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高速コンピュータケーブルでシグナルインテグリティがどのように低下するのか、またそれを制御する構造パラメータは何か

高性能で コンピュータケーブル マルチギガビットのデータレートで動作する場合、シグナルインテグリティは単一の測定可能な特性ではなく、減衰、反射、クロストーク、モード変換という相互に依存する 4 つの劣化メカニズムの集合的な結果であり、各メカニズムは製造段階での特定の構成パラメータによって制御されます。各メカニズムがどのように発生するかを理解することで、エンジニアは、どのケーブル構造属性が特定のデータ レートにとって真に重要であり、どの属性がターゲット周波数での機能的な重要性を持たないマーケティング上の特徴であるかを特定できるようになります。

ケーブルの挿入損失仕様で説明されているように、導体の表皮効果と絶縁体の誘電損失により、減衰は周波数とともに増加します。 10 Gbps (NRZ 信号のナイキスト周波数は約 5 GHz) では、発泡ポリエチレン絶縁体が使用されていない場合、1 メートルのケーブル上の挿入損失は誘電損失によって支配されます。固体 PE の損失正接は約 0.0002 ですが、PVC の損失正接は 250 倍です。 25Gbps 以上で動作するように設計されたケーブルの場合、絶縁誘電体の発泡パーセントが重要な製造パラメータになります。発泡空隙率が 10% 増加するごとに、実効誘電率が約 0.08 減少し、それに比例して損失正接が減少し、所定のデータ レートで使用可能なケーブル長が大幅に延長されます。

反射は、インピーダンスの不連続点、つまり特性インピーダンスが公称値から逸脱するケーブル上の任意の点で発生します。製造上のインピーダンス変動の主な原因は絶縁体の偏心です。絶縁壁が導体の一方の側でもう一方の側よりも厚い場合、導体のペアがねじれによって回転するにつれて局所的な特性インピーダンスが変化します。これにより、撚り撚り周波数で周期的なインピーダンス変化が生じ、撚り長さの高調波に対応する特定の周波数で構造的なリターンロスのピークが生成されます。 15 mm のツイストレイ長のケーブルは、10GBase-T および PCIe Gen 4 アプリケーションの動作帯域内で直接、約 10 GHz で構造的なリターンロス共振を生成します。精密な金型設計と押出プロセスにおける溶融圧力の安定化により、絶縁体の偏心を公称肉厚の ±5% 未満に制御することが、構造的なリターンロスに対する製造対策となります。

USB ケーブルの世代とパフォーマンスの各ステップアップに必要なエンジニアリングの変更

USB の各世代では、同じ設計で公差を厳しくするだけでなく、ケーブル構造の根本的な変更が必要になりました。 USB2.0 から USB4 への進歩は、データ レートの 1,000 倍の増加 (480Mbps から 40Gbps) を表しており、この範囲の両端で必要なケーブル構造には、導体材料以外の設計上の共通点はほとんどありません。

USB4 Gen 3×2 ケーブル (40 Gbps) のパッシブ長さの制限には特に注意が必要です。 0.8 メートルのパッシブ制限は安全仕様ではなく、信号完全性の制限です。この長さを超えると、挿入損失とペア間スキューが累積して受信機のイコライゼーション能力を超えるレベルになります。 40 Gbps でパッシブ リーチを 0.8 メートルを超えて拡張するケーブル メーカーは、ケーブルの周波数依存の減衰を補償するアクティブ リタイマーまたはリニア イコライザー IC をケーブル アセンブリ内 (通常は一方または両方のコネクタ ハウジング内) に組み込む必要があります。これらのアクティブ要素はコストを増加させ、電力 (USB 電力供給バスから供給) を必要とし、コネクタ ハウジング内で放散する必要がある熱を生成し、遅延を引き起こします。 「USB4 40 Gbps 2 メートル」というラベルが貼られたケーブルは、そのアクティブ コンポーネントが開示されていない、または接続時に VBUS から電力を供給していないため、懐疑的に見るべきです。2 メートルでのパッシブ 40 Gbps 性能は、現在利用可能な導体と絶縁材料の組み合わせでは達成できないためです。

