التكامل المباشر لـ DSP-Bare-Die في 800G AEC

قُدِّم أول منتج في العالم لكابلات 800G النشطة (AEC) المزودة بمعالج إشارات رقمية (DSP) بسيط في معرض DesignCon 2025. ومن المقرر إطلاقه في الربع الأخير من عام 4، ويزيل هذا الابتكار الرائد طبقة التغليف التقليدية لشريحة DSP. وبدلاً من ذلك، يُدمج قالب DSP البسيط مباشرةً في مجموعة الكابلات باستخدام تقنيتي Chip on Board (COB) وmSAP.

هذا التصميم المبتكر يلغي التغليف التقليدي والطبقات الوسيطة. بفضل تخطيط دقيق للدبابيس، وتقنيات تغليف متطورة، وتصميم تخطيط مدروس بعناية، وتوصيلات دقيقة للموصلات، يُحسّن هذا التصميم سلامة الإشارة بشكل كبير. علاوة على ذلك، يُحسّن دمج القالب العاري الأداء الحراري بشكل ملحوظ. بخلاف معالجات الإشارة الرقمية (DSPs) المعبأة التقليدية، التي غالبًا ما تعاني من ضعف تبديد الحرارة بسبب القيود الهيكلية وتكون عرضة لارتفاع درجة الحرارة، مما يُؤثر سلبًا على عمر المكونات وأدائها، يسمح نهج القالب العاري بالتطبيق المباشر لمواد الواجهة الحرارية (TIM) ومشتتات الحرارة على سطح الشريحة. يُحسّن هذا التكامل المباشر الكفاءة الحرارية بشكل كبير، ويُعالج تحديات تبديد الحرارة بفعالية، ويضمن أداءً مستقرًا حتى أثناء التشغيل عالي السرعة.

تجدر الإشارة إلى أن هذه التقنية متطورة ومتوافقة مع حلول 224G، مما يجعلها مناسبة لمختلف تطبيقات الأسلاك في كل من الاتصالات الضوئية وكابلات النحاس النشطة. ويؤكد هذا التنوع الكبير على تنوعها.

في هذا التصميم، تلعب تقنيتا COB وmSAP دورًا محوريًا. تتضمن تقنية COB تركيب شريحة أشباه الموصلات العارية ولصقها مباشرةً على لوحة دوائر مطبوعة (PCB)، مما يُقصّر مسارات التوصيل، ويُقلّل المساحة المادية، ويُحسّن سلامة الإشارة، ويُخفّض تكاليف الإنتاج. في المقابل، تُركّز تقنية mSAP على تحقيق عرض وفواصل دقيقة للغاية للمسارات، مما يُتيح تصنيع أنماط دوائر عالية الدقة تُحسّن الأداء الكهربائي للوحة الدوائر المطبوعة. تُرسي هذه التقنيات مجتمعةً أساسًا متينًا لتصغير حجم الأجهزة الإلكترونية المتقدمة وتحسين أدائها.

تحليل أداء معالجات الإشارات الرقمية المجمعة التقليدية

أُجري تحليل أداء مقارن باستخدام معالج إشارة رقمية مُجمّع تقليدي لتقييم مزايا تصميم القالب العاري (KGD) بدقة. استخدمت الدراسة معالج الإشارة الرقمية المُجمّع Cu-Wave AW100 من Alphawave Semi، المُدمج في مجموعة كابلات نحاسية OSFP سعة 800 جيجابايت.

(1) محاكاة سلامة الإشارة

محاكاة جانب المضيف

تناولت المحاكاة بشكل أساسي مسار الإشارة من معالج الإشارة الرقمية (DSP) إلى أطراف الموصل الرئيسية على بطاقة المضيف. استُخدمت مادة Megtron 7 كمادة للوحة الدوائر المطبوعة، والتي تميّزت بثابت عازل (Dk) قدره 3.3 ومعامل تبديد (Df) قدره 0.0015 عند تردد 1 جيجاهرتز.

عند تردد نيكويست البالغ 26.56 جيجاهرتز - وهو ما يُقابل إشارة PAM106.25 بسرعة 4 جيجابت في الثانية - أظهر جهاز الاستقبال، الذي يُمرر قنواته من RX1 إلى RX6، خسائر إدخال تتراوح بين 1.4 و1.6 ديسيبل، مما يُظهر أدنى حد من التوهين وكفاءة إرسال عالية. علاوة على ذلك، ظلت قيم خسارة الارتداد (RL) أقل من -10 ديسيبل للترددات التي تصل إلى 30 جيجاهرتز، مما يُشير إلى أدنى حد من انعكاس الإشارة، مما يُسهم في تحسين سلامة الإشارة وموثوقية النظام.

من حيث التداخل، كشفت أزواج القنوات المجاورة الرئيسية (مثل RX3–RX5 وRX3–RX1) عن مستويات تداخل قريبة (NEXT) حول -48 ديسيبل وتداخل بعيدة (FEXT) حول -42 ديسيبل عند 26.56 جيجاهرتز، وهو ما يؤكد فعالية قمع التداخل.

