Keine Bits, nichts als Rauschen!

Das Design von High-Speed-Systemen ist knifflig. Wissen Sie, was mit einem 25G-Signal passiert, wenn es über eine Backplane übertragen wird? Schlimme Dinge. Ohne Signalaufbereitung, sorgfältiges Layout und gute Impedanzkontrolle gibt es keine Bits, sondern nichts als Rauschen.

Ein Auto, mit dem man 250 km/h fahren kann, ist nicht zum Schnäppchenpreis zu haben. Denn schließlich ist mehr Technik nötig, um auch bei diesem hohen Tempo für die erforderliche Bodenhaftung zu sorgen und den Luftwiderstand zu überwinden. Ganz abgesehen davon lassen sich die Hersteller das Gefühl „Hey, dieses Auto steht mir richtig gut!“ natürlich gut bezahlen.

Bei der schnellen Datenübertragungen und Signalintegrität gelten die gleichen Gesetze. Dr. Howard Johnson hat bereits mehrere Bücher zu diesem Thema veröffentlicht. Der Untertitel „Advanced Black Magic“ deutet schon auf die Schwierigkeiten beim Design von High-Speed-Systemen hin.

Es wird nichts einfacher, sondern im Gegenteil alles sogar immer schwieriger. Das Interessante an unserer heutigen Welt ist der tiefgreifende Wissensdurst. Je inhaltsreicher die Informationen sind, umso schneller können die Menschen die Informationen verinnerlichen und weitergeben. Groß ist auch der Wunsch nach Kommunikation, und das gerade Gesagte gilt hier ebenfalls: je reichhaltiger der Inhalt (Fotos, Videos, Musik usw.) ist, umso reizvoller sind die Medien.

Die größte Bandbreitenexplosion aller Zeiten

Mit der Verabschiedung des Digital Millennium Copyright Act (DMCA), Title 2, das Dienstanbieter vor Urheberrechtsverletzungen beim Anfertigen lokaler Kopien zum Streamen (oder vor den Piraten, die sie stehlen) schützt, sowie mit der Installation von DOCSIS-Modems (mittlerweile in der Version 3.0 mit über 100 MBit/s in Up- und Downstream-Richtung, sofern der Internet-Anbieter mitzieht) ist der Weg frei für eine der größten Bandbreitenexplosionen, die wir je erlebt haben.

Dieser Bandbreitenzuwachs treibt den Ausbau des Datencenter-Equipments auf immer größere Kapazitäten voran. Es ist nicht lange her, da galt 1 GBit/s noch als viel. Inzwischen ist 10 GBit/s-Ethernet in Datencentern der Standard (per 802.3ae, optisch), und der Trend geht rasch zu 100G-Ethernet. Letzteres wurde bisher mit zehn Lanes à 10 GBit/s erreicht, doch geht man bereits auf vier Lanes à 25 GBit/s über, was der Zahl der Laser und Empfänger in den meisten 100G-Modulen entspricht.

Wissen Sie aber, was mit einem 25G-Signal passiert, wenn es über eine Backplane übertragen wird? Schlimme Dinge auf jeden Fall. Tatsache ist, dass es schon bei 10G Probleme gab und man sich eigentlich wundern muss, dass diese Technik überhaupt funktioniert.

Bild 1: PCI Express-Signale (Generation 1 bis 3) Bild 1: PCI Express-Signale (Generation 1 bis 3)

Schauen Sie sich dazu bitte einmal Bild 1 an. Es vergleicht PCI Express-Signale (Generation 1 bis 3) nach der Übertragung auf einer rund 66 cm langen differenziellen Leiterbahn auf einer Leiterplatte aus FR-4. Je höher die Übertragungsrate wird, umso mehr schließt sich das Auge.

Was einst problemlos lief, erfordert jetzt die Verwendung eines anderen Leiterplattenmaterials oder aktive Schaltungen zur Signalaufbereitung. Dabei sind diese Signale noch bedeutend langsamer als ein Stream mit 25 bis 28 GBit/s, wie er für das elektrische Interface optischer Module ins Auge gefasst wird. Ohne Signalaufbereitung, sorgfältiges Layout (schönen Dank, Dr. Johnson) und gute Impedanzkontrolle gibt es also keine Bits, sondern nichts als Rauschen.

2 Gedanken zu „Keine Bits, nichts als Rauschen!“

  1. Zunächst einmal vielen Dank für den „Experten-Blog für Analog-Entwickler“! Gute Idee, die hoffentlich auch gut angenommen wird!

    Dann:

    Im diesem Text heisst es u.a. : „… Schauen Sie sich dazu bitte einmal Bild 1 an .. “

    Das Bild kann ich leider aber nicht finden. Ist es mit 28 Gbit/s abgezischt??

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