ペア内およびペア間のスキュー: 差動ペアのタイミング エラーが最大データ レートを制限する理由

スキューとは、同時に到着する信号間のタイミング差であり、高性能では コンピュータケーブル それは、差動ペア内 (ペア内スキュー) と異なるペア間 (ペア間スキュー) の 2 つのレベルで現れます。どちらのタイプも信号の完全性を低下させますが、そのメカニズムは異なり、それぞれが異なる製造パラメータによって制御されます。

ペア内スキュー (単一の差動ペアの「 」導体と「-」導体間の伝播遅延差) は、主に 2 つの導体間の幾何学的非対称から発生します。ペアの一方の導体の直径が部分的に大きく、絶縁壁がわずかに厚い場合、または相手よりも系統的にケーブル中心に近い位置に配置されている場合、その導体の伝播速度は相手とはわずかに異なります。ケーブル内の伝播速度は v = c/√(εeff) で、εeff は導体を取り囲む絶縁体の実効誘電率です。ペアの 2 つの導体間の誘電環境に非対称性があると、伝播速度の差が生じ、したがってペア内スキューが生じます。 40 Gbps (NRZ シグナリングの場合は 25 ps UI) では、1 メートルのケーブル上で蓄積されたペア内スキューが 1 ps/m であっても、ユニット間隔の 4% を占め、受信機のクロックおよびデータ回復回路が受信データ アイを正しくサンプリングするためのマージンはほとんど残りません。 USB4 Gen 3×2 仕様では、ペア内スキューが 3 ps/m に制限されており、ケーブル全長にわたって導体直径の一致が ±0.5% 以内、絶縁壁の偏心率が ±3% 未満であることが必要です。

ペア間スキュー (関連する信号を伝送する別々のペア間の伝播遅延の差) は、PCIe、HDMI 2.1、DisplayPort 2.0 など、複数のレーンを並行して使用するプロトコルでは重要になります。これらのプロトコルでは、マルチレーンのデータワードがペア間で分割され、受信チップは元のデータを再構築するためにすべてのレーンを整列させる必要があります。レシーバは、レーン間スキュー補償回路を使用してペア間スキューを補償しますが、この補償の範囲は有限であり、通常、PCIe Gen 5 レシーバの場合は 20 ～ 64 UI です。ケーブル アセンブリのペア間スキューが受信機の補償範囲を超えている場合、個々のレーンの信号品質が許容範囲内であっても、リンクは確立できません。ペア間スキューは主に、ケーブル内のすべてのデータ ペアの電気長を一致させることによって制御されます。つまり、各ペアが同じ実効誘電率と物理的経路長を持つことを保証します。これは、一致した撚り長さ、すべてのペアにわたって一致した絶縁誘電率 (押出中に一貫した絶縁化合物の粘度が必要)、およびケーブル アセンブリ内で一致した長さのペアの配線によって実現されます。

アクティブな光ケーブル技術: コンピューターの銅線ケーブルが物理的限界に達する時期と理由

銅ベースの高性能コンピュータ ケーブルは、基本的な物理的制限に直面しています。データ レートが増加すると、表皮効果と誘電損失が比例して増加し、特定のデータ レートをサポートできるパッシブ ケーブルの最大長が減少します。 100 Gbps 以上の場合、この制限は、データセンターのラック配線 (3 ～ 5 メートル) およびラック間接続 (10 ～ 30 メートル) に関連するケーブル長で実際的な制約になります。アクティブ光ケーブル (AOC) は、両端で標準の銅電気インターフェイスを使用しますが、コネクタ ハウジング内で信号を光に変換して光ファイバーで伝送します。データセンターの距離で 1 メートルあたりの減衰が無視できる伝送媒体 (ファイバー内の光) を使用することで、この制限を回避します。

AOC における光電変換は、送信コネクタの VCSEL (垂直共振器面発光レーザー) ドライバー IC と受信コネクタの光検出器で行われます。機器ポートと VCSEL ドライバー間の銅線ケーブルは通常 10 ～ 15 mm 未満で、データ レートに関係なく銅損が無視できるほど十分に短いです。このアーキテクチャにより、AOC は標準の電気インターフェイス (SFP、QSFP28、QSFP-DD、またはその他のフォーム ファクター) をホスト機器に提供しながら、ファイバーの種類と光の波長に応じて、有効リンク長を 50 ～ 100 メートル以上に透過的に拡張できます。ホスト機器の観点からは、AOC はパッシブ銅直接接続ケーブル (DAC) と区別できません。ドライバーの構成やリンク層の変更は必要ありません。

