Steckverbinder für die Kommunikation Ausgelegt für 10 Gbps

Autor / Redakteur: Herbert Endres* / Kristin Rinortner

Bis zum Jahr 2000 war bei Steckverbindern für Telekommunikation und Datentechnik vom Hype und der Einzigartigkeit in Bezug auf Signaldichte und Datenraten die Rede. Seit die Internetblase geplatzt ist, hat sich dies relativiert. Allerdings ging die Entwicklung weiter und es ist interessant, die gesamte Historie dieser Steckverbinder zu betrachten.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Steckverbinder für die Telekommunikation müssen äußerst zuverlässig sein (99,999% Verfügbarkeit). Das führt zu Anforderungen wie doppelseitige Kontaktgabe (zwei unabhängige Kontaktfedern parallel) und porenfreie Goldoberflächen (nach Bellcore/Telcordia GR-1217-CORE). Außerdem muss die Aufbautechnik es erlauben, die Baugruppen (welche oft redundant ausgelegt werden) zu tauschen, ohne dass an der Frontplatte die Ein- und Ausgänge abgesteckt werden müssen. D.h., diese Verbindungen werden ebenfalls von der Rückseite zugeführt. Die Rückwandleiterplatte (Backplane) ist also das Herz der Anlagen, weshalb der Entwurf der Gerätearchitektur meistens mit dem Backplanekonzept beginnt. Die Frontplatte wies nur Signal- und Servicelemente, die für den Datenfluss unerheblich waren, auf.

Rückwandleiterplatten-Steckverbinder

Die 70-er und 80-er Jahre des vergangenen Jahrhunderts wurden dominiert von DIN41612-artigen Rückwandleiterplatten-Steckverbindern. Über diese Rückwandleiterplatten (Backplanes) erfolgte sowohl die Querverdrahtung der Baugruppen untereinander als auch die Verbindung zu den Anschlussfeldern. Diese waren ursprünglich auf der Rückseite der Anlagen platziert, wurden dann aber durch die Einführung der ETSI Aufbautechnik (die Schranktiefe reduzierte sich von 600 mm auf 300 mm) nach vorne geführt, wo D-Sub Steckverbinder den Anschlussbereich der Anlagen beherrschten.

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Durch die Digitalisierung und der damit verbundenen höheren Packungsdichte der Elektronik wurde es eng mit den max. 200 Kontakten von jeder Baugruppe (ca. 500 mm hoch) zur Backplane. Deshalb gab es in den frühern 90-er Jahren drei Generationen neuer Backplane Steckverbinder: Die 4- und 5-reihigen Futurebus-Verbinder nach IEC-10076-400-101, die 5-reihige hart-metrische 2,5-mm-Steckverbinderfamilie nach IEC-10076-400-100 und die 5-reihige hart-metrische 2-mm-Familie, auch HM2 genannt.

Diese Neuentwicklungen brachten ca. 80% mehr Kontakte auf die gleiche Baugruppenhöhe und übertrugen mehr Signale mit einer max. Datenrate von 622 Mbps. Mussten höhere Signalraten übertragen werden, opferte man einige Kontakte, legte sie auf Masse, und hatte so einen Pseudoschirm innerhalb des Steckverbinders. Dieser genügte, um das Übersprechen in Grenzen zu halten und die Signalintegrität zu gewährleisten.

Die Backplane-Steckverbinder der 90er Jahre

Erst als die Weiterentwicklung der Halbleiter gegen Ende des Jahrtausends Datenraten von 2,5 Gbps und mehr zuließen, wurden geschirmte Steckverbinder entwickelt, mit denen differenzielle Signale bei gleichzeitig höchster Packungsdichte übertragen wurden. Die High-Speed-Gurus spalteten sich in zwei Lager:

Die einen waren von integrierten Schirmblechen überzeugt. Mit diesen konnten auch Daten übertragen werden, deren Skew (Gleichlauf des differenziellen Signalpaares) aufgrund von Routing- und Fertigungstoleranzen nicht optimal war, wobei die Schirmbleche ein Nebensprechen der durch den Skew erzeugten Ausbeulungen des magentischen Feldes verhinderten. Die anderen wollten Steckverbinder preiswerter gestalten, indem sie die Schirmbleche ganz wegließen, das Dielektrikum durch Luft und die fehlenden Schirmbleche durch Masseübergänge nach dem Schema G SS G SS G ersetzten.

