Grundlagen zur Signalintegrität

Die Zunahme von Hochleistungsrechenzentren zur Unterstützung künstlicher Intelligenz (KI) macht die Signalintegrität (SI) zu einem entscheidenden Faktor, damit riesige Datenmengen mit immer höheren Raten übertragen werden können. Um SI zu gewährleisten, müssen Konstrukteure Reflexionen, Rauschen und Übersprechen durch ein sorgfältiges Platinenlayout und die Verwendung geeigneter Leiter und Stecker minimieren. Sie müssen auch grundlegende Prinzipien wie Übertragungsleitungen, Impedanz, Rückflussdämpfung und Resonanz verstehen.

In diesem Artikel werden einige der Begriffe vorgestellt, die in der Diskussion über SI verwendet werden, und es wird erläutert, was Entwickler beachten müssen. Anschließend werden beispielhafte Kabel- und Steckverbinderlösungen von Amphenol vorgestellt, um zu zeigen, wie sie den Erfolg des Designs sicherstellen können.

Übertragungsleitungen

Eine Übertragungsleitung besteht aus zwei (oder manchmal drei) Leitern mit einer Länge ungleich Null, die durch ein Dielektrikum getrennt sind (Abbildung 1). Leiter übertragen elektrische Signale zwischen Schaltkreiselementen mit minimalem Verlust oder Verzerrung. Gängige Leiter sind Metalle wie Kupfer, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit, eine hervorragende Übertragung und geringe Leistungsverluste bei relativ geringen Kosten aufweisen. Gold ist ein hervorragender Leiter, aber aufgrund seiner hohen Kosten wird es nur für Anwendungen verwendet, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit erfordern, wie z. B. Steckerstifte und -buchsen. Andere Metalle und Legierungen wurden für bestimmte Anwendungen oder Materialeigenschaften entwickelt.

Abbildung 1: Übertragungsleitungen bestehen aus Leitern, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Die Leiter können parallel oder konzentrisch sein. (Bildquelle: Amphenol)

Dielektrika sind nichtleitende Materialien, die Leiter voneinander trennen, indem sie den Bereich um ihre leitenden Geometrien isolieren. Die Eigenschaften der Dielektrika wirken sich darauf aus, wie Signale über die benachbarten Leiter übertragen werden.

Die Dielektrizitätskonstante (Dk) und der Verlustfaktor (Df) sind wichtige Eigenschaften von Dielektrika, die sich auf Übertragungsleitungen auswirken. Der Dk-Wert bestimmt die Signalausbreitungsgeschwindigkeit auf der Leitung. Ein Material mit einem niedrigeren Dk-Wert hat zum Beispiel eine höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit. Df steht für den Energieverlust innerhalb des Materials auf dem Weg des Signals über die Übertragungsleitung. Ein niedriger Df-Wert bedeutet eine geringere Signaldämpfung, insbesondere bei hohen Frequenzen.

Übliche Dielektrika sind Luft und verschiedene Kunststoffe. Ein typisches Leiterplattensubstrat ist ein Dielektrikum namens „Flammhemmend 4“ (FR-4), ein Verbundstoff aus Glasfasergewebe, das mit flammhemmendem Epoxidharz imprägniert ist.

Standardübertragungsleitungen sind Koaxialkabel, verdrillte Zweidrahtleitungen, Leiterplatten-Streifenleitungen und Leiterplatten-Mikrostreifenleitungen. Die beiden Leiter werden als Signal- und Rücklaufpfad bezeichnet. Die Spannung auf einer Übertragungsleitung wird zwischen den Leitern entlang der Leitung gemessen, und der Strom wird durch einen der beiden Leiter gemessen.

Für die SI ist eine Übertragungsleitung eine verteilte elektrische Komponente, das transversale elektromagnetische (TEM) oder Quasi-TEM-Wellen zwischen zwei Leitern überträgt. Diese Wellen enthalten elektrische (E) und magnetische (H) Wechselfelder, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle verlaufen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Übertragungsleitungen übertragen die Energie entlang der Leitung mithilfe orthogonaler elektrischer und magnetischer Wechselfelder. (Bildquelle: Amphenol)

Ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein sich änderndes magnetisches Feld in Form einer alternierenden Reihe von Feldänderungen, wobei sich die TEM-Welle entlang der Übertragungsleitung in einer Richtung senkrecht zu beiden Feldern ausbreitet.

Übertragungsleitungsverbindungen zwischen Schaltungselementen werden als referenzbezogene oder Differenzverbindungen konfiguriert (Abbildung 3).