データセンター アプリケーションにおけるパッシブ銅線 DAC、アクティブ銅線ケーブル、AOC の選択を決定するトレードオフは、次の 3 つの主要な側面にわたって要約されています。

• 長さの範囲: パッシブ銅線 DAC は、100 Gbps で 0 ～ 3 メートル、400 Gbps で 0 ～ 1 メートルに最適です。アクティブ銅線ケーブルは、100 Gbps でパッシブ到達距離を 5 ～ 7 メートルまで延長します。 AOC は 1 ～ 100 メートル (シングルモード ファイバーでは 300 メートルまで) をサポートしており、400 Gbps 以上の通路間およびラック間接続の唯一の実行可能なオプションになります。
• 消費電力: パッシブ銅線 DAC は、ケーブル アセンブリ自体で電力を消費しません (トランシーバーでのみ)。アクティブな銅線は、ケーブルに組み込まれた電子機器の端あたり 0.5 ～ 1.5 W を消費します。 AOC は、VCSEL ドライバおよび光検出器回路の端ごとに 1.0 ～ 3.0 W を消費します。 10,000 のアクティブ リンクを持つデータ センターでは、パッシブ DAC と AOC の電力差は、冷却能力を必要とする追加の熱負荷として 20 ～ 30 kW に相当する可能性があります。
• 修復性と柔軟性: パッシブ銅線 DAC は、コネクタが損傷した場合に現場で再終端できます。ケーブル自体には、物理​​的な損傷とは関係なく故障する可能性のあるコンポーネントはありません。 AOC アセンブリは修理できません。VCSEL、ドライバー IC、またはファイバー スプライスに障害が発生すると、ケーブル アセンブリ全体を交換する必要があります。また、AOC ケーブルは、ファイバーの曲げ半径制限 (OM3/OM4 マルチモード ファイバーの場合は通常 30 mm) が銅製コンピューター ケーブルよりも厳しいため、銅製ケーブルよりも曲げ半径違反に対して脆弱です。

Gen 3 から Gen 6 までの PCIe ケーブル仕様: 世代間での変更点とその理由

PCI Express は 6 世代にわたって進化し、各段階でデータ レートが 2 倍になり、各世代の移行では、仕様のコンプライアンス マージン内で信号の整合性を維持するためにケーブル構造の変更が必要になりました。ケーブルが主な信号伝送媒体であるネットワーク ケーブルとは異なり、PCIe ケーブルは、ケーブルが PCB トレース、コネクタ、ビアなどの長いチャネルの 1 セグメントである拡張スロットまたはアドイン カードを接続します。そのため、ケーブルの挿入損失バジェットはチャネル バジェット全体のほんの一部にすぎません。

PCIe Gen 3 (レーンあたり 8 GT/s) では、4 GHz (8 GT/s NRZ シグナリングのナイキスト周波数) で 20 dB の合計チャネル挿入損失制限が指定されています。このチャネル内のケーブル セグメントの実際の割り当ては 8 ～ 10 dB で、固体 PE 絶縁を使用した適切に設計されたフォイル シールド ツイスト ペア構造により 1 ～ 2 メートルのケーブル長が可能になります。 Gen 3 で導入された符号化スキーム (128b/130b) は符号化効率を向上させましたが、ライン レートに対するナイキスト周波数は変化しませんでした。

PCIe Gen 4 (16 GT/s) では、ナイキスト周波数が 8 GHz に 2 倍になり、導体の表皮効果損失 (√f に比例) と誘電損失 (f に比例) の両方が増加したため、同じケーブル長で挿入損失がほぼ 2 倍になりました。削減された割り当て内でケーブルセグメントの挿入損失を維持するために、固体 PE は同等の発泡 PE 構造よりも 8 GHz で 15 ～ 20% 高い挿入損失を生成するため、Gen 4 では 0.5 メートルを超えるケーブルには発泡 PE 絶縁が事実上必須になりました。 PCIe Gen 5 (32 GT/s、16 GHz ナイキスト) では、ケーブル挿入損失要件が、PCIe SIG がアクティブ ケーブル要件を定義する OCuLink および PCIe ケーブル仕様 v2.0 をリリースするところまで押し上げられ、32 GT/s で 1 メートルを超えるパッシブ ケーブル長には、コンプライアンスを維持するために組み込み信号調整が必要であることが認められました。