Spaltung der Steckverbinderhersteller

Beide Lager fanden „ihre“ Steckverbinderhersteller, sodass heute sowohl voll geschirmte Backplanesteckverbinder mit Rundumschirmung jedes differenziellen Paares, als auch solche mit frei wählbaren Massebrücken zwischen den Signalpärchen (oder auch Einzelsignalen) verfügbar sind.

Letztere haben den Vorteil, dass sie besser skalierbar sind, weil in den meisten Baugruppen der Telekommunikations- und Datentechnik nur 30 bis 40% der Signale differenzielle Hochgeschwindigkeitssignale, währen die übrigen 70 bis 60% niederfrequente Steuersignale sind. Nur Cross-Connect-Matrixbaugruppen bilden hier die Ausnahme.

Signalintegrität bei Backplane-Steckverbindern

Heute werden Backplane-Steckverbinder angeboten, deren Grenzen nicht durch die Qualität der Steckverbindungen, sondern durch Signalintegritätsprobleme beim Signalaustritt aus der Leiterplatte (durchkontaktierte Löcher erzeugen Impedanzsenken) und durch die Verluste der Trägermaterialien in den Leiterplatten und Backplanes begrenzt sind. Nur mit Hilfe der Halbleiterindustrie und entsprechenden Vorverzerrungs- und Entzerrerschaltungen ist es möglich, Datenraten über 10 Gbps bis zu max. 1 m in FR4-Leiterplatten zu übertragen.

Aktuelle Backplane-Steckverbinder

Ähnliches passierte im Bereich der Ein-/Ausgabesteckverbinder. Dominierte in den 80-er Jahren noch der D-Sub, wurde dieser in den 90-er Jahren durch geschirmte Versionen des RJ45-Steckverbinders abgelöst. Zu dieser Zeit war man der Meinung, dass 100BaseT, d.h. 100 MHz getaktete Datenübertragung bis 200 Mbps das Ende der Fahnenstange ist. Geschwindigkeiten darüber hinaus benötigten entweder koaxiale Steckverbinder und Leitungen oder twinaxiale Steckverbinder und geschirmte Paarleitungen.

Bei Übertragungsraten von mehr 622 Mbps stellte man sich fiberoptische Kabel vor, d.h. nur Lichtwellenleiter – mit teueren und stromsaugenden Umsetzern (Transceivern), deren Bauelemente die MTBF-Werte der Systeme nach unten trieben – waren in der Lage, höhere Bitraten im Weitverkehr, aber auch innerhalb der Vermittlungsstellen zu realisieren.

Die 10-Gbps-Lanes der Multi Sourcing Alliance

Getrieben durch die Netzwerktechnik und insbesondere dort durch die modulare Gerätetechnik (kleinere Geräte unterschiedlichster Hersteller mussten miteinander vernetzt werden) wurden Ein-Ausgabe-Schnittstellen universeller gestaltet: Sie sollten in der Lage sein, sowohl Kupfer (für kurze Entfernungen) als auch Lichtwellenleiter (für mittlere Distanzen) zu bedienen. Aus diesen Vorgaben wurden die Ein-/Ausgabe-Einschubsysteme GBIC, SFP und XFP geboren – alles Entwicklungen der sogenannten MSA (Multi Sourcing Alliance), einer Arbeitsgemeinschaft von Geräte- und Komponentenherstellern, welche mit immenser Geschwindigkeit (im Verhältnis zu den bisherigen Aktivitäten der internationalen Standardisierungskomitees) die Pseudo-Standards erstellten, die heute Industriestandards sind. Diese Schnittstellen erlaubten Datenraten von 10 Gbps in beiden Richtungen (RX und TX) pro Port, man spricht seitdem auch in dieser Konfiguration von einer 10-Gbps-Lane.