Abbildung 3: Übertragungsleitungen können entweder referenzbezogen (unsymmetrisch) mit einem Signal- und einem Rück- oder Masseleiter oder als Differenzverbindung (symmetrisch) mit zwei komplementären Signalleitern und einem Masseleiter konfiguriert werden. (Bildquelle: Amphenol)

Eine referenzbezogene Konfiguration verwendet eine Signalleitung und eine Masseleitung. Die Signale sind nicht identisch, und die Konfiguration wird als unsymmetrischer Ausbreitungsmodus betrachtet. Bei einer Differenzsignalkonfiguration werden zwei komplementäre Signalleitungen und eine Masseleitung verwendet, die im Allgemeinen getrennt verlegt wird. Differenzsignale sind ein Beispiel für eine symmetrische Ausbreitungsart, da das interessierende Signal die mathematische Differenz zwischen den beiden Signalelementen ist.

Impedanz der Übertragungsleitung

Die elektrische Impedanz ist der Widerstand eines Stromkreises gegen einen Strom aufgrund einer angelegten Wechselspannung, gemessen in Ohm (Ω). Die Impedanz ist das komplexe Verhältnis zwischen der Spannung und dem Strom an jedem Punkt des Leiters.

Übertragungsleitungen müssen ihre Impedanz so steuern, dass sie Signale mit hoher Geschwindigkeit und hoher Bandbreite ohne Beeinträchtigung durch Reflexionen übertragen können. Ihre momentane Impedanz ist an jedem Punkt der Leitung konstant und wird als Wellenwiderstand bezeichnet. Leiterbahnbreite, -abstand, -länge und dielektrische Eigenschaften zwischen den Leiterbahnen und der Grundplatte steuern die Impedanz der Übertragungsleitung.

Die charakteristische Impedanz kann als der Widerstand gegen die Energieübertragung betrachtet werden, der mit der Wellenausbreitung in einer Leitung verbunden ist, die viel länger als die Wellenlänge des sich ausbreitenden Signals ist.

Signalreflexionen

Wenn sich ein Signal über eine Übertragungsleitung zu einer Last ausbreitet, deren Impedanz dem Wellenwiderstand der Leitung entspricht, wird das Signal vollständig an die Last übertragen. Wenn die Lastimpedanz von der charakteristischen Impedanz der Leitung abweicht, wird ein Teil der auf die Last einfallenden Energie zur Quelle zurückreflektiert.

Das Verhältnis zwischen der Amplitude der reflektierten Spannung, V_R, und der Amplitude der einfallenden Spannung, V_I, ist der Reflexionskoeffizient (Abbildung 4). Er hängt von der Lastimpedanz (Z_L) und der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung (Z_C) ab.

Abbildung 4: Der Reflexionskoeffizient hängt von der Last und dem Wellenwiderstand der Übertragungsleitung ab. (Bildquelle: Amphenol)

Reflexionen entstehen durch den Übergang eines Signals über eine Grenze, an der die Medien nicht angepasste Impedanzen aufweisen (Abbildung 5). An jeder Schnittstelle bestimmt der Reflexionskoeffizient die Amplitude und Phase der Reflexion. Das Signal am Empfänger ist die Summe aus dem gesendeten Signal und den zeitverzögerten Reflexionen.

Abbildung 5: Das übertragene Signal wird durch die reflektierten Komponenten verzerrt, die sich mit Zeitverzögerungen addieren, die proportional zu den Ausbreitungsverzögerungen des Reflexionspfads sind. (Bildquelle: Amphenol)

Die Verbindung von Z₂ und Z₃ reflektiert einen Teil des einfallenden Signals zurück zum Sender, während der Großteil der einfallenden Energie zum Empfänger gelangt. Das reflektierte Signal trifft auf eine Fehlanpassung im Rücklaufpfad und wird teilweise zum Empfänger zurückreflektiert. Die Flanken des Signals werden mit einer Polarität reflektiert, die davon abhängt, ob die Impedanz an der Verbindungsstelle steigt oder sinkt. Der Zeitpunkt der Reflexionen hängt von der physischen Entfernung zwischen den Knotenpunkten ab. Der Empfänger sieht die Summe aus dem gesendeten Signal und allen Reflexionen.

Beachten Sie, dass das empfangene Signal durch die Addition der Reflexionen ungleichmäßige Spitzen- und Täler aufweist. Wenn die Reflexionsamplituden hoch genug sind, können beim Lesen der Daten Fehler auftreten. Eines der wichtigsten Ziele für die SI ist die Verringerung von Reflexionsanomalien.