PCIe Gen 6 では、NRZ の代わりに PAM4 (4 レベル パルス振幅変調) エンコーディングが導入され、特定のデータ レートに必要なナイキスト周波数が半分になりました (PAM4 を使用した 64 GT/s は、32 GT/s NRZ と同じ 16 GHz ナイキストを持ちます)。このエンコーディングの変更により、ケーブルの挿入損失要件が部分的に緩和されましたが、直線性要件が導入されました。PAM4 は 2 つの信号レベルではなく 4 つの信号レベルを使用し、ケーブルの周波数応答の非線形性により、さまざまな信号レベルでのアイの高さが不等になり、内側のアイ開口部のノイズ マージンが減少します。したがって、PCIe Gen 6 用の高性能コンピュータ ケーブルは、挿入損失の制限だけでなく、群遅延変動 (信号伝播速度の周波数依存性) の制限も満たさなければなりません。これにより、PAM4 のパフォーマンスに不釣り合いな影響を与える振幅対位相の歪みが生じます。

高速コンピュータケーブルの導体材料オプション: 銅被覆アルミニウムと銀メッキ銅の比較

高性能コンピューター ケーブルの導体材質は、見た目よりも微妙な仕様になります。銅は普遍的なベースラインですが、銅被覆アルミニウム (CCA) と銀メッキ銅 (SPC) という 2 つの改良された導体構造が特定の状況で使用されており、それらの性能のトレードオフは一般的な調達実務ではほとんど理解されていません。

銅クラッドアルミニウム (CCA)

CCA 導体は、アルミニウムのコアと銅の薄い外層で構成されています。銅層の厚さは通常、導体の半径の 10 ～ 15% です。 CCA は、純銅と比較して大幅な重量とコストの削減を実現します。アルミニウムの密度は 2.7 g/cm3 であるのに対し、銅の密度は 8.9 g/cm3 であるため、CCA 導体は単位長さあたり約 40 ～ 45% 軽量になります。表皮効果によって電流が導体表面に閉じ込められる高周波では、CCA は固体銅と本質的に同じように動作します。銅の 1 GHz での表皮深さは約 2 μm で、これは実際の CCA 導体の銅クラッドの厚さよりもはるかに薄いです。このため、CCA は、電流密度が銅クラッド層に集中する高周波信号導体に対して技術的に許容されます。 CCA の制限は、電流が導体断面全体に浸透する DC および低周波アプリケーションで発生します。アルミニウムの導電率は銅の約 61% であるため、CCA 導体は同じ直径の純銅よりも大幅に高い DC 抵抗を持ちます。コンピュータ ケーブル内の電源導体 (USB VBUS、PCIe 補助電源) の場合、DC 抵抗が高くなると、定格電流での電圧降下が大きくなり、I²R の発熱が大きくなります。そのため、CCA データ導体が許容される同じケーブル内の電源導体には純銅が望ましいことになります。

銀メッキ銅 (SPC)

銀は銅よりわずかに高い導電性を持ち（6.30 × 10⁷ S/m 対 5.96 × 10⁷ S/m）、その優れた表面特性（酸化銅とは異なり、酸化銀は導電性です）により、電流が非常に薄い表面層を流れる非常に高い周波数で銀めっきが有益になります。高周波コンピュータケーブルにおける銀めっきの主な実用上の利点は、限界導電率の向上ではなく、導体表面での酸化銅の形成の防止です。酸化銅は、金属銅よりも導電率がはるかに低い半導体です。導体表面の酸化が進行すると、実効表皮深さ抵抗がバルク銅の導電率から予測される値を超えて増加し、ケーブルに指定されているよりも高い挿入損失が発生します。銀メッキは、耐酸化性の表面層を提供することにより、ケーブルの耐用年数全体にわたって導体の表面抵抗を設計値に維持します。この利点は、湿気の多い環境や軽度の腐食性の環境で使用または操作する前にケーブルを長期間保管する場合に最も顕著です。クリーンな環境で製造直後に使用されるケーブルの場合、銀メッキ導体と裸の銅導体の違いは測定可能ですが、通常、挿入損失の仕様制限と比較すると小さいです。

