，其信號完整性問題愈發(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完整性這一關(guān)鍵議題，《國際線纜與連接》特別邀請了來自英特爾數(shù)據(jù)中心和人工智能集團首席工程師李祥博士、Molex信號完整性專家鄧倩、得潤電子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、測試廠商等多元視角，對高速連接器的SI設(shè)計、新材料應(yīng)用等關(guān)鍵話題展開了一場全面且深入的對話。

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互連線路、連接器及其他元件構(gòu)成，信號經(jīng)由PCB上的線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、信號傳輸速度、屏蔽效果、機械耐久性和溫度等多種因素的影響。

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

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

Molex信號完整性專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)，并說明可以在長鏈路中應(yīng)用電纜解決方案來降低插損?！癙CB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?！编囐惶岢隽酸槍π缘慕鉀Q方案。

得潤電子CEA事業(yè)部研發(fā)總監(jiān)林宗彪談到可通過仿真軟件模擬結(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)計是否能成為現(xiàn)實，取決于模具加工精度等制成工藝水平能否完全對照設(shè)計。

博威合金板帶技術(shù)市場部亞太區(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。通過仿真技術(shù)，我們可以推算出材料需要具備哪些功能性能，來滿足這些結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求。同時，基于這些性能需求參數(shù)，再借助AI大型模型來計算出合適的配方和工藝流程，來實現(xiàn)這些要求?！睆埫粼敿?xì)說道。

▲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連接器的影響是不一樣的。“新料比如電解銅相對來說純度更高，對連接器的干擾更少，而加了回收料的產(chǎn)品會有相對的雜質(zhì)，影響到信號的完整性?！绷_玉紅解釋道。

02 | SI設(shè)計難點：如何平衡機械性與高頻性?

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

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

▲業(yè)界首個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、板對板連接器和Near-ASIC高速線對板解決方案，支持的信號速率高達(dá)224 Gbps-PAM4。

Q：高速連接器要保證信號完整性有何難點?

得潤電子CEA事業(yè)部研發(fā)總監(jiān)林宗彪：連接器設(shè)計難點在于結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及材料性能的改善。拿PCle來講，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信號完整性專家鄧倩：高速連接器是一個非常精密的器件，小小一個就能實現(xiàn)電的連接，但里面的結(jié)構(gòu)不同會導(dǎo)致信號有很大差異。在速率越高的時候，結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)系著連接器的可靠性。

Q：高速連接器的高頻性能與機械性能應(yīng)該如何平衡?

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

Molex信號完整性專家鄧倩：這確實也是做連接器設(shè)計的一個難點。如果單純從連接器本體來講，連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計受限于加工工藝，會不可避免地?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。另外客戶與應(yīng)用連接器工程師需要保持良好溝通，因為整機上面會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，對高速連接器的機械物理性能進(jìn)行密封性、安全防護、IP等級的測試，能夠體現(xiàn)出高速連接器的物理性能以及信號完整性，水、塵等異物的侵入會對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更高。舉個例子，普通汽車連接器的IP67、IP68的防護等級就能滿足使用要求，而高速信號線則需要IP6K9K的防護等級。此外，高速連接器的密封性測試至關(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，可能會干擾高速信號傳輸，使信號產(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)計從藍(lán)圖轉(zhuǎn)化為可量產(chǎn)的成品，材料是繞不開的一大核心要素。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)化信號傳輸效率和實現(xiàn)高效電磁屏蔽。

▲信號與屏蔽(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：高速連接器對材料的要求會更高一點，對大電流、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)計的異型材料能夠減少對連接器性能的損耗 圖/泰明同異型材

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

“實際上，在連接器設(shè)計中，材料的限制往往是關(guān)鍵因素。工藝和材料必須滿足設(shè)計要求，只有這樣，工程師設(shè)計的信號完整性才能得以實現(xiàn)?！睂τ谶@一點，張敏用了“知易行難”來總結(jié)。

博威合金依托數(shù)字化轉(zhuǎn)型優(yōu)勢，自主研發(fā)多款材料，已成為新能源汽車、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)在未來高速連接器領(lǐng)域的應(yīng)用走向時，羅紅玉坦誠地分享了自己的觀察。她談到，就現(xiàn)階段的整體態(tài)勢而言，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價比。但隨著數(shù)據(jù)中心的蓬勃發(fā)展，市場對高速連接器的要求提高，相應(yīng)地對材料的應(yīng)用要求也會提高，有助于推動行業(yè)向高精尖方向發(fā)展，“這對我們來說是個機會”羅紅玉說道。

04 | 小結(jié)

隨著AI領(lǐng)域計算需求的節(jié)節(jié)攀升，計算架構(gòu)與互連架構(gòu)的門檻也隨之水漲船高，高速連接器的信號完整性對于滿足大數(shù)據(jù)和人工智能時代對數(shù)據(jù)傳輸速率和實時處理能力的需求至關(guān)重要。

在整個制造流程中，從研發(fā)設(shè)計到結(jié)構(gòu)設(shè)計，從仿真測試到模具加工，再到零組件的加工生產(chǎn)，每一個環(huán)節(jié)都對確保連接器的信號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。

期望整個上中下游產(chǎn)業(yè)鏈通過不斷優(yōu)化材料、設(shè)計和制造流程，實現(xiàn)高端連接器行業(yè)的技術(shù)升級與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。

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審核編輯 黃宇