Rückflussdämpfung und Einfügedämpfung

Übertragungsleitungen werden sowohl im Frequenzbereich als auch im Zeitbereich charakterisiert. Reflexionen werden als Rückflussdämpfung (RL) in Einheiten von Dezibel (dB) im Frequenzbereich gemessen (Abbildung 6). Der Anteil der einfallenden Leistung, der die Last nicht erreicht, wird durch die Einfügedämpfung (IL) charakterisiert, die ebenfalls in dB gemessen wird. Eine geringere Einfügedämpfung führt zu einer besseren Verbindung.

Abbildung 6: Die Rückflussdämpfung misst die reflektierte Leistung im Frequenzbereich, während die Einfügedämpfung die an der Last empfangene Leistung misst. (Bildquelle: Art Pini)

Der Parameter, der die Einfügedämpfung in Koaxialkabeln beschreibt, ist die Dämpfung pro Längeneinheit, angegeben in dB pro Fuß (dB/ft.) oder dB pro Meter (dB/m).

Rauschen

Rauschen ist jedes unerwünschte Signal, das auf einer Übertragungsleitung auftritt. Reflexionen können als eine Art Rauschen betrachtet werden, das das empfangene Signal verfälschen kann. Rauschen auf einer nicht übertragenden Leitung kann als falsches Signal empfangen werden.

Rauschen kann aus verschiedenen Quellen stammen, z. B. thermisches Rauschen, externe Strahlung, die auf eine Übertragungsleitung einwirkt, und Rauschen von einer anderen Leitung innerhalb desselben Geräts (Übersprechen). Die Energie aus diesen Quellen addiert sich zu den Signalen auf einer Übertragungsleitung. Rauschen wird durch das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) charakterisiert, das das Verhältnis von Signalleistung zu Rauschleistung auf einer Übertragungsleitung darstellt. Je höher das Signal-Rausch-Verhältnis, desto besser ist die Signalqualität.

Nebensprechen

Nebensprechen (oder auch Übersprechen) ist eine Unterkategorie des unerwünschten Rauschens, das auf einer Übertragungsleitung aufgrund von Wechselwirkungen mit elektromagnetischen (EM) Feldern auftritt, die von benachbarten Leitungen ohne direkten Kontakt ausgehen. Das Nebensprechen wird durch kapazitive oder induktive Kopplung von Leitung zu Leitung zwischen einer Aggressor- (Träger-) und einer Opferleitung (Empfänger) verursacht (Abbildung 7).

Abbildung 7: Nebensprechen kann durch kapazitive Einkopplung einer Spannungsänderung oder induktive Einkopplung einer Stromänderung vom Aggressor auf die betroffene Übertragungsleitung verursacht werden. (Bildquelle: Amphenol)

Nebensprechen wird entsprechend der Stelle gekennzeichnet, an der der Betroffene das eingekoppelte Rauschen wahrnimmt. Das Nahnebensprechen (NEXT) tritt auf der Senderseite einer Übertragungsleitung oder eines zu prüfenden Geräts (DUT) auf, während das Fernnebensprechen (FEXT) auf der Empfängerseite auftritt.

Das Nebensprechen kann verringert werden, indem der Abstand zwischen benachbarten Übertragungsleitungen vergrößert, die Pfadlänge verringert, Differenzleitungen verwendet werden, die das gemeinsame Rauschen beider Leitungen auslöschen, Leiterbahnen auf benachbarten Leiterplattenschichten rechtwinklig ausgelegt werden und eine integrierte Erdung und Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI) eingebaut wird.

Resonanz

Resonanz tritt auf, wenn der Weg eines Signals ein Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge des Signals beträgt. An solchen Punkten überlagert das reflektierte Signal die einfallende Welle und verstärkt oder dämpft das übertragene Signal. Die Frequenzen, die diesen Wellenlängen entsprechen, werden als Resonanzen bezeichnet.

Resonanzen können Rauschen verursachen oder Signale verzerren und entstehen durch unterminierte Längen von Übertragungsleitungen, so genannte Stichleitungen, im Signalweg oder durch nicht ideale Erdungsrückleitungen. Abbildung 8 zeigt Resonanzeffekte durch verschiedene Arten von Stichleitungen mit zwei unterschiedlichen Längen auf einem Kanal mit 12 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s).

