Integración directa de un DSP Bare-Die en AEC de 800G

Se presentó el primer producto de cable activo (AEC) de 800G del mundo con un procesador de señal digital (DSP) barebone en DesignCon 2025. Con un lanzamiento previsto para el cuarto trimestre de 4, esta revolucionaria innovación elimina la capa de encapsulado convencional del chip DSP. En su lugar, el chip desnudo del DSP se integra directamente en el conjunto del cable mediante procesos Chip on Board (COB) y mSAP.

Este novedoso diseño elimina el encapsulado tradicional y las capas intermedias. Gracias a una asignación de pines meticulosamente optimizada, técnicas de encapsulado de vanguardia, una configuración de diseño bien pensada y una terminación refinada de los conductores, el diseño mejora significativamente la integridad de la señal. Además, la integración del chip desnudo ofrece una notable mejora en el rendimiento térmico. A diferencia de los DSP encapsulados convencionales, que suelen presentar una disipación de calor deficiente debido a limitaciones estructurales y son propensos al sobrecalentamiento, lo que compromete la vida útil y el rendimiento de los componentes, el enfoque de chip desnudo permite la aplicación directa de material de interfaz térmica (TIM) y disipadores de calor en la superficie del chip. Esta integración directa mejora sustancialmente la eficiencia térmica, aborda eficazmente los problemas de disipación de calor y garantiza un rendimiento estable incluso a alta velocidad.

Cabe destacar que esta tecnología es vanguardista y compatible con soluciones 224G, lo que la hace idónea para diversas aplicaciones de cableado, tanto en comunicaciones ópticas como en cables de cobre activos. Esta universalidad subraya su gran versatilidad.

En este diseño, las tecnologías COB y mSAP desempeñan un papel fundamental. La tecnología COB implica el montaje y la unión directa del chip semiconductor desnudo a una placa de circuito impreso (PCB), lo que acorta las rutas de interconexión, reduce el espacio físico, mejora la integridad de la señal y disminuye los costes de producción. Por otro lado, la tecnología mSAP se centra en lograr anchos y espaciados de traza extremadamente finos, lo que permite la fabricación de patrones de circuitos de alta precisión que mejoran el rendimiento eléctrico de la PCB. Juntas, estas tecnologías sientan las bases para la miniaturización y el aumento del rendimiento de dispositivos electrónicos avanzados.

Análisis del rendimiento de los DSP empaquetados tradicionales

Se realizó un análisis comparativo de rendimiento con un DSP encapsulado tradicional para evaluar exhaustivamente las ventajas del diseño de matriz desnuda (KGD). El estudio empleó el procesador de señal digital encapsulado Cu-Wave AW100 de Alphawave Semi, integrado en un conjunto de cable de cobre OSFP de 800G.

(1) Simulación de integridad de la señal

Simulación del lado del host

La simulación consideró principalmente la ruta de la señal desde el DSP hasta los contactos dorados del conector en la tarjeta host. Se utilizó Megtron 7 como material de la PCB, caracterizado por una constante dieléctrica (Dk) de 3.3 y un factor de disipación (Df) de 0.0015 a 1 GHz.

A una frecuencia de Nyquist de 26.56 GHz (correspondiente a una señal PAM106.25 de 4 Gbps), los canales receptores RX1 a RX6 presentaron pérdidas de inserción de entre 1.4 dB y 1.6 dB, lo que demuestra una atenuación mínima y una alta eficiencia de transmisión. Además, los valores de pérdida de retorno (RL) se mantuvieron por debajo de -10 dB para frecuencias de hasta 30 GHz, lo que indica una mínima reflexión de la señal y, por lo tanto, contribuye a una integridad de la señal superior y a la fiabilidad del sistema.

En términos de diafonía, los pares de canales adyacentes clave (como RX3–RX5 y RX3–RX1) revelaron niveles de diafonía de extremo cercano (NEXT) alrededor de -48 dB y diafonía de extremo lejano (FEXT) alrededor de -42 dB a 26.56 GHz, lo que confirma una supresión efectiva de la interferencia.

