5G相互接続の設計上の課題とそのソリューション

5Gを取り巻く勢いは増し続けており、挑戦と機会を同等の尺度でもたらしている。アヴネットは、Molexのグローバル製品マネージャであるMike Hansen氏に、次の高速セルラーネットワークの開発における銅配線の役割について話を聞きました。

相互接続の世界には、RF、光ファイバー、銅線があります。より多くのデータへの渇望に伴い、大部分はEMI耐性や高速などの利点のために、データトラフィックの大部分を光ドメインに移動する一般的な傾向があるように思われます。

しかし、製造業界のあらゆるレベルの関係者が知っているように、設計の決定にはコストが大きな役割を果たします。

前述の3つのモードのうち、電力とデータの両方を提供できるのは1つだけであり、そのために常に必要となります。しかし、データ用の銅線相互接続は終わりを迎えているのでしょうか。

5Gパフォーマンスのコスト

Mike Hansen氏は、この問題のセルラーコンテキストを提供します。「従来の方法はパッシブアンテナであり、同軸ケーブルは大きなベースバンド装置まで流れ、そこで復調され、長いバックホールのためにファイバーに変換されます。4 Gでは、オペレーターがアンテナの真下にある電柱にリモート無線ヘッドを取り付け始めました。その頃、ベースバンドユニットまでのファイバーが普及し始めました。5 Gには大きな変化がいくつかあります。膨大な数のMIMOを備えたアンテナが増え、新しい周波数帯が登場し、すべてがはるかに高速になっています。したがって、リモート無線ヘッドをアンテナに接続してアクティブなアンテナユニットにすることに加えて、比較的小さなボックス内で多くのことが行われています。」

このような巨大なアンテナアレイは、復調され、アナログからデジタルに変換され、ファイバーに到達するまでスイッチされるか、ルーティングされる必要があります。「もちろん、このファイバーは、ポールからベースバンドユニットまでの長い距離には適していますが、アクティブアンテナユニット (AAU) には非常に多くのボードが詰め込まれているため、ボード間コネクタや高速メザニンコネクタの見積もりがまだ出ています。」とHansen氏は説明します。

従来の銅線対ファイバーの議論は今でも通用しますが、Hansen氏によると、ハイブリッドなソリューションになりつつあると言います。「箱の中には銅が入っていて、箱の外には長距離にわたってファイバーが入っています。速度、密度、コストのトレードオフです。密度の点では、銅の方が勝っています。MolexのNearStackのような技術は、一つのコネクタで16の差動ペアを非常に小さな設置面積でサポートできます。

高速化のトレンドは、多くの信号損失を回避するために、PCBトレースを使用するのではなく、twinaxを介してルーティングすることです。高速スイッチングチップを設計し、使用している企業の中には、SERDESやASICがボードを経由して大量の損失を出したくないと考えているところもある。twinaxを使うのは良い解決策です。

「NearStackコネクタがボード上のチップのすぐ隣にあり、QSFP (quad small form factor) コネクタにつながっているのが見えるかもしれません。」とHansen氏。

PCBメーカーは常に独自の技術を改良していますが、難燃剤4 (FR 4) は依然として主要材料です。Mooring Equipment Guidelines 4 (MEG 4) 、MEG 6、MEG 7などのオプションは高速シグナリングを目的としていますが、一般的ではなく、より高価です。PCBをバイパスするためにtwinaxを使用することは、直交PCBトレースを使用してルーティングされ、おそらくビアを介して複数の層の間を移動する代わりに、点から点へ比較的直線的に移動することができるデータ用のオーバーパスを効果的に作成するので、一般的になりつつあります。

高速インターフェイス

ノンリターンツーゼロ (NRZ) からパルス振幅変調4レベル (PAM-4) へ、および56 Gbpsから112 Gbpsへの移行も、設計上の重要な考慮事項です。5 Gへの移行は、これらの高速信号のルーティングにより近いうちに依存するようになるでしょう。「私たちはそれを念頭に置いて設計しています。現在、メーカーが56 Gbpsや112 GbpsのPAM-4をフルに搭載していなくても、少なくともコネクタは用意できています。」とHansen氏。

Hansen氏はこれを、固有のモジュール性を提供するシステムを接続するもう1つの利点だと考えています。「数年後にカードやより優れたシリコンと交換するのは、接続する時にとても簡単です。私たちがNearStack用に開発する新しいコネクタはすべて112 Gbpsで、PAM-4に対応しています。」

このレベルのパフォーマンスを持つコネクタを設計するためのトリックはありません。Hansen氏は、Molexはチャンネル全体を見ていると説明しました。これには、PCBへの挿入方法、コネクタのビームの形状、ビーム間の誘電体の配置方法、間隔、および相手側のインターフェースが含まれます。「私たちはそれを端から端まで見ています」 と彼は言います。「私たちがこれを30年間続けてきたことが助けになります。速度が向上するにつれて、密度の要件を維持しながら速度の要件を満たすようにジオメトリを進化させてきました。」

ケーブルアセンブリの革新

ケーブルアセンブリソリューションにも革新があります。「ワイヤを信号接点に直接溶接する独自の直接接触溶接終端を作成しました。このため、繰り返し性が高く、SIに最適です。もう1つの方法は高性能のTwinaxを使うことです」MolexはTwinaxのメーカーも所有しているので、原料調達に関するサプライチェーンの問題を回避するには良い立場にあるのです。

コネクタは、製造工程に入る前にモデル化され、SI用に最適化するためにプロセス全体にわたってテストと調整が行われます。Hansen氏によると、これはMolexの中核的な設計思想になっているそうです。また、同社はフロントエンドで多くのシミュレーションを行っているため、SIエンジニアはケーブルアセンブリモデルを取得し、それを独自のシステムモデルに組み込んで、そのパフォーマンスを確認することが容易になります。つまり、高速チャネル全体をシミュレートできます。Hansen氏によると、顧客にとっての経験は、現実世界の結果がシミュレーションと一致することだそうです。

Molexは、すべてのモデルとコネクタのSパラメータをお客様に提供し、このレベルの設計シミュレーションを可能にします。高速信号を使用してメーカーに供給する場合、モデルの提供は急速に参入コストになっています。これは、すべての長さのケーブルアセンブリのモデルに適用されます。

Molexが現在提供しているユニークなコネクタソリューションの1つがNearStack On-the-Substrateオプションです。名前が示すように、これによりコネクタがチップの基板上に直接配置されます。これはとてもクールに聞こえるかもしれませんが (実際そうなのですから) 、ユニークなデザイン上の課題もたくさんあります。そのため、お客様との緊密なコラボレーションが必要になります。また、お客様が独自のチップとシャーシを開発して、そのレベルの直接接続を実装できるようにすることを目的としています。

On-the-Substrateコネクタのパフォーマンスは、当然ながら非常に優れています。しかし、当然のことながら、多くの顧客は、コネクタを基板上に直接取り付ける位置にいない。この問題を解決するのがNearStack HDだ。これは同じ性能を提供するが、基板ではなくPCB上に実装される。「私たちはそれを 『オンチップ配置』 ではなく『ニアチップ配置』と呼んでいます。」とHansen氏。これにより、高速コネクタをPCB上に配置できるようになり、使いやすくなります。NearStackのポートフォリオを充実させるのにも役立つでしょう。

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