數據中心是現代數字經濟的支柱，在支持廣泛的商業應用及個人應用方面發揮著關鍵作用。現代社會產生並傳輸的數據量持續增長。為此，相關組織正設法提高服務器、網絡和存儲系統的計算能力和數據傳輸性能。許多趨勢促成了數據的生成、傳輸和存儲出現爆炸式增長，這些趨勢包括：物聯網(IoT)的普及，雲計算、大數據、加密貨幣、虛擬現實(VR)/增強現實(AR)、遠程辦公被更多人使用，5G無線網絡的推出以及網際網路接入更多發展中國家，使得網民數量持續擴大。
隨著人們對數據中心容量需求的增加，企業正在尋找最有效的空間利用方法。數據中心開發人員不得不重新考慮如何設計和構建服務器，以應對人們不斷增長的計算、網絡和存儲容量需求的相關挑戰。新設計趨向使用尺寸更小、功能更強的新組件。
在下一代數據中心中，一方面存在電力和物理空間緊缺問題，另一方面，為了滿足未來網際網路的容量需求，還必須增加計算、網絡和存儲容量。為了解決該矛盾，工程師們必須在服務器設計中採用下一代高密度組件。這些組件不僅要布局緊湊，而且為了確保信號完整性還必須高度可靠和堅固耐用。
高速信息傳輸方面的挑戰
在為未來數據中心設計尺寸更小、更堅固的連接器和布線組件方面，存在一些工程設計挑戰，其中就包括設計高速信號路徑。這些與信號完整性(SI)相關的挑戰很多，並以各種方式對數據速率的提升和數據的可靠傳輸產生重大影響。在信號完整性和整體電路布局方面，工程師必須考慮一些更關鍵的因素，包括：
關鍵因素
串擾
串擾是指能量從一條信號路徑轉移到另一條信號路徑的無用能量傳輸，它會導致信號失真並降低系統的整體性能。
噪音
噪聲是任何可能干擾數據傳輸的外來信號。它可以由各種來源引入，包括外部來源(如電磁干擾(EMI)等)和內部來源(如開關噪聲等)。
信號損失
信號損失是指信號在通過傳輸介質時的性能下降。導致這種損耗的包括阻抗不匹配和傳輸線效應。
阻抗不匹配
阻抗不匹配是指信號路徑中兩點之間的阻抗差。阻抗不匹配會導致信號反射並降低系統的整體性能。從歷史上看，相互插接的連接器組件若阻抗不匹配，則往往比PCB本身更容易形成更高頻率的信號反射源。
傳輸線效應
傳輸線效應是指信號如何通過傳輸介質傳播。高速信號的傳輸可能會受到趨膚效應、介電損耗和相位延遲等因素的干擾。這些影響會導致信號失真，並降低系統在延遲方面的整體性能。
配電
高速信號需要穩定的電源才能正常工作。工程師必須設計能夠為高速信號提供穩定電力而不會引入噪聲或其它中斷的配電系統。
熱管理
高速信號會產生大量熱量，這對管理來說是個挑戰。工程師必須設計能夠有效散熱的系統，以防止元器件過熱並確保系統的長期可靠性。
精心設計和製造的連接器和接線組件，對於最大限度地減少負面因素的出現至關重要。但是，工程師在布線組件方面首先考慮以上必要事宜是有幫助的。
差分線對與單端信號
在差分信號中，兩個信號線(一對)通過一個通道同時傳輸，一個信號攜帶數據，另一個信號攜帶數據的逆向信號，也叫補碼。接收器比較兩個信號以提取原始數據。差分信號比單端信號更能抵抗噪聲和干擾，因為噪聲或干擾對兩個信號的影響相同，接收器可以將兩個信號相抵以消除噪聲。
在單端信號中，只有一個信號線攜帶數據，信道的另一端是一個公共接地或參考電位。單端信號比差分信號更直接和更常見，但它更容易受到噪聲和干擾的影響，因為無互補信號的保護。
下一代PCIe
PCIe(Peripheral Component Interconnect Express的縮寫)是一種高速計算機擴展總線標準，它將計算機連接到一個或多個外圍設備。英特爾在2004年開發了PCIe，以替代舊的PCI(外圍組件互連)和AGP(加速圖形埠)標準。
PCIe的主要優勢之一是其數據傳輸速率比舊的PCI和AGP標準高得多。這使其適用於高帶寬設備，如顯卡和固態驅動器。除了數據傳輸速率高外，PCIe還支持熱插拔，允許在不關閉系統的情況下向系統添加或刪除設備。這對於服務器來說特別有用，因為服務器需要能夠在設備仍在運行時添加和刪除設備。
2019年，PCIe的第5代標準發布。第5代PCIe的一些主要功能包括：
數據傳輸速率高達32GT/s(每秒傳輸千兆比特數據)，大約是PCIe Gen 4數據傳輸速率的兩倍，是PCIe Gen 3數據傳輸速率的4倍；