محاكاة جانب الخط

شملت المحاكاة على جانب الخط مسار الإشارة الكامل من معالج الإشارة الرقمية (DSP) إلى نهاية الكابل، بما في ذلك قناتي المرسل (TX) والمستقبل (RX). ونظرًا لاختلاف أطوال التتبع وطرق التوجيه، أظهرت قنوات المستقبل RX6 وRX7 وRX8 قيمًا مختلفة لفقدان الإدخال. على وجه التحديد، أظهرت قناة RX6، التي استفادت من مسار أقصر، فقدًا في الإدخال بلغ حوالي 0.6 ديسيبل عند تردد 26.56 جيجاهرتز، بينما سجلت قناتا RX7 وRX8 فقدًا في الإدخال تراوح بين 1.2 و1.3 ديسيبل. وبالمثل، أظهرت قنوات المرسل TX1 وTX2 وTX3 فقدًا في الإدخال تراوح بين 1.2 و1.5 ديسيبل، مما يشير مجتمعًا إلى أداء إرسال مقبول.

تم الحفاظ على خسارة الإرجاع في نهاية الخط أقل من -11 ديسيبل عند تردد نيكويست، مما يدل على مطابقة المعاوقة بشكل صحيح والتحكم الفعال في انعكاسات الإشارة. علاوة على ذلك، أظهر تحليل التداخل لأزواج القنوات المتجاورة - مثل RX8-RX7 وTX2-RX7 - أنه عند تردد 26.56 جيجاهرتز، حقق زوج RX8-RX7 قيمتي NEXT وFEXT بلغتا -48 ديسيبل لكل منهما، بينما أظهر زوج TX2-RX7 قيمتي NEXT وFEXT بلغت -58 ديسيبل وFEXT بلغت -60 ديسيبل. تؤكد هذه النتائج فعالية التصميم في عزل الأزواج التفاضلية وتقليل التداخل بشكل ملحوظ.

(2) المحاكاة الحرارية

أُجريت عمليات محاكاة حرارية في ظل ظروف صارمة، بدرجة حرارة محيطة 70 درجة مئوية واستهلاك طاقة أقل من 10 وات. وتضمن نموذج المحاكاة معالج الإشارة الرقمية (DSP) المُغلف بـ Cu-Wave AW100، إلى جانب مكونات أساسية أخرى، مستخدمًا مواد متطورة لإدارة الحرارة، مثل الشحم الحراري Prolimatech PK-3. في التكوين الأساسي - باستخدام الشحم الحراري فقط - وصلت درجة حرارة سطح معالج الإشارة الرقمية إلى 88.2 درجة مئوية، متجاوزةً بذلك الحد التشغيلي البالغ 85 درجة مئوية. تشير هذه النتيجة إلى أن التصميم الأساسي غير كافٍ للتشغيل الموثوق في ظل الظروف القاسية. ومع ذلك، ومع إضافة صفيحة نحاسية، انخفضت درجة حرارة سطح معالج الإشارة الرقمية بفعالية إلى 84.9 درجة مئوية، مما حافظ عليه بنجاح ضمن نطاق تشغيل آمن. تُثبت هذه النتيجة فعالية الجمع بين مواد عالية التوصيل الحراري وواجهة حرارية مُحسّنة لمعالجة تحديات تبديد الحرارة.

مزايا الأداء لـ KGD DSP

يركز التحليل التالي على أداء معالج الإشارة الرقمية KGD. يحتفظ معالج الإشارة Cu-Wave AW100 في تكوين KGD بنفس الوظائف الأساسية لنظيره المُجمّع، حيث يدعم معايير IEEE 802.3ck Chip-to-Module (C2M) وChip-to-Chip (C2C)، بالإضافة إلى تقنيات معادلة متقدمة تضمن نقل إشارة موثوقًا حتى في القنوات الكهربائية المعقدة. بخلاف الإصدار المُجمّع، يُركّب معالج الإشارة الرقمية KGD مباشرةً على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) باستخدام تقنية الشريحة المُقلبة. تُقلّل هذه الطريقة من التأثيرات الطفيلية الناتجة عن ربط الأسلاك، مما يُحسّن سلامة الإشارة ويُقلّل زمن الوصول.

محاكاة جانب المضيف

في محاكاة جانب المضيف، تُعادل قنوات KGD DSP (R1–R6) قنوات الإصدار المُجمّع، مما يسمح بالمقارنة المباشرة. يُظهر تحليل نتائج فقدان الإدخال (IL) عند تردد نيكويست 26.56 جيجاهرتز أن KGD DSP يُظهر، في معظم القنوات، تحسنًا يُقارب 0.5 ديسيبل مقارنةً بالإصدار المُجمّع. تُعزى هذه الميزة بشكل رئيسي إلى صغر أقطار الوصلات، مما يُقلل السعة ويزيد المعاوقة بنحو 1 أوم، مما يُحسّن في نهاية المطاف أداء نقل البيانات.

