Verbindungstechnik 10 Gbit/s und mehr gefällig?

Leiterplatten-Steckverbinder müssen als eierlegende Wollmilchsäue so ziemlich alle Eigenschaften mitbringen, die ein Verbindungselement nur bieten kann: Beispielsweise müssen sie für höchste Datenraten bei gleichzeitiger Signalintegrität für differenzielle Signale sowie für größte Signaldichte bei gleichzeitig geringer Bautiefe geeignet sein. Die folgenden Ausführungen zeigen, wie diese Forderungen während der Designphase der Bauteile mit einfließen.

Nicht umsonst bezeichnet man Backplane- oder Leiterplatten- Steckverbinder als die Königsklasse bei den Steckverbindern. Das liegt daran, dass von Leiterplattensteckverbindern so ziemlich alles erwartet wird, was ein Steckverbinder bieten kann:

  • Höchste Datenraten bei gleichzeitiger Signalintegrität für differenzielle Signale.
  • Größte Signaldichte bei gleichzeitig geringer Bautiefe, um wenig Platz auf der Baugruppe zu verschenken.
  • Lebensdauer und Zuverlässigkeit für höchste Verfügbarkeit der Systeme.
  • Steckbarkeit im Betrieb durch voreilende und nacheilende Kontakte.
  • Blindstecken mit entsprechender mechanischer Führung auch bei großen Baugruppen.
  • Problemlose Integration von Kontrollsignalen, die nicht anspruchsvoll sind.
  • Erweiterungsmöglichkeiten für Hochstromkontakte.

Die folgenden Abschnitte schaffen Klarheit, welche Maßnahmen beim Design dieser Steckverbinder zur erforderlichen Leistungsfähigkeit führen.

Die Marktanforderungen geben das Anforderungsprofil vor

In den Jahren 2008/2009 wurden hochkomplexe Systeme entwickelt, die eine Verdoppelung der XAUI-Datenrate von 3,125 Gbit/s ermöglichten. Diese Systeme mit 6,25 Gbit/s werden heute bereits in Betrieb genommen. Neuere Systeme fordern Steckverbinder, die sicher die nächste Geschwindigkeitsgeneration von 12 Gbit/s beherrschen. Dies bezieht sich z.B. auf Crossconnects, welche das Rückgrat der Telekommunikation darstellen.

Die Speichertechnik ging beim SAS-Standard (Serial Attached SCSI) von 3 Gbit/s auf 6 Gbit/s für serielle mechanische Harddisklaufwerke und hat für SSDs (Solid State Disks) bereits jetzt eine Roadmap für 12 Gbit/s verabschiedet. Mechanische Laufwerke werden diese Datenrate nicht mehr verarbeiten (schreiben) können.

Im Serverbereich spielt die IBTA (InfiniBand Trade Association) eine wesentliche Rolle. Hier zeigt die Roadmap eine Entwicklung weit über 10 Gbit/s hinaus auf. Seit 2008 existieren Halbleiter für QDR (10 Gbit/s), welche sowohl im I/O-Bereich als auch auf der Backplane Extremanforderungen an die Steckverbinder stellen. Weil der nächste logische Schritt EDR mit 20 Gbit/s von der Halbleiterindustrie noch nicht erfüllt werden kann, hat man vor kurzem FDR (Fourteen Data Rate = 14 Gbit/s) verabschiedet, um den „Hunger der Internetwelt“ nach Bandbreite und Kapazität zu stillen.

Ob und wie weit sich all diese Standards durchsetzen werden, sei dahingestellt! Fest steht aber, dass aus heutiger Sicht die Grenzen der Machbarkeit höchstwahrscheinlich erst bei 40 bis 50 Gbit/s pro Kanal erreicht sein werden.

Auch im reinen Ethernetbetrieb ist man deshalb Kompromisse eingegangen. Obwohl aus rein konzeptioneller Sicht nach Fast Ethernet GbE, 10GbE und dann 100GbE kämen, hat man einen Zwischenschritt von 40GbE akzeptiert, der heute aus vier Kanälen zu je 10 Gbit/s besteht, weil das Konzept 4 × 25 Gbit/s = 100GbE noch nicht realisierbar ist.

All dies zeigt, dass die Datenraten bei den Leiterplattensteckverbindern schrittweise von 3,125 Gbit/s über 6,25 Gbit/s auf 12 Gbit/s gingen und sich weiter auf 25 Gbit/s im Telecom-Bereich entwickeln werden. Die Datenverarbeitung kam auf der Schiene 5 Gbit/s bis 10 Gbit/s und wird mit 25 Gbit/s und eventuell 40 Gbit/s oder 50 Gbit/s eine ähnliche Innovation durchmachen.

Ob dann im Weitverkehr die 100 Gbit/s aus 10 × 10 Gbit/s oder aus 4 × 25 Gbit/s realisiert werden und die 100GbE durch 4 × 25 Gbit/s oder durch 2,5 × 40 Gbit/s gemultiplext werden, ist eher eine Frage der Kostenminimierung und wird sicherlich durch Preis und Verfügbarkeit der Chips beeinflusst. Alles zielt auf die folgende Frage hin: Wie kann man Datenraten zwischen 10 Gbit/s und 25 Gbit/s optimal von einer Baugruppe über die Rückwandleiterplatte zu einer anderen Baugruppe übertragen?