Intégration directe d'un DSP Bare-Die dans un AEC 800G

Présentation du premier câble actif 800G (AEC) au monde équipé d'un processeur de signal numérique (DSP) barebone lors du DesignCon 2025. Prévue pour le quatrième trimestre 4, cette innovation révolutionnaire supprime la couche d'encapsulation traditionnelle de la puce DSP. La puce nue du DSP est désormais directement intégrée dans l'assemblage du câble grâce aux procédés Chip on Board (COB) et mSAP.

Cette conception innovante élimine les encapsulations traditionnelles et les couches intermédiaires. Grâce à un mapping des broches méticuleusement optimisé, des techniques d'encapsulation de pointe, une configuration d'implantation réfléchie et une terminaison de conducteurs raffinée, cette conception améliore considérablement l'intégrité du signal. De plus, l'intégration de la puce nue améliore considérablement les performances thermiques. Contrairement aux DSP encapsulés classiques, qui souffrent souvent d'une mauvaise dissipation thermique en raison de limitations structurelles et sont sujets à la surchauffe, compromettant ainsi la durée de vie et les performances des composants, l'approche de la puce nue permet l'application directe d'un matériau d'interface thermique (TIM) et de dissipateurs thermiques à la surface de la puce. Cette intégration directe améliore considérablement l'efficacité thermique, résout efficacement les problèmes de dissipation thermique et garantit des performances stables même en fonctionnement à haute vitesse.

Cette technologie est notamment innovante et compatible avec les solutions 224G, ce qui la rend adaptée à diverses applications de câblage, tant pour les communications optiques que pour les câbles en cuivre actifs. Cette universalité souligne sa grande polyvalence.

Dans cette conception, les technologies COB et mSAP jouent un rôle essentiel. La technologie COB consiste à monter et à souder directement la puce semi-conductrice nue sur un circuit imprimé (PCB), ce qui raccourcit les chemins d'interconnexion, réduit l'encombrement physique, améliore l'intégrité du signal et diminue les coûts de production. À l'inverse, la technologie mSAP se concentre sur l'obtention de largeurs et d'espacements de pistes extrêmement fins, permettant la fabrication de motifs de circuit de haute précision qui améliorent les performances électriques du PCB. Ensemble, ces technologies constituent une base solide pour la miniaturisation et l'amélioration des performances des dispositifs électroniques avancés.

Analyse des performances des DSP packagés traditionnels

Une analyse comparative des performances a été réalisée à l'aide d'un DSP encapsulé traditionnel afin d'évaluer en profondeur les avantages de la conception à matrice nue (KGD). L'étude a utilisé le processeur de signal numérique encapsulé Cu-Wave AW100 d'Alphawave Semi, intégré dans un câble en cuivre OSFP 800G.

(1) Simulation de l'intégrité du signal

Simulation côté hôte

La simulation a principalement pris en compte le trajet du signal entre le DSP et les connecteurs de la carte hôte. Le Megtron 7 a été utilisé comme matériau de circuit imprimé, caractérisé par une constante diélectrique (Dk) de 3.3 et un facteur de dissipation (Df) de 0.0015 à 1 GHz.

À une fréquence de Nyquist de 26.56 GHz, correspondant à un signal PAM106.25 de 4 Gbit/s, les canaux récepteurs RX1 à RX6 ont présenté des pertes d'insertion comprises entre 1.4 et 1.6 dB, démontrant une atténuation minimale et une efficacité de transmission élevée. De plus, les valeurs de perte de retour (RL) sont restées inférieures à −10 dB jusqu'à 30 GHz, indiquant une réflexion minimale du signal et contribuant ainsi à une intégrité du signal et à une fiabilité du système supérieures.

En termes de diaphonie, les paires de canaux adjacents clés (telles que RX3–RX5 et RX3–RX1) ont révélé des niveaux de diaphonie proche (NEXT) d'environ −48 dB et de diaphonie distante (FEXT) d'environ −42 dB à 26.56 GHz, ce qui confirme la suppression efficace des interférences.