من حيث خسارة العودة (RL)، تحافظ قنوات RX1–RX6 في KGD DSP على قيم RL أقل من -9 ديسيبل للترددات أقل من 30 جيجاهرتز - وهو تحسن بمقدار 1 ديسيبل مقارنة بالإصدار المجمع - بفضل معاوقة التتبع المحسنة التي تقترب بشكل أكبر من 87.5 Ω.

بالإضافة إلى ذلك، يُشير تقييم التداخل - بفحص أسوأ القنوات مثل RX3-RX4 NEXT وRX2-RX4 FEXT - إلى أن قناة RX3-RX4 NEXT تبقى أقل من -40 ديسيبل للترددات التي تصل إلى 50 جيجاهرتز، بينما تتجاوز قناة التداخل الأسوأ في الإصدار المُجمّع (RX1-RX3) - 40 ديسيبل عند تردد 40 جيجاهرتز. يُعزى هذا التحسين إلى تصميم مُحسّن للتتبع يزيد المسافة بين الأزواج التفاضلية، مما يُقلل التداخل بفعالية.

محاكاة جانب الخط

يمتد نموذج محاكاة جانب الخط من معالج الإشارة الرقمية (DSP) إلى طرف الكابل، مُقيّمًا أداء نظام الإدخال والإخراج (SI) لقنوات الإرسال (TX1، TX2، TX3) وقنوات الاستقبال (RX6، RX7، RX8). يُظهر فقدان الإدخال عند تردد 26.56 جيجاهرتز لطرف خط بطاقة KGD mezzanine تحسنًا يُقارب 0.2 ديسيبل مقارنةً بالإصدار المُجمّع. وفيما يتعلق بفقدان الإرجاع، تحافظ قنوات RX1-RX6 في معالج الإشارة الرقمية KGD على قيم RL أقل من -10 ديسيبل للترددات الأقل من 30 جيجاهرتز، وهو أفضل قليلاً من الإصدار المُجمّع.

فيما يتعلق بالتداخل، يُظهر تحليل أسوأ القنوات (مثل RX8-RX7 NEXT وRX8-RX7 FEXT) أن قيمة FEXT لقناة RX8-RX7 تبقى أقل من -40 ديسيبل للترددات الأقل من 40 جيجاهرتز. في المقابل، تتجاوز قيمة قناة التداخل الأسوأ في الإصدار المُجمّع (RX5-RX3) -40 ديسيبل عند 40 جيجاهرتز. ويعود هذا الأداء المتفوق بشكل رئيسي إلى زيادة المسافة بمقدار 40 مل بين الأزواج التفاضلية في تصميم KGD، مما يُحسّن تخطيط التتبع بشكل فعال ويُقلل التداخل.

المحاكاة الحرارية

تُعدّ إدارة تبديد الحرارة لقالب DSP العاري أمرًا صعبًا، إذ يجب تبديد نفس الطاقة عبر مساحة سطح أصغر. في المحاكاة الحرارية، طُبّقت طاقة قصوى أقل من 10 واط على قالب KGD العاري. استُخدم شريط نحاسي بمقاس 16 × 68 مم لزيادة مساحة تبديد الحرارة، بينما وُضع شحم حراري Prolimatech PK-3 بين القالب العاري والشريط النحاسي، وكذلك بين الشريط النحاسي والغلاف المعدني. في ظل هذه الظروف، وبدرجة حرارة محيطة 70 درجة مئوية وطاقة قصوى أقل من 10 واط، حُاكيت درجة حرارة القالب العاري لتكون 84.2 درجة مئوية، أي أقل من حد التشغيل الآمن البالغ 85 درجة مئوية. على الرغم من أن القالب العاري KGD يشغل عُشر مساحة DSP المعبأة فقط، فإن حل مادة الواجهة الحرارية المُحسَّنة (TIM) - من خلال الاستفادة من التوصيل الحراري الممتاز لشريط النحاس وزيادة مساحة التلامس - يضمن بنجاح تبديد الحرارة بشكل فعال.

ملخص وتوقعات

يُظهر التحليل الشامل لكلٍّ من معالج الإشارة الرقمية (DSP) التقليدي المُعبأ ومعالج الإشارة الرقمية KGD بوضوح أن دمج معالج الإشارة الرقمية KGD مباشرةً في تجميع كابل كهربائي نشط (AEC) يُمثل نقلة نوعية في تصميم وأداء التوصيلات عالية السرعة. وبالمقارنة مع التكوينات التقليدية المُعبأة، يُظهر معالج الإشارة الرقمية KGD مزايا ملحوظة في سلامة الإشارة وكفاءة الطاقة. ومن خلال استخدام مواد متطورة، مثل شرائح النحاس عالية التوصيل الحراري وشحم Prolimatech PK-3 الحراري، يُعالج التصميم بفعالية تحديات تبديد الحرارة التي يفرضها حجم الشريحة الصغير، مما يضمن عمل معالج الإشارة الرقمية بكفاءة ضمن نطاق درجة الحرارة المحدد حتى عند أقصى طاقة. تُمهد هذه التطورات الطريق لمزيد من الابتكارات في نقل البيانات عالي السرعة وأداء الأنظمة الإلكترونية.