Simulación del lado de la línea

La simulación en el lado de la línea abarcó la ruta completa de la señal desde el DSP hasta la terminación del cable, incluyendo los canales transmisor (TX) y receptor (RX). Debido a las variaciones en la longitud de las trazas y los métodos de enrutamiento, los canales receptores RX6, RX7 y RX8 presentaron diferentes valores de pérdida de inserción. En concreto, el RX6, al beneficiarse de una traza más corta, presentó una pérdida de inserción de aproximadamente 0.6 dB a 26.56 GHz, mientras que el RX7 y el RX8 registraron pérdidas de inserción entre 1.2 dB y 1.3 dB. De igual forma, los canales transmisores TX1, TX2 y TX3 presentaron pérdidas de inserción en el rango de 1.2 dB a 1.5 dB, lo que, en conjunto, indica un rendimiento de transmisión aceptable.

La pérdida de retorno en el extremo de línea se mantuvo por debajo de −11 dB en la frecuencia de Nyquist, lo que demuestra una adaptación de impedancia adecuada y un control eficaz de las reflexiones de la señal. Además, el análisis de diafonía de pares de canales adyacentes, como RX8–RX7 y TX2–RX7, mostró que, a 26.56 GHz, el par RX8–RX7 alcanzó valores de NEXT y FEXT de −48 dB cada uno, mientras que el par TX2–RX7 presentó valores de NEXT de tan solo −58 dB y FEXT de tan solo −60 dB. Estos resultados subrayan la eficacia del diseño para aislar pares diferenciales y reducir significativamente la interferencia.

(2) Simulación térmica

Se realizaron simulaciones térmicas en condiciones rigurosas, con una temperatura ambiente de 70 °C y un consumo de energía inferior a 10 W. El modelo de simulación incorporó el DSP encapsulado Cu-Wave AW100 junto con otros componentes críticos, empleando materiales avanzados de gestión térmica como la grasa térmica Prolimatech PK-3. En la configuración base, utilizando únicamente grasa térmica, la temperatura superficial del DSP alcanzó los 88.2 °C, superando así el límite operativo de 85 °C. Este resultado indica que el diseño base es inadecuado para un funcionamiento fiable en condiciones extremas. Sin embargo, con la adición de una placa de cobre, la temperatura superficial del DSP se redujo eficazmente a 84.9 °C, manteniéndola con éxito dentro de un rango operativo seguro. Este resultado valida la eficacia de combinar materiales de alta conductividad térmica con una interfaz térmica optimizada para abordar los desafíos de disipación de calor.

Ventajas de rendimiento del DSP KGD

El siguiente análisis se centra en el rendimiento del DSP KGD. El DSP Cu-Wave AW100 en la configuración KGD conserva las mismas funcionalidades básicas que su versión encapsulada, compatible con los estándares IEEE 802.3ck Chip-to-Módulo (C2M) y Chip-to-Chip (C2C), además de técnicas de ecualización avanzadas que garantizan una transmisión de señal fiable incluso en canales eléctricos complejos. A diferencia de la versión encapsulada, el DSP KGD se monta directamente en la PCB mediante tecnología de chip invertido. Este método minimiza los efectos parásitos causados ​​por la unión por cable, mejorando así la integridad de la señal y reduciendo la latencia.

Simulación del lado del host

En la simulación del host, los canales del DSP KGD (R1–R6) son equivalentes a los de la versión encapsulada, lo que permite una comparación directa. El análisis de los resultados de pérdida de inserción (IL) a una frecuencia de Nyquist de 26.56 GHz revela que, para la mayoría de los canales, el DSP KGD presenta una mejora de aproximadamente 0.5 dB con respecto a la versión encapsulada. Esta ventaja se debe principalmente a los diámetros de vía más pequeños, que reducen la capacitancia y aumentan la impedancia en aproximadamente 1 ohmio, mejorando así el rendimiento de la transmisión de datos.

