Le sfide dell’interconnessione 5G e le loro soluzioni

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Il punto di vista di Molex. A cura di Giacomo Mussari – Business Development Manager, Avnet Abacus

Lo sviluppo dei sistemi 5G continua a crescere, comportando sfide e opportunità in egual misura. Avnet Abacus ha intervistato Mike Hansen, Global Product Manager di Molex, per saperne di più sul ruolo svolto dall’interconnessione in rame nello sviluppo della rete cellulare ad alta velocità di nuova generazione.

Nel mondo dell’interconnessione, c’è la radiofrequenza, c’è l’ottica e c’è il rame. La nostra sete di dati ha messo in luce una tendenza generale: spostare la maggior parte del traffico dati nel dominio ottico. Tale aspetto è dovuto in gran parte ai vantaggi offerti, per esempio la resistenza agli effetti EMI e le alte velocità.

Tuttavia, come sa chiunque sia coinvolto a qualsiasi livello nell’industria manifatturiera, il costo gioca un ruolo essenziale nelle decisioni di progettazione. Delle tre modalità sopra menzionate, solo una può gestire sia l’alimentazione che i dati e per questo sarà sempre più necessaria. Stiamo davvero per assistere al tramonto dell’interconnessione dati su rame?

Il costo delle prestazioni 5G

Mike Hansen riconduce questa domanda al contesto cellulare. “La vecchia modalità prevedeva un’antenna passiva, con cavi coassiali discendenti verso una grande unità in banda base che si occupava di demodulare i dati e convertirli in formati idonei per la trasmissione sulla lunga distanza mediante fibra ottica. Con il 4G, gli operatori hanno iniziato a posizionare le teste radio remote su palo, proprio sotto le antenne. Grazie a questa configurazione hanno iniziato a diffondersi i collegamenti in fibra fino all’unità in banda base. Con il 5G si assiste ad alcuni cambiamenti importanti. Ci sono molte più antenne basate su strategia MIMO massiva, ci sono nuove bande di frequenza ed è tutto molto più veloce. Quindi, oltre a integrare la testa radio remota nell’antenna trasformando il tutto in un’unità attiva, ci sono moltissime attività da svolgere in un’unità relativamente piccola.”

Questi enormi array di antenne ora devono essere demodulati, convertiti da analogico a digitale e commutati o instradati fino a raggiungere la fibra. “Naturalmente, la fibra è una soluzione ideale per la lunga tratta dal palo fino all’unità in banda base, ma stiamo ancora vedendo preventivi con connettori scheda-scheda e mezzanino ad alta velocità: infatti, ci sono tantissime schede stipate nell’unità d’antenna attiva (AAU)”, ha spiegato Hansen.

Tutte le tradizionali caratteristiche rame-fibra sono ancora valide, ma secondo Hansen si sta andando sempre più verso una soluzione ibrida. “All’interno dell’unità, vediamo rame e fibra convivere sulle lunghe distanze. È un compromesso tra velocità, densità e costi”, ha affermato. In termini di densità, il rame vince ancora. Tecnologie come NearStack di Molex possono supportare 16 coppie differenziali in un connettore con un ingombro molto ridotto.

La tendenza verso una maggiore velocità è quella di instradare su twinax (biassiale) piuttosto che utilizzare tracce PCB poiché ciò evita molte perdite di segnale. Alcune delle aziende che progettano e utilizzano chip di commutazione ad alta velocità, SERDES e ASIC non vogliono passare attraverso una scheda e introdurre ulteriori perdite. L’uso di componenti twinax è una buona soluzione.

“Potremmo avere un connettore NearStack installato proprio accanto al chip sulla scheda e passare direttamente a un connettore QSFP [quad small form factor], quindi le perdite nella scheda sono pochissime perché le tracce sono corte”, ha detto Hansen.

Benché i produttori di PCB migliorino costantemente le proprie tecnologie, il materiale ignifugo 4 (FR4) domina ancora. Sebbene alcune opzioni, tra cui le Mooring Equipment Guidelines 4 (MEG4), MEG6 e MEG7, siano finalizzate alla segnalazione ad alta velocità, sono meno comuni e più costose. L’uso della soluzione twinax per bypassare il PCB sta diffondendosi in quanto crea una efficace corsia preferenziale per i dati, i quali possono viaggiare su un collegamento relativamente rettilineo da un punto all’altro invece di utilizzare tracce PCB ortogonali o addirittura spostarsi tra più strati attraverso delle vias.