Simulation en bord de ligne

La simulation côté ligne a couvert l'intégralité du trajet du signal, du DSP à la terminaison du câble, incluant les canaux émetteur (TX) et récepteur (RX). En raison des variations de longueur de trace et des méthodes de routage, les canaux récepteurs RX6, RX7 et RX8 ont présenté des valeurs de perte d'insertion différentes. Plus précisément, le RX6, bénéficiant d'une trace plus courte, a présenté une perte d'insertion d'environ 0.6 dB à 26.56 GHz, tandis que les RX7 et RX8 ont enregistré des pertes d'insertion comprises entre 1.2 et 1.3 dB. De même, les canaux émetteurs TX1, TX2 et TX3 ont présenté des pertes d'insertion comprises entre 1.2 et 1.5 dB, ce qui indique collectivement des performances de transmission acceptables.

La perte de retour en extrémité de ligne a été maintenue en dessous de −11 dB à la fréquence de Nyquist, témoignant d'une adaptation d'impédance adéquate et d'un contrôle efficace des réflexions du signal. De plus, l'analyse de la diaphonie des paires de canaux adjacents, telles que RX8–RX7 et TX2–RX7, a montré qu'à 26.56 GHz, la paire RX8–RX7 atteignait des valeurs NEXT et FEXT de −48 dB chacune, tandis que la paire TX2–RX7 présentait des valeurs NEXT de −58 dB et FEXT de −60 dB. Ces résultats soulignent l'efficacité de cette conception pour isoler les paires différentielles et réduire considérablement les interférences.

(2) Simulation thermique

Des simulations thermiques ont été réalisées dans des conditions rigoureuses, avec une température ambiante de 70 °C et une consommation électrique inférieure à 10 W. Le modèle de simulation intégrait le DSP encapsulé Cu-Wave AW100 ainsi que d'autres composants critiques, utilisant des matériaux de gestion thermique avancés tels que la pâte thermique Prolimatech PK-3. Dans la configuration de référence, utilisant uniquement de la pâte thermique, la température de surface du DSP atteignait 88.2 °C, dépassant ainsi la limite opérationnelle de 85 °C. Ce résultat indique que la conception de référence est inadaptée à un fonctionnement fiable dans des conditions extrêmes. Cependant, l'ajout d'une plaque de cuivre a permis de réduire efficacement la température de surface du DSP à 84.9 °C, la maintenant ainsi dans une plage de fonctionnement sûre. Ce résultat valide l'efficacité de l'association de matériaux à haute conductivité thermique et d'une interface thermique optimisée pour relever les défis de dissipation thermique.

Avantages de performance du DSP KGD

L'analyse suivante se concentre sur les performances du DSP KGD. Le DSP Cu-Wave AW100 en configuration KGD conserve les mêmes fonctionnalités de base que son homologue en boîtier, prenant en charge les normes IEEE 802.3ck Chip-to-Module (C2M) et Chip-to-Chip (C2C), ainsi que des techniques d'égalisation avancées qui garantissent une transmission fiable du signal, même dans les canaux électriques complexes. Contrairement à la version en boîtier, le DSP KGD est monté directement sur le circuit imprimé grâce à la technologie flip-chip. Cette méthode minimise les effets parasites causés par le câblage, améliorant ainsi l'intégrité du signal et réduisant la latence.

Simulation côté hôte

Dans la simulation côté hôte, les canaux DSP KGD (R1–R6) sont équivalents à ceux de la version encapsulée, ce qui permet une comparaison directe. L'analyse des résultats de perte d'insertion (IL) à une fréquence de Nyquist de 26.56 GHz révèle que, pour la plupart des canaux, le DSP KGD présente une amélioration d'environ 0.5 dB par rapport à la version encapsulée. Cet avantage est principalement dû aux diamètres de via plus petits, qui réduisent la capacité et augmentent l'impédance d'environ 1 ohm, améliorant ainsi les performances de transmission de données.