改進了信號完整性和抗干擾性，這要歸功於許多設計革新，包括使用低損耗材料、改進型均衡技術和增強的信噪比；
採用了多項電源管理增強功能，提高了電源效率，包括採用低功耗狀態和更高效的信號編碼方案；
增強了互操作性，這得益於他們改進了與前幾代PCIe標準的向後兼容性。
PCIe Gen 5預計將被廣泛應用，包括應用於高性能計算、數據中心、網絡、存儲和消費電子產品。此外，它在數據傳輸速率高和延遲低的關鍵應用場合中具有優勢，例如在高速存儲系統和實時數據處理應用場合中。第5代規範還對信號速度(32Gbps NRZ(不歸零制))和引腳數量提出了嚴格的要求。
Molex莫仕走在了該領域的前列，並隨時準備通過其來幫助工程師應對在設計下一代網絡和存儲設備的挑戰。通過將工程和製造專業技術與PCIe Gen 5規範的優勢相結合，Molex莫仕將性能強大且堅固耐用的連接器和電纜組件推向市場。這些組件旨在滿足未來數據中心的計算、聯網和存儲需求。
NearStack:通過科技創新應對業務挑戰
(以下簡稱為NS PCIe)
NS PCIe專注於快速可靠地將數據從A點移動到B點，同時管理好成本、減少插入損耗和信號延遲並提高信號完整性。它由連接器和電纜組件組成，兩者都針對高速數據環境進行了優化。連接器和電纜組件具有72個引腳，電纜組件提供各種配置。NS PCIe電纜使用有阻抗控制功能的差分線對(雙同軸)，類似於同軸電纜，但有兩根導體。電纜組件旨在提供低信號損耗和最小串擾，確保高速可靠的數據傳輸。
NS PCIe連接方案的主要優點之一是其高密度設計。連接器和電纜組件設計得儘可能小而緊湊，因此在給定的PCB區域放置更多的連接器。此外，NS PCIe具有較低的插配高度。這使得它非常適合在服務器主板環境等擁擠的PCB環境中使用，在這些環境中空間非常寶貴。除了連接服務器組件，NS PCIe連接方案還可以用於連接存儲設備硬體、高性能計算硬體和加速器硬體(超詳細圖形、機器學習等)。
NS PCIe連接方案還有其它幾項優點：
1
該方案靈活且可擴展到下一代應用中，這使其易於適應不斷變化的業務需求。
2
NS PCIe方案易於安裝，且需要的維護量極少，對於希望降低It成本的企業來說很有吸引力。
3
該方案可靠性高，故障率低，使用壽命長，是關鍵任務應用場合的絕佳選擇。
如前所述，阻抗不匹配導致的信號損失是工程師在設計高速信號路徑時面臨的挑戰之一。為了解決這個問題，NS PCIe提供了一個解決方案。當使用互操作性卡片機電(CEM)插槽時，PCIe Gen 5規範要求PCB路由的阻抗為85歐姆。為此，NS PCIe使用的電纜組件和連接器提供了85歐姆阻抗，目的是減少信號路徑上的回波損耗。
除了用於連接數據中心相關的網絡、存儲和服務器外，NS PCIe所支持的可靠、高速數據傳輸還可用於電信等其它場合。在深入研究Molex莫仕的NearStack PCIe技術之前，最好先退後一步，研究一下在構建高速連接器和布線組件方面所面臨的挑戰。
A到B點：NearStack PCIe電線結構
為了解決差分線對和單端信號的信號完整性問題，NS PCIe電纜跳線組件利用30 AWG雙同軸線(Twinax)和34 AWG邊帶線。Twinax是一種專用於高速數據傳輸應用場合的電纜。它是由兩條平行的相互絕緣的銅線組成，外面由絕緣層包裹，在最外層有兩個接地導體。它們以高性能、低成本和易於安裝而聞名。
NearStack PCIe電纜組件有多種長度可供選擇，以滿足不同應用場合的需求。NearStack PCIe應用中使用的雙同軸電纜組件均採用內部屏蔽，以最大限度地減少差分線對之間的串擾。雙軸電纜的主要優點之一是它們能夠以低信號損失和最小串擾高速可靠地傳輸數據。因此非常適合用於需要高數據傳輸速率和高可靠性的高速網絡和存儲應用場合。
雙軸電纜還以其柔韌性和耐用性而聞名。它們能耐受彎曲和扭曲效應的影響，可以經受惡劣環境的嚴酷考驗。
除電線之外的其他挑戰