Abbildung 8: Gezeigt sind Beispiele für Resonanzeffekte aufgrund von Stichleitungen verschiedener Art mit zwei unterschiedlichen Längen auf einem 12-Gbit/s-Kanal. (Bildquelle: Amphenol)

Die rot markierten Stichleitungen haben eine Länge von 0,25 Zoll (in.), was zu einer Resonanzfrequenz von etwa 6 Gigahertz (GHz) führt. Die drei kurzen Stichleitungen unter dem grünen Kästchen haben eine Länge von 0,025 Zoll. Ihre Resonanzfrequenz liegt zehnmal höher, nämlich bei 60 GHz. Beide Spektralverläufe sind im Spektrumanalysator-Plot oben links dargestellt. Das rote Spektrum ist die Reaktion der 0,25-Zoll-Stichleitung, während die grüne Kurve die der 0,025-Zoll-Stichleitung ist. Die 0,25-Zoll-Stichleitung zeigt eine „aussaugende“ Reaktion bei 6 GHz mit einer sehr geringen Amplitude.

Das Augendiagramm in der oberen rechten Ecke überlagert mehrere Bitfolgen von 011, 001, 100 und 110, um eine grafische SI-Messung zu erzeugen. Solange das Auge offen bleibt, ist die Übertragung erfolgreich. Vertikale Augenschließungen sind auf Rauschen, Reflexionen und Nebensprechen zurückzuführen. Horizontale Augenschließungen hängen mit Timing-Problemen wie Jitter zusammen. Die 6-GHz-Resonanz führt aufgrund des Verlusts der Signalamplitude zu einem kollabierten Auge.

SI in Spezifikationen für Verbindungskomponenten

Zu den Verbindungskomponenten, die KI-Prozessoren in Rechenzentren unterstützen, gehören Koaxial- und Twisted-Pair-Kabel, Steckverbinder und Leiterplatten (Abbildung 9). Diese Komponenten werden in der Regel in Bezug auf den Wellenwiderstand und die Bandbreite angegeben. Zu den SI-Spezifikationen gehören Dämpfung, Geschwindigkeitsfaktor, Rückflussdämpfung, Einfügedämpfung und Nebensprechen.

Abbildung 9: Die Unterstützung von KI-Prozessoren in Rechenzentren erfordert Hochgeschwindigkeitskabel und -stecker, um eine genaue und zuverlässige Kommunikation zwischen den Elementen zu gewährleisten. (Bildquelle: Amphenol)

Ein Beispiel für ein Koaxialkabel ist das verlustarme 50Ω-Kabel LMR-400-ULTRAFLEX von Times Microwave Systems, das für den Innen- und Außenbetrieb bei 6 GHz ausgelegt ist. Seine frequenzabhängige Dämpfung beträgt 0,05 dB/ft. bei 900 Megahertz (MHz) und steigt auf 0,13 dB/ft. bei 5,8 GHz. Seine Ausbreitungsgeschwindigkeit, eine Angabe, die bei Reflexionen verwendet wird, beträgt 80 % der Lichtgeschwindigkeit (ein Geschwindigkeitsfaktor von 0,8). Reflexions- und Übertragungsverluste sind längenabhängig und werden in den Spezifikationen für Kabel nicht angegeben.

Komponenten wie Steckverbinder sind etwas anders spezifiziert. Die 112-polige Stiftleiste 10128419-101LF von Amphenol Communications Solutions ist für die Verwendung auf der Busplatine vorgesehen. Er ist für die Verarbeitung digitaler Signale mit einer maximalen Bitrate von 25 bis 56 Gbit/s ausgelegt. Seine Kontakte haben einen Wellenwiderstand von 92 Ω. Da es sich um einen Mehrleitersteckverbinder handelt, sind die Spezifikationen für Einfügungsdämpfung und Übersprechen von entscheidender Bedeutung (Abbildung 10).

Abbildung 10: Dargestellt sind die signifikanten Einfügedämpfungs- und Nebensprechspezifikationen als Funktion der Frequenz für die Stiftleiste 10128419-101LF. (Bildquelle: Amphenol)

Dies sind typische SI-Spezifikationen für Verbindungskomponenten.

Fazit

Signalintegrität (SI) muss während des gesamten Entwurfsprozesses für Hochgeschwindigkeitssysteme wie KI-Rechenzentren berücksichtigt werden. Viele Faktoren können sich auf die SI auswirken, und alle müssen berücksichtigt werden, um ihre Auswirkungen zu mildern. SI kann mit dem richtigen Leiterbahnlayout auf der Leiterplatte und geeigneten Leitern und Steckern maximiert werden.