En termes de perte de retour (RL), les canaux RX1–RX6 du DSP KGD maintiennent des valeurs RL inférieures à –9 dB pour les fréquences inférieures à 30 GHz, soit une amélioration de 1 dB par rapport à la version packagée, grâce à une impédance de trace optimisée qui se rapproche davantage de 87.5 Ω.

De plus, l'évaluation de la diaphonie, qui examine les canaux les plus défavorables, tels que RX3–RX4 NEXT et RX2–RX4 FEXT, indique que le canal RX3–RX4 NEXT reste inférieur à –40 dB jusqu'à 50 GHz, tandis que le canal le plus défavorable de la version intégrée (RX1–RX3) dépasse –40 dB à 40 GHz. Cette amélioration est due à une meilleure disposition des pistes qui augmente l'espacement entre les paires différentielles, réduisant ainsi efficacement les interférences.

Simulation en bord de ligne

Le modèle de simulation côté ligne s'étend du DSP à la terminaison du câble, évaluant les performances SI des canaux d'émission (TX1, TX2, TX3) et de réception (RX6, RX7, RX8). La perte d'insertion à 26.56 GHz pour l'extrémité de ligne de la carte mezzanine KGD présente une amélioration d'environ 0.2 dB par rapport à la version intégrée. Concernant la perte de retour, les canaux RX1 à RX6 du DSP KGD conservent des valeurs de RL inférieures à –10 dB pour des fréquences inférieures à 30 GHz, ce qui est légèrement supérieur à la version intégrée.

Concernant la diaphonie, l'analyse des canaux les plus défavorables (tels que RX8–RX7 NEXT et RX8–RX7 FEXT) montre que le canal RX8–RX7 FEXT reste inférieur à –40 dB pour les fréquences inférieures à 40 GHz. En revanche, le canal le plus défavorable de la version encapsulée (RX5–RX3) dépasse –40 dB à 40 GHz. Cette performance supérieure est principalement due à l'espacement accru de 40 mil entre les paires différentielles dans la conception KGD, qui optimise efficacement la disposition des pistes et réduit la diaphonie.

Simulation thermique

La gestion de la dissipation thermique de la puce nue du DSP est complexe, car la même puissance doit être dissipée sur une surface plus petite. Lors de la simulation thermique, une puissance maximale inférieure à 10 W a été appliquée à la puce nue KGD. Une bande de cuivre de 16 × 68 mm a été utilisée pour augmenter la surface de dissipation thermique, tandis que de la graisse thermique Prolimatech PK-3 a été appliquée entre la puce nue et la bande de cuivre, ainsi qu'entre cette dernière et le boîtier métallique. Dans ces conditions, avec une température ambiante de 70 °C et une puissance maximale inférieure à 10 W, la température de la puce nue a été simulée à 84.2 °C, soit bien en dessous de la limite de fonctionnement de 85 °C. Bien que la puce nue KGD n'occupe qu'un dixième de la surface du DSP encapsulé, le matériau d'interface thermique (TIM) optimisé, exploitant l'excellente conductivité thermique de la bande de cuivre et sa surface de contact accrue, assure une dissipation thermique efficace.

Résumé et perspectives

L'analyse complète du DSP encapsulé traditionnel et du DSP KGD démontre clairement que l'intégration directe du DSP KGD dans un câble électrique actif (AEC) représente une avancée significative en matière de conception et de performances d'interconnexion haut débit. Comparé aux configurations encapsulées classiques, le DSP KGD présente des avantages remarquables en termes d'intégrité du signal et d'efficacité énergétique. Grâce à l'utilisation de matériaux avancés tels que des bandes de cuivre à haute conductivité thermique et de la graisse thermique Prolimatech PK-3, cette conception répond efficacement aux défis de dissipation thermique imposés par la taille compacte de la puce, garantissant un fonctionnement fiable du DSP dans la plage de températures spécifiée, même à puissance maximale. Ces avancées ouvrent la voie à de nouvelles innovations dans la transmission de données à haut débit et les performances des systèmes électroniques.