信號，是數據的電氣表示，信號必須從A點到達B點才能實現傳輸目的。這意味著信號必須穿過電纜解決方案中的電線。該路徑是通過連接器貫通的。PCB連接器本身採用立式插配。NS PCIe配接的電纜有3種出線形式：臥式(R/A)、傾斜式和立式，這是指電線離開塑殼的插配軸時的出線方式。高速信號通常需要專門的連接器件，以保持信號完整性並防止電磁信號等外部因素的干擾。歷史上，PCB被用作電線到連接器之間的連接中介。電纜組件內的該PCB被稱為“槳卡”。
雖然槳卡有助於簡化連接器的結構，但它們可能會對整個連接器封裝構成密度限制，且在PCIe Gen 5速率下，可能會對端到端信號完整性產生負面影響。在理想情況下，連接器只會對信號傳播造成延遲，但設計不佳的連接器也會因為影響定時(抖動：兩個邏輯狀態之間的過渡定時變化，可導致數據傳輸和解釋的錯誤)和幅度(噪聲)而對信號造成負面影響。NS PCIe採用直接接觸式焊接端接，電線被直接焊接到信號觸點上，因此無需槳卡。這種專門針對NearStack電纜的直接接觸設計元素是內部電纜結構和製造的真正革命。
從製造角度來看，若在自動化裝配中不採用槳卡，則可進行高度可重複性裝配，有助於獲得更可預測的信號完整性(SI)結果。此外，取消槳卡不僅有助於降低技術風險，而且還消除了與槳卡本身的設計和製造相關的成本和進度障礙。
Molex莫仕的NS PCIe產品系列包括3種類型的組件：
01. NearStack PCIe PCB插頭
02. 帶拉片的NearStack PCIe電纜組件(可提供臥式、傾斜式和立式出線)
03. 帶插銷的NearStack PCIe電纜組件(可提供臥式、傾斜式和立式出線)
其它值得注意的機械特性包括：
電纜連接器上的一體化金屬插銷與PCB連接器的金屬籠罩嚙合，在對配時形成牢固的強制鎖定。
提供立式、彎角式和臥式出線的電纜組件。系統設計人員因此可以更靈活地設計電纜布線。
藉助插頭上的金屬護罩，可獲得強制鎖定接口，實現焊尾附接和牢固可靠的電路板抓握。
信號引腳受到保護，可避免因角度高達6度的鏟式對配(插配時未對準)而造成故障。
在NearStack PCIe製造方面的考慮
Molex莫仕的NearStack PCIe技術為應用場合提供可靠連接，可輕鬆融入客戶設計。在開發之初，NS PCIe連接器系列產品和電纜跳線組件就專門依照PCIe標準而設計，並結合了相關設計元素，以滿足引腳排列、互連和信號完整性方面的要求。
NearStack電纜插座上採用獨特的彎曲橫樑接觸界面，因此在回流焊過程中不可能出現橫樑鬆弛。這意味著PCB損壞的風險降低，而損壞PCB的修復可能是困難和昂貴的。
Molex莫仕NearStack PCIe連接器裝在帶卷包裝內，帶有取放帽，可無縫融入到標準的PCB組裝工藝和工具中。因此，客戶可以開發經濟划算的解決方案，返工需求更少。
直接接觸式(DTC)雙軸端接將雙軸電纜的兩個導體直接端接到電纜信號的片座上，而不是端接在槳卡上，這使得電纜和連接器之間的連接更加直接和安全，從而提高了信號完整性。因為無需使用特殊的工具或設備，連接器的安裝也相對容易。
Molex莫仕的優勢
隨著未來數字化和互聯化趨勢的增強，物聯網不斷發展，並大量採用網際網路新興技術，如加密貨幣和AR/VR正在成為主流。數據中心成為未來的支柱。我們客戶的任務是為其終端用戶實現新一代cpu的全部功能，這就需要增加服務器和存儲硬體之間的連通性。NearStack PCIe連接器的設計考慮到了結構密度問題，可最大限度節省占用空間並實現布線的靈活性。此外，薄型設計最大限度地減少了連接器對系統熱性能的負面影響。
Molex莫仕在多學科領域擁有豐富的知識和工程經驗。它不僅是值得信賴的技術合作夥伴，還是可靠的供應商，專注於支持下一代數據中心架構、網絡解決方案和存儲硬體。
對於尋求提高下一代系統性能的服務器硬體製造商來說，是絕佳的選擇。它以緊湊的外形提供快速可靠的數據傳輸連接，並且易於安裝和維護。此外，其高密度設計、可靠性和可擴展性使其成為數據中心和其它空間稀缺應用場合的理想選擇。為了使NS PCIe技術能夠適應未來即將推出的第6代PCIe規範，Molex莫仕制定了相應的路線圖，提供了一條升級路徑，使您的服務器應用能夠適應下一代數據速率。
作者：Molex莫仕新產品開發經理, Bill Wilson
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