L’interfaccia ad alta velocità

Anche il passaggio dal non-ritorno-a-zero (NRZ) alla modulazione ad ampiezza d’impulso a 4 livelli (PAM-4) e dai 56 Gbps ai 112 Gbps rappresentano importanti considerazioni di progettazione. Presto, il passaggio al 5G si baserà principalmente sulla possibilità di instradare questi segnali ad alta velocità. “Stiamo sicuramente progettando tenendo conto di questo. Anche se i produttori non passeranno completamente a schemi PAM-4 a 56 o 112 Gbps, avremo almeno dei connettori pronti per farlo”, ha detto Hansen.

Hansen vede in questo un ulteriore vantaggio della connettorizzazione di sistema, la quale fornisce una modularità intrinseca. “Quando si connettorizza, è possibile sostituire le schede o migliorare il silicio abbastanza facilmente anche anni dopo. Mettiamola così: qualsiasi nuovo connettore per NearStack che sviluppiamo sarà a 112 Gbps e sarà compatibile PAM-4″.

Non esiste uno stratagemma unico per progettare un connettore con questo livello di prestazioni. Hansen ha spiegato che Molex considera l’intero canale. Ciò include il modo in cui il connettore è inserito nel PCB, la geometria dei terminali, il modo in cui il dielettrico è posizionato tra i terminali, la spaziatura e l’interfaccia di accoppiamento… “Lo consideriamo da cima a fondo”, ha detto. “Il fatto che lo facciamo da 30 anni ci aiuta. Man mano che le velocità sono aumentate, abbiamo sempre fatto evolvere le nostre geometrie per soddisfare le esigenze mantenendo i requisiti di densità”.

Innovazioni nei cavi assemblati

C’è stata anche una forte innovazione per quanto riguarda le soluzioni di assemblaggio dei cavi. “Abbiamo creato un’esclusiva terminazione di saldatura a contatto diretto in cui i fili sono saldati direttamente al contatto di segnale. Questo la rende altamente ripetibile, il che è ottimo in termini di SI. L’altra cosa che facciamo è usare la configurazione twinax ad alte prestazioni. Molex è proprietaria di un produttore di componenti twinax, quindi vanta una buona posizione per evitare i problemi associati all’approvvigionamento dei materiali.”

I connettori vengono modellati prima di andare in produzione, con test e messe a punto effettuati durante il processo di ottimizzazione dei parametri SI. Secondo Hansen, questo è diventato un principio di progettazione fondamentale per Molex. L’azienda esegue anche molte simulazioni a livello di front-end, semplificando agli ingegneri SI l’acquisizione di un modello del cavo assemblato, l’inserimento nel proprio modello di sistema e la verifica deli effetti. Ciò significa che può essere simulato l’intero canale ad alta velocità. Secondo Hansen, per i clienti ciò significa che i risultati del mondo reale corrispondono a quelli di simulazione.

Molex fornisce ai clienti tutti i modelli e i parametri S dei propri connettori, consentendo loro di conseguire un elevato livello di simulazione in fase di progettazione. La fornitura dei modelli sta rapidamente diventando la barriera d’ingresso per diventare fornitori di produttori che utilizzano segnali ad alta velocità. Ciò riguarda anche i modelli dei cavi assemblati, di qualsiasi lunghezza.

Una delle soluzioni di connessione uniche che Molex offre attualmente è l’opzione NearStack “On-the-Substrate”. Come suggerisce il nome, il connettore si trova direttamente sul substrato del chip. Ciò può sembrare davvero interessante (perché lo è) ma presenta anche molte sfide di design. Per questo motivo, ci vuole molta collaborazione con il cliente. Tale approccio è rivolto ai clienti che sviluppano in proprio chip e chassis, il quanto permette loro di implementare un approccio di connessione molto diretto.

Le prestazioni del connettore On-the-Substrate sono, ovviamente, davvero buone. Tuttavia, come comprensibile, molti clienti non sono in grado di assemblare il connettore direttamente sul substrato. La soluzione, presto in campionamento, è NearStack HD. Questo sistema offre le stesse prestazioni ma si assembla sul PCB piuttosto che sul substrato. “Lo chiamiamo <posizionamento vicino al chip> piuttosto che <posizionamento sul chip>”, conclude Mike Hansen. Significa che ora è possibile inserire il connettore ad alta velocità sul PCB, semplificando il suo utilizzo. Aiuterà anche a completare la linea di prodotti NearStack.

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