Der Kupferstandard von Infiniband

Parallel dazu entwickelte die Arbeitsgruppe Infiniband Server einen Kupferstandard, welcher mit twinaxialen Kabeln Entfernungen bis zu 5 m bei Datenraten von 2,5 Gbps übertragen sollte. Weil die Bandbreite pro Lane aber zu gering war, mussten mehrere Lanes pro Port parallel übertragen werden. Mithilfe von intelligenten Kodiersystemen (8B/10B), welche zusätzliche Bits in die Signalfolge einfügten, um auf der Empfängerseite (auch bei unterschiedlichen Laufzeiten in den einzelnen Twinaxpaaren) die passenden Bits wieder zu einem Wort zusammenzufügen, wurde die seriell-parallele Übertragungstechnik geboren.

Infiniband hat daraufhin die 1X, 4X und 12X IO-Steckverbinder mit einer Bandbreite bis zu 30 Gbps am Port (RX und TX) entwickelt

Heute wird die seriell-parallele Übertragungstechnik mit 8B/10B-Kodierung, die von verschiedenen Normungsgruppen wie RapidIO oder PCI Express übernommen wurde, als fertiger Chip angeboten.

Nachteile der Infiniband-Schnittstelle

Die Infiniband-Schnittstelle hatte den Nachteil, dass sie auf die mechanische Aufbausysteme von Servern zugeschnitten war, die vor der Frontplatte genügend Platz für den relativ klobigen Steckerverbinder mit dem unflexiblen Kabel haben. Telekommunikationssysteme haben jedoch nur 37 bis 66 mm Platz zwischen Schranktür und Frontplatte, weshalb der Einsatz von Infiniband-Steckverbindern in Telekommunikationsanlagen nie zur Diskussion stand.

Die Speichertechnologie Hersteller, die zwischenzeitlich ebenfalls mit der seriellen SCSI Schnittstelle Datenraten von 3,25 Gbps seriell-parallel verarbeiten müssen und deren zukünftige Datenrate bei 6,25 Gbps (bereits heute vorhersehbar) liegen wird, suchten im Jahr 2006 nach einem Steckverbindersystem, das in der Lage ist, auf kleinstem Frontraum bis zu acht seriell-parallele Lanes zu übertragen. Molex bekam den Zuschlag für ein sogenanntes Paddle-Card-Stecksystem (eine Leiterplatte innerhalb des Kabelsteckers dient als Impedanz-Ausgleichsstück zwischen den Verbindungsstellen der Twinaxleitungen und dem eigentlichen Stecksystem) im Rastermaß 0,8 mm und der beidseitig versetzten Signalfolge G SS G.

Dieses Stecksystem mit dem Namen iPass wurde im Mai 2007 zum Standard festgeschrieben, hat aber in anderen HighSpeed-Anforderungen (PCI Express) gute Chancen zum Standard festgeschrieben zu werden. Außerdem ist das Stecksystem dort interessant, wo auf kleinstem Raum große Bandbreiten in EMV-sicherer Ausführung an die Außenwelt abgegeben werden müssen. Damit ist ein I/O-Stecksystem verfügbar, welches für Bandbreiten bis 120 Gbps in der 12X-Variante (12 Lanes je 10 Gbps) für Entfernungen bis 5 m mit Entzerrerunterstützung Daten überträgt.