生産現場でのパフォーマンス不足を防ぐために、OEM コンピュータ ケーブルの仕様をどのように記述する必要があるか

電気パラメータ (インピーダンス、挿入損失、クロストーク) のみに焦点を当てたカスタム OEM コンピュータ ケーブル仕様では、これらのパラメータを生み出す基礎となる構造属性を指定せずに、検証上の問題が発生します。つまり、ケーブルはサンプル バッチで測定された電気仕様を満たすことができますが、異なる製造条件下または経年劣化後に仕様外の性能が生じる構造の選択を使用することになります。堅牢な OEM 仕様では、測定可能な電気的性能パラメータと、それらのパラメータが製造バッチ全体および耐用年数全体にわたって確実に維持されるようにするための構造上の制約の両方が定義されています。

次の構造パラメータは、メーカーの裁量に任せるのではなく、高性能コンピュータ ケーブルの OEM 仕様で明示的に指定する必要があります。

• 導体材質と撚線クラス： 同じケーブル内の信号導体と電力導体に対して、単線またはより線、裸銅または銀メッキ銅または CCA、およびより線クラス (IEC 60228 クラス 2、5、または 6) を個別に指定します。 「28 AWG 導体」とのみ記載されている仕様では、メーカーは開示することなく、電源導体に CCA を使用し、信号導体に純銅を使用するか、その逆を自由に使用できます。
• 断熱材と発泡体の割合 (発泡している場合): 公称肉厚だけでなく、断熱ポリマーのタイプ (固体 PE、最小発泡割合の発泡 PE、FEP、または PTFE) を指定します。絶縁壁の厚さは同じですが、誘電率が異なる 2 本のケーブル (固体 PE と発泡 PE) は、高周波での特性インピーダンスと挿入損失値が異なります。
• ツイストレイの長さの範囲と許容差: 各差動ペアの公称撚り長さと最大許容偏差を指定します。レイの長さは、構造的なリターンロスのピーク周波数とペアバランスを直接制御します。制御されていないレイ長の変動はバッチ間のインピーダンスの変動を引き起こし、時間領域の反射率測定テストなしでは診断が困難になる可能性があります。
• シールドの構造と適用範囲: 各ペア シールドのフォイルの種類 (アルミ処理ポリエステルまたはアルミ処理ポリプロピレン)、フォイルのオーバーラップ率、およびドレイン ワイヤの材質を指定し、さらに外側編組シールドの全体の編組被覆率とワイヤ直径を指定します。これらの詳細を省略した「完全シールド」では、メーカーは、技術的にはシールド材を含む最小限のカバレッジ構造を使用できますが、ギガヘルツ周波数での EMI 抑制が不十分になります。
• 第一物品検査 (FAI) の要件: 最初の生産実行からサンプルのどのパラメータを測定する必要があるか、どのような試験装置と手順を使用するか、および何が合格結果を構成するかを指定します。 FAI は、サンプル承認後の低コスト構造への代替を防止する契約メカニズムです。 OEM 仕様に明示的な FAI 要件がなければ、メーカーは、承認されたサンプルで使用された構造をその後の生産工程にわたって維持する契約上の義務を負いません。

規制認証 (UL、CE、FCC Part 15) の対象となる製品での使用を目的としたコンピューター ケーブルの場合、OEM 仕様では、ケーブル自体に個別の認証が必要かどうか、または最終製品アセンブリ内のコンポーネントとして認証されるかどうかも明確にする必要があります。ケーブルレベルの認証では、特定の構造がテストされ、認証機関のスキームに基づいてリストされることが必要です。最終製品認証は、独立したケーブルレベルのマークを必要とせずに、ケーブルを内部コンポーネントとしてカバーします。指定されたものと認証パスが実際に要求するものとの間の不一致は、プロジェクト遅延の一般的な原因です。規制当局の審査により、「UL リスト」として指定されているケーブルが実際にはコンポーネントとしてのみ UL 認定されているか、意図したアプリケーションが必要とする電圧/温度定格とは異なる電圧/温度定格で UL リストを保持していることが判明した場合です。