En términos de pérdida de retorno (RL), los canales RX1–RX6 del DSP KGD mantienen valores de RL por debajo de –9 dB para frecuencias inferiores a 30 GHz (una mejora de 1 dB en comparación con la versión empaquetada) gracias a una impedancia de traza optimizada que se aproxima más a 87.5 Ω.

Además, la evaluación de diafonía (que examina los canales más desfavorables, como RX3–RX4 NEXT y RX2–RX4 FEXT) indica que el RX3–RX4 NEXT permanece por debajo de –40 dB para frecuencias de hasta 50 GHz, mientras que el canal de diafonía más desfavorable de la versión encapsulada (RX1–RX3) supera los –40 dB a 40 GHz. Esta mejora se debe a un diseño de traza mejorado que aumenta el espaciado entre pares diferenciales, lo que reduce eficazmente la interferencia.

Simulación del lado de la línea

El modelo de simulación del lado de línea se extiende desde el DSP hasta la terminación del cable, evaluando el rendimiento de la señal de inserción (SI) de los canales del transmisor (TX1, TX2, TX3) y del receptor (RX6, RX7, RX8). La pérdida de inserción a 26.56 GHz para el extremo de línea de la tarjeta mezzanine KGD muestra una mejora de aproximadamente 0.2 dB con respecto a la versión encapsulada. En cuanto a la pérdida de retorno, los canales RX1-RX6 del DSP KGD mantienen valores de RL por debajo de -10 dB para frecuencias inferiores a 30 GHz, ligeramente mejor que los de la versión encapsulada.

En cuanto a la diafonía, el análisis de los canales más desfavorables (como RX8–RX7 NEXT y RX8–RX7 FEXT) demuestra que RX8–RX7 FEXT se mantiene por debajo de –40 dB para frecuencias inferiores a 40 GHz. Por el contrario, el canal de diafonía más desfavorable en la versión encapsulada (RX5–RX3) supera los –40 dB a 40 GHz. Este rendimiento superior se debe principalmente al mayor espaciamiento de 40 milésimas de pulgada entre pares diferenciales en el diseño KGD, que optimiza eficazmente la disposición de las trazas y reduce la diafonía.

Simulación Térmica

Gestionar la disipación térmica del chip desnudo del DSP es un desafío, ya que la misma potencia debe disiparse en una superficie menor. En la simulación térmica, se aplicó una potencia máxima inferior a 10 W al chip desnudo del KGD. Se utilizó una tira de cobre de 16 × 68 mm para aumentar el área de disipación térmica, mientras que se aplicó pasta térmica Prolimatech PK-3 entre el chip desnudo y la tira de cobre, así como entre esta y la carcasa metálica. En estas condiciones, con una temperatura ambiente de 70 °C y una potencia máxima inferior a 10 W, la temperatura del chip desnudo se simuló en 84.2 °C, por debajo del límite operativo de 85 °C. Si bien el chip desnudo del KGD ocupa solo una décima parte del área del DSP encapsulado, la solución de material de interfaz térmica (TIM) optimizado, que aprovecha la excelente conductividad térmica de la tira de cobre y su mayor área de contacto, garantiza una disipación térmica eficaz.

Resumen y Outlook

El análisis exhaustivo tanto del DSP encapsulado tradicional como del DSP KGD demuestra claramente que la integración directa del DSP KGD en un conjunto de cable eléctrico activo (AEC) representa un avance significativo en el diseño y el rendimiento de interconexiones de alta velocidad. En comparación con las configuraciones encapsuladas convencionales, el DSP KGD presenta ventajas notables en la integridad de la señal y la eficiencia energética. Al emplear materiales avanzados como tiras de cobre de alta conductividad térmica y grasa térmica Prolimatech PK-3, el diseño aborda eficazmente los desafíos de disipación de calor que impone el tamaño compacto del chip, garantizando que el DSP funcione de forma fiable dentro del rango de temperatura especificado, incluso a máxima potencia. Estos avances allanan el camino para futuras innovaciones en la transmisión de datos de alta velocidad y el rendimiento de los sistemas electrónicos.