Entwicklungen in der Aufbautechnik

Schließlich gilt es noch den Umschwung in der Entwicklung und in der Aufbautechnik über die letzten 5 Jahre zu betrachten. ATCA, AMC und µTCA sind die Schlagworte, die ein Umdenken in der Geräteentwicklung und in den Aufbausystemen vorangetrieben haben. Viele Systemfunktionen sind ähnlich. Gäbe es gewisse Standardkomponenten „von der Stange“, müsste bei den einzelnen Systemherstellern das Rad nicht immer wieder neu erfunden werden.

Um diese Standardkomponenten zu realisieren, ist eine Standard-Aufbautechnik erforderlich, mit der derartige Systemkomponenten Plug-and-Play kompatibel eingesetzt werden könnten. Im ersten Anlauf entwickelte man daraufhin die ATCA (Advanced TeleCom Architectur) als Aufbau- und Backplanesystem. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass man ein komplettes Gestell inklusive Backplane, Stromversorgung und Entlüftung „von der Stange“ kauft, darin Standard-Baugruppen einsetzt, einige wenige systemspezifische Baugruppen selbst entwickelt und das Ganze mit einem Softwarepaket versieht, das an die standardisierten Softwareschnittstellen der Baugruppen ankoppelt und die geforderte Gesamtfunktion realisiert. Ein exzellenter Ansatz mit einigen Nachteilen, insbesondere, weil diese aus USA getriebene Entwicklung nicht die ETSI-Bauweise mit 300 mm Gestelltiefe berücksichtigte und demzufolge für viele Anwendungen schon vom Bauvolumen nicht geeignet war.

Grenzen von AdvancedTCA

Über die Zukunftsstückzahlen von AdvancedTCA wurde viel spekuliert. Es ist jedoch nicht von der Hand zu weisen, dass sich AdvancedTCA einen gewissen Marktanteil erobert hat, der insbesondere bei Systemen, welche in kleineren Stückzahlen gebaut werden (<500>

Die MicroTCA-Aufbautechnik

Einige positive Abfallprodukte aus dem ersten AdvancedTCA-Konzept wurden aber weiterentwickelt, um die Aufbautechnik auch für kleinere Anlagen interessant zu machen. Dazu gehört die Übernahme der AMC (Advanced Mezzanine Card), einer frontseitig steckbaren Baugruppe mit bis zu 170 Anschlüssen in die MicroTCA-Aufbautechnik. Diese hat in etwa die Größe des älteren Semestern noch bekannten Europabaugruppenträgers in der 19“-Technik.

Stromversorgung(en) und ca. 14 AMC Baugruppen passen in einen Baugruppenträger mit den Außenabmessungen (B × H × T) 440 mm × 180 mm × 250 mm, der auch ein intelligentes Entlüftungssystem für 20 bis 60 W pro AMC Modul aufweist und für eine Systemverfügbarkeit von 99,99% bis 99,999% (trotz der eingesetzten Edgecard-Steckverbinder mit nur einem Kontaktpunkt) hat. Die Backplane dieser Systeme gibt es schon bis zu einer Datenrate von 10 Gbps pro differenzielles Paar von Molex.

Empfehlungen für die Zukunft

Somit ist die Telekommunikations- und Datentechnik gut gerüstet für eine Zukunft, deren Datenraten mit 10 Gbps sicher noch nicht am Ende ist. Es zeichnet sich bereits jetzt ab, dass diese Datenrate der Standard für die nächsten 5 Jahre werden wird und jeder Systemarchitekt ist gut beraten, nur noch Backplane-Steckverbinder, I/O-Verbinder oder Baugruppenträger für diese Geschwindigkeit ins Auge zu fassen. Selbst wenn heute „nur“ die Systemgeschwindigkeit 2,5 Gbps berücksichtigt werden muss, ist es zukunftssicher, bereits jetzt 10-Gbps-Komponenten einzudesignen.

*Herbert Endres ist verantwortlich für Technologie und Neuprojekte im Hause Molex.

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