企業のデータセンター機器に高性能なモジュラー接続を実装する方法

企業・クラウドのデータセンターや次世代通信インフラでビッグデータアプリケーションをサポートするサーバ、ストレージ、ネットワーク機器を設計する際、必要なデータレートに対応するコンパクトな接続ソリューションを提供することが課題となることがあります。これらのレートには、4レベルパルス振幅変調（PAM4）、PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）Gen 4および5、NVMe（Non-Volatile Memory Express）、SAS（Serial Attached SCSI）、SFP（Small Form factor Pluggable）、QSFP（Quad SFP）仕様を使用した最大56ギガビット/秒（Gbps）の高速信号が含まれています。

このようなアプリケーションでは、高いレベルのシグナルインテグリティ（SI）、モジュール性、拡張性を備え、保守・修理が容易でダウンタイムを最小限に抑える、スリムでコスト効率の高いコネクタが求められます。また、さまざまな相互運用性やSIニーズに対応するため、低挿入力で複数の嵌合サイクルを実現し、92、85、95オーム（Ω）などのインピーダンスを持つコネクタも必要です。

本ブログでは、PAM4、PCIe、NVMe、SAS、SFP、QSFPの業界標準とSIニーズについて紹介します。次に、PCIeを例に、高密度サーバ、ストレージ、ネットワーク機器におけるインピーダンス選択の重要性、カードエッジコネクタとケーブルコネクタのスリム化の必要性について説明します。また、企業・クラウドのデータセンター機器の高性能、コンパクト、モジュラー接続に使用できる、AmphenolのMini Cool Edgeコネクタオプションについても取り上げます。

標準への準拠 & SIの達成

Mini Cool Edgeコネクタの仕様は、サーバやストレージデバイス向けのライトアングル、ストラドルマウント、直交コネクタを含むストレージネットワーキング産業協会（SNIA）のスモールフォームファクタ（SFF）TA1002規格に準拠しています。この規格は、ソリッドステートドライブ（SDD）とネットワークインターフェースカード（NIC）3.0アプリケーション向けに、それぞれEnterprise and Datacenter Standard Form Factor（EDSFF）とOpen Compute Project（OCP）委員会によって採択されています。

Mini Cool Edge 0.60ミリメートル（mm）IO OverPass^TMソリューション（特にフライオーバーアプリケーション用に設計）は、低レイテンシのGen Zシステムアーキテクチャにも対応しており、高性能と強化されたSIを実現します。高速接続に必要なSIを実現するために、高安定のバランスインピーダンス、挿入損失、リターンロス、クロストークなどのSパラメータを備えたコネクタです。このコネクタは、1メートル（m）の伝送距離で最大56GbpsのPAM4、PCIe Gen 4およびGen 5のアドインカード（AIC）とケーブル接続のアプリケーションをサポートします。インピーダンスは、85Ω（G97シリーズ）、92Ω（G42シリーズ）、95Ω（G98シリーズ）から選択可能です。PCIe、NVMe、SAS、SFP(+)、QSFPの各仕様に対応し、さまざまなピン数を用意しています。

前述の通り、Mini Cool Edgeコネクタは多くのインターフェース仕様に対応しています。本ブログの残りの部分では、PCIeインターフェースに必要な設計上の考慮事項について説明します。

必要なインピーダンス

PCIeインターフェースの高速相互接続を設計する際には、プリント回路（プリント基板）トレースやビアなど、多くの考慮すべき要素があります。その中でもコネクタは最も重要な考慮事項の1つです。コンパクトなモジュラー接続ソリューションの設計では、SIを維持することが重要であり、そのためには正しいインピーダンスを選択することが不可欠です。

PCIe相互接続の種類が多いため、最適なインピーダンスの決定が複雑になります。その例として、ミッドプレーンからマザーボード（MB）へのフライオーバー、チップからチップへのフライオーバー、チップから外部への入出力（I/O）などが挙げられます（図1）。これらの相互接続は、片端または両端にICパッケージを持ち、プロセッサボード、ライザー、アドインカードのような複数のプリント基板を含む場合があります。そして、PCIeカードの電気機械（CEM）接続があります。85Ωのインピーダンスを要求することで、CEM仕様のシステムやカードの相互運用性を確保し、嵌合デバイスのインピーダンスのマッチングを保証します。ただし、85ΩはPCIeの絶対条件ではありません。

図1：フライオーバー相互接続はさまざまな形態があり、高いSIをサポートする必要があります。（画像提供：Amphenol）

CEMの相互運用性が不要な場合

CEMの相互運用性は、多くのPCIeアプリケーションでは必須ではありません。PCIeの仕様では、85Ωの要件は必ずしもコネクタ、ケーブル、ビアなどの相互接続に適用されないとされています。85Ωの要件は、CEMの相互運用性のために必要です。相互運用性の必要性がなければ、相互接続インピーダンスの選択は、SIの優先順位に依存します。たとえば、挿入損失を優先するのであれば、92Ωや95Ωといった高いインピーダンスを選択した方が良い場合もあります。

SIを最適化するためには、さまざまなインピーダンスの選択肢が必要です。それに加えて、左/右側の出口や、ライトアングル（RA）、ストレート相互接続など、さまざまな機械的設計に対応できる物理コネクタ構成が必要です（図2）。プリント基板のトレースと比較して、正しいフライオーバーコネクタとケーブルソリューションは、高いSIでより長い相互接続長を可能にし、メンテナンスと修理を簡素化しながらモジュール性と拡張性をサポートすることができます。

図2：さまざまな物理的構成を持つコネクタは、特定のアプリケーションのパッケージングニーズをサポートすることができます。（画像提供：Amphenol）

コンパクトなPCIeコネクタ

PCIe相互接続を設計する際には、AmphenolのMini Cool Edge IO OverPass^TMコネクタをご利用ください。このスリムなコネクタは、モジュール式かつ拡張可能で、修理しやすく、コスト効率に優れたシステム設計への新しいアプローチを提供します。0.60mmピッチで、最大56GbpsのPAM4/PCIe、Gen 4/PCIe、Gen 5/PCIeの高速信号に対応します。その他の主な特長は次の通りです。

• 垂直およびライトアングル構成（図3）。
• ストレート、ライトアングル、左/右側のケーブル出口。
• 1.0mの伝送距離で最大56Gbpsの信号をサポート。
• 同じコネクタで、ケーブルおよびカードエッジ設計に対応可能。
• インピーダンスは、92Ω（G42シリーズ、74ポジションのG42V12312HRなど）、85Ω（G97シリーズ、148ポジションのG97R26312HRなど）、95Ω（G98シリーズ、38ポジションのG98V11312HRなど）から選択可能。
• 最大でピン1本あたり0.6ニュートン（N）の嵌合力、最小でピン1本あたり0.06Nの非嵌合力で、250回の嵌合サイクルに耐えることが可能。

図3：垂直（下）とライトアングル（上）のMini Cool Edge IOコネクタは、0.60mmピッチです。（画像提供：Amphenol）

まとめ

サーバ、ストレージ、ネットワーク機器などの企業用データセンター機器のPCIe相互接続を設計する場合、AmphenolのMini Cool Edge IO OverPass^TMラインアップをご利用ください。さまざまな業界標準を満たし、お客様のSIニーズをサポートする幅広いコネクタオプションをご用意しています。これらのオプションは、モジュール式かつ拡張可能で、修理が容易なシステム設計向けにコスト効率の高いソリューションを提供します。