Прямая интеграция Bare-Die DSP в 800G AEC

Представлен первый в мире продукт 800G active cable (AEC) с barebone-процессором цифрового сигнала (DSP) на DesignCon 2025. Запланированный на выпуск в четвертом квартале 4 года, этот прорывной инновационный продукт удаляет обычный слой упаковки чипа DSP. Вместо этого голый кристалл DSP напрямую встраивается в кабельную сборку с использованием процессов Chip on Board (COB) и mSAP.

Эта новая конструкция исключает традиционную упаковку и промежуточные слои. Благодаря тщательно оптимизированному отображению выводов, передовым методам упаковки, продуманной конфигурации компоновки и усовершенствованной терминации проводников конструкция значительно повышает целостность сигнала. Более того, интеграция голого кристалла обеспечивает заметное улучшение тепловых характеристик. В отличие от обычных корпусированных DSP, которые часто страдают от плохого рассеивания тепла из-за структурных ограничений и склонны к перегреву, тем самым ставя под угрозу срок службы и производительность компонентов, подход голого кристалла позволяет напрямую наносить материал теплового интерфейса (TIM) и радиаторы на поверхность чипа. Эта прямая интеграция существенно повышает тепловую эффективность, эффективно решает проблемы рассеивания тепла и обеспечивает стабильную производительность даже при высокоскоростной работе.

Примечательно, что технология является перспективной и совместимой с решениями 224G, что делает ее пригодной для различных кабельных приложений как в оптических коммуникациях, так и в активных медных кабелях. Эта универсальность подчеркивает ее сильную многофункциональность.

В этой конструкции технологии COB и mSAP играют решающую роль. Технология COB подразумевает непосредственный монтаж и приклеивание голого полупроводникового чипа к печатной плате (PCB), тем самым сокращая пути межсоединений, уменьшая физический след, улучшая целостность сигнала и снижая производственные затраты. Напротив, технология mSAP фокусируется на достижении чрезвычайно малых ширин и зазоров между дорожками, что позволяет изготавливать высокоточные схемы, которые улучшают электрические характеристики печатной платы. Вместе эти технологии создают надежную основу для миниатюризации и повышения производительности современных электронных устройств.

Анализ производительности традиционных пакетных DSP

Сравнительный анализ производительности был проведен с использованием традиционного упакованного DSP для тщательной оценки преимуществ bare-died (KGD) дизайна. Исследование использовало упакованный цифровой сигнальный процессор Cu-Wave AW100 Alphawave Semi, интегрированный в медную кабельную сборку OSFP 800G.

(1) Моделирование целостности сигнала

Моделирование на стороне хоста

Моделирование в первую очередь рассматривало путь сигнала от DSP до золотых пальцев разъема на хост-карте. В качестве материала печатной платы использовался Megtron 7, характеризующийся диэлектрической проницаемостью (Dk) 3.3 и коэффициентом рассеяния (Df) 0.0015 на частоте 1 ГГц.

На частоте Найквиста 26.56 ГГц, что соответствует сигналу PAM106.25 4 Гбит/с, каналы приемника RX1 через RX6 показали вносимые потери в диапазоне от 1.4 дБ до 1.6 дБ, демонстрируя минимальное затухание и высокую эффективность передачи. Кроме того, значения обратных потерь (RL) оставались ниже −10 дБ для частот до 30 ГГц, что указывает на минимальное отражение сигнала и тем самым способствует превосходной целостности сигнала и надежности системы.

Что касается перекрестных помех, то в основных парах соседних каналов (таких как RX3–RX5 и RX3–RX1) были выявлены уровни перекрестных помех на ближнем конце (NEXT) около -48 дБ и перекрестных помех на дальнем конце (FEXT) около -42 дБ на частоте 26.56 ГГц, что подтверждает эффективное подавление помех.

Моделирование на стороне линии

Моделирование на стороне линии охватывало весь путь сигнала от DSP до кабельного окончания, включая каналы передатчика (TX) и приемника (RX). Из-за различий в длине трассы и методах маршрутизации каналы приемника RX6, RX7 и RX8 показали разные значения вносимых потерь. В частности, RX6, пользуясь более короткой трассой, показал вносимые потери приблизительно 0.6 дБ на частоте 26.56 ГГц, тогда как RX7 и RX8 зарегистрировали вносимые потери от 1.2 дБ до 1.3 дБ. Аналогично, каналы передатчика TX1, TX2 и TX3 продемонстрировали вносимые потери в диапазоне от 1.2 дБ до 1.5 дБ, что в совокупности указывает на приемлемые характеристики передачи.

Возвратные потери на конце линии поддерживались ниже −11 дБ на частоте Найквиста, что свидетельствует о надлежащем согласовании импеданса и эффективном контроле отражений сигнала. Кроме того, анализ перекрестных помех соседних пар каналов, таких как RX8–RX7 и TX2–RX7, показал, что на частоте 26.56 ГГц пара RX8–RX7 достигла значений NEXT и FEXT в −48 дБ каждая, в то время как пара TX2–RX7 показала NEXT всего в −58 дБ и FEXT всего в −60 дБ. Эти результаты подчеркивают эффективность конструкции в изоляции дифференциальных пар и значительном снижении помех.

(2) Тепловое моделирование

Тепловое моделирование проводилось в жестких условиях при температуре окружающей среды 70 °C и потребляемой мощности менее 10 Вт. Имитационная модель включала в себя DSP Cu-Wave AW100 в корпусе вместе с другими критически важными компонентами, используя передовые материалы для терморегулирования, такие как термопаста Prolimatech PK-3. В базовой конфигурации — с использованием только термопасты — температура поверхности DSP достигала 88.2 °C, тем самым превышая эксплуатационный предел 85 °C. Этот результат указывает на то, что базовая конструкция неадекватна для надежной работы в экстремальных условиях. Однако с добавлением медной пластины температура поверхности DSP была эффективно снижена до 84.9 °C, успешно поддерживая ее в безопасном рабочем диапазоне. Этот результат подтверждает эффективность объединения материалов с высокой теплопроводностью с оптимизированным тепловым интерфейсом для решения проблем рассеивания тепла.

Преимущества производительности KGD DSP

Следующий анализ фокусируется на производительности KGD DSP. Cu-Wave AW100 DSP в конфигурации KGD сохраняет те же основные функции, что и его корпусный аналог, поддерживая стандарты IEEE 802.3ck Chip-to-Module (C2M) и Chip-to-Chip (C2C) вместе с передовыми методами выравнивания, которые гарантируют надежную передачу сигнала даже в сложных электрических каналах. В отличие от корпусной версии, KGD DSP напрямую монтируется на печатную плату с использованием технологии перевернутого кристалла. Этот метод минимизирует паразитные эффекты, вызванные соединением проводов, тем самым улучшая целостность сигнала и сокращая задержку.

Моделирование на стороне хоста

В моделировании на стороне хоста каналы KGD DSP (R1–R6) эквивалентны каналам корпусной версии, что позволяет проводить прямое сравнение. Анализ результатов вносимых потерь (IL) на частоте Найквиста 26.56 ГГц показывает, что для большинства каналов KGD DSP демонстрирует улучшение примерно на 0.5 дБ по сравнению с корпусной версией. Это преимущество в первую очередь обусловлено меньшими диаметрами переходных отверстий, которые уменьшают емкость и увеличивают импеданс примерно на 1 Ом, в конечном итоге улучшая производительность передачи данных.

Что касается обратных потерь (RL), каналы RX1–RX6 процессора KGD DSP поддерживают значения RL ниже –9 дБ для частот ниже 30 ГГц, что на 1 дБ лучше по сравнению с корпусной версией, благодаря оптимизированному сопротивлению трассы, которое более близко к 87.5 Ом.

Кроме того, оценка перекрестных помех — изучение каналов худшего случая, таких как RX3–RX4 NEXT и RX2–RX4 FEXT — показывает, что RX3–RX4 NEXT остается ниже –40 дБ для частот до 50 ГГц, тогда как канал перекрестных помех худшего случая пакетированной версии (RX1–RX3) превышает –40 дБ на частоте 40 ГГц. Это улучшение объясняется улучшенной компоновкой трассы, которая увеличивает расстояние между дифференциальными парами, тем самым эффективно уменьшая помехи.

Моделирование на стороне линии

Модель имитации на стороне линии простирается от DSP до кабельного окончания, оценивая производительность SI каналов передатчика (TX1, TX2, TX3) и каналов приемника (RX6, RX7, RX8). Вносимые потери на частоте 26.56 ГГц для конца линии мезонинной карты KGD показывают улучшение примерно на 0.2 дБ по сравнению с пакетированной версией. Что касается возвратных потерь, каналы RX1–RX6 KGD DSP поддерживают значения RL ниже –10 дБ для частот ниже 30 ГГц, что немного лучше, чем у пакетированной версии.

Для перекрестных помех анализ каналов худшего случая (таких как RX8–RX7 NEXT и RX8–RX7 FEXT) показывает, что RX8–RX7 FEXT остается ниже –40 дБ для частот ниже 40 ГГц. Напротив, канал перекрестных помех худшего случая в корпусной версии (RX5–RX3) превышает –40 дБ на частоте 40 ГГц. Эта превосходная производительность в основном обусловлена ​​увеличенным интервалом 40 мил между дифференциальными парами в конструкции KGD, что эффективно оптимизирует схему трассировки и снижает перекрестные помехи.

Тепловое моделирование

Управление теплоотводом для голого кристалла DSP является сложной задачей, поскольку та же мощность должна рассеиваться на меньшей площади поверхности. При тепловом моделировании максимальная мощность менее 10 Вт была применена к голому кристаллу KGD. Для увеличения площади рассеивания тепла использовалась медная полоса 16 × 68 мм, в то время как термопаста Prolimatech PK-3 была нанесена между голым кристаллом и медной полосой, а также между медной полосой и металлическим корпусом. В этих условиях при температуре окружающей среды 70 °C и максимальной мощности ниже 10 Вт температура голого кристалла была смоделирована на уровне 84.2 °C — безопасно ниже рабочего предела 85 °C. Несмотря на то, что голый кристалл KGD занимает только одну десятую площади упакованного DSP, оптимизированное решение с использованием материала теплового интерфейса (TIM), использующее превосходную теплопроводность медной полосы и увеличенную площадь контакта, успешно обеспечивает эффективное рассеивание тепла.

Резюме и перспективы

Всесторонний анализ как традиционного корпусированного DSP, так и KGD DSP наглядно демонстрирует, что прямая интеграция KGD DSP в сборку активного электрического кабеля (AEC) представляет собой значительный прорыв в разработке и производительности высокоскоростных межсоединений. По сравнению с обычными корпусированными конфигурациями KGD DSP демонстрирует замечательные преимущества в целостности сигнала и энергоэффективности. Используя передовые материалы, такие как медные полосы с высокой теплопроводностью и термопаста Prolimatech PK-3, конструкция эффективно решает проблемы рассеивания тепла, вызванные компактным размером чипа, гарантируя, что DSP будет надежно работать в указанном диапазоне температур даже при максимальной мощности. Эти достижения прокладывают путь для дальнейших инноваций в высокоскоростной передаче данных и производительности электронных систем.