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连接器行业发展的11大技术趋势

    作者:宏拓新软件
    发布日期:2022-08-15         
阅读:28     
 
 

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近几十年来,新产品和技术的出现对连接器行业产生了重大影响。在某些情况下,对我们的日常生活产生重大影响。

从20世纪40年代开始,新的电子产品完全改变了我们的生活、交流和工作方式。与航空运输、汽车等行业的进步相比,半导体技术显得更为突出。半导体在性能、小型化、功能和成本降低方面的飞速改进以及它们所赋予的创新在历史上是无与伦比的。

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技术转变创造了全新的产品类别,如智能手机、平板数字电视和数字成像,甚至导致传统产品的彻底毁灭。不断发展的技术,大大缩短了新产品的设计和预期寿命周期。智能手机平均每两到三年更换一次。有些产品在电池需要更换之前被回收利用。

这种加速变化也影响了电子连接器行业。连接器制造商必须不断升级其互连产品的性能,满足挑战性、速度提高、尺寸缩小和各种可用性的应用需求。例如,高速背板连接器,在过去10年里经历了信号完整性的重大升级。快速增长的新商机需要这些相对应技术的连接器。一些大型供应商已经积极收购了协同产品的制造商,如电子传感器、射频天线的半导体和硅光子器件等。

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为了说明在过去20年里不断发展的技术趋势,我们归纳了11种电子产品技术,这些技术可以被认为是电子连接器行业具备代表性产品技术。这些选择很可能会在未来的许多年内继续对连接器行业产生重大影响。

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(请注意,这12种电子产品技术的顺序是任意的,没有意图表明相对重要性的程度。)

当然,可能还有更重要的技术。比如,汽车已经从导航技术发展到ADAS、甚至自动驾驶。微处理器正在发展现场可编程门阵列、多核处理器和芯片上的完整系统(SoCs)技术等。

在这里,我们将更深入探讨这11大电子技术趋势的背景起源和快速发展,以及它们如何影响未来电子连接器的设计和应用。

技术趋势一:电视的创新发展导致相关连接器彻底改变

TV从简单电视发展到有线智能电视,先进技术为我们带来各种广播节目和视频信息。

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虽然电视技术最早可以追溯到19世纪末,但第一个全电子电视出现在1936年左右。电视在20世纪50年代初进入大众消费市场,并创造一个全新的家庭娱乐领域。

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来自 Belton的9针真空管插座至今仍在使用

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当我父亲带着一台12英寸的Capehart 黑白电视回家时,我非常兴奋。事实上,节目很少,这并不妨碍我看了好几个小时电视。我们在屋顶上安装了一个很大的Amphenol天线,使用机顶式的“兔耳”天线可获得良好的接收。电视和天线用一根300欧姆的电缆连接。随着国家广播网络的形成和节目内容的增加,高频(VHF)频道有2到13个,而超高频(UHF)广播频道有14至83个。

1954年,第一台彩色电视机播放了玫瑰花车游行,在22个城市向数千名观众介绍了彩色电视节目。然而,有限的本地节目和高昂的成本使得彩电的广泛采用推迟到20世纪60年代末。那个时代的电视机电路板,安装了多达24个真空管,一个高压电源和一个大阴极射线显像管。这些电视最常用的连接器是多种尺寸的真空管插座。

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商用RG6同轴数字有线卫星电视天线,使用同轴视频HDF连接器

无线广播电视在城市地区运行良好,但在农村和山区接收能力差,效果就不是太好。解决方案是通过同轴铜电缆使用有线电视。标准的75欧姆RG-6/U同轴电缆采用非常简单和低成本的“F”连接器,该连接器使用电缆的固体中心导体作为连接器的中心触点。

在接下来的几十年里,有线电视系统成为大多数消费者的首选,因为同轴电缆的宽带容量可以提供数百个视频频道,并提供高速互联网、电话和安全监控服务。有线电视运营商可以降低成本提供本地电视频道,也可以通过无线广播免费提供。

随着视频节目数量的增加,对更高分辨率图像的需求导致了高清电视(HDTV)的发展。从模拟到数字的过渡开始于欧洲,柏林市在2003年开始过渡。卢森堡在2006年成为第一个转型的国家。在美国,美国联邦通信委员会授权在2009年6月之前进行从模拟广播向数字广播过渡,结束了CRT的统治,转而支持平板液晶(LCD)和发光二极管(LED)显示器。一些国家和地区尚未完全过渡,包括前苏联国家,以及中东、亚洲、中美洲和非洲的部分地区。

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智慧TV 连接器面板

长宽比也从4:3改为16:9,支持更广泛的电影格式。高清电视大大提高了图像质量,较长的使用寿命,以及构建更大屏幕的能力,迅速替代了早期投影和等离子显示器。2005年4K视频的发展进一步提高了视频的分辨率,特别是当平板显示器尺寸达到60+英寸时。新的8K超高清电视提供非常大屏幕尺寸优越的图像。

互联网技术的整合导致了智能电视的兴起。这一代电视利用网络来扩展电视的娱乐功能,使其成为一种方便、互动的信息和游戏设备。

现代数字电视背面的连接I/O面板包括多个互连器,如RCA音频插孔、RJ45以太网、D-Sub PC连接器、USB端口、21针SCART 连接器和几个HDMI连接器。USB端口可用于连接外部闪存驱动器。高清电视还可以包括连接到声音条的光学音频输出连接器。智能电视可以通过RJ45以太网电缆或无线局域网连接到互联网上。

Roku 和Amazon Fire电视棒等外部流媒体设备的引入,可以插入USB接口,无论有无有线电视,用户都可以有效地从不断涌现的许多订阅源中传输视频内容。瞬间进入巨大的电影图书馆破坏了百视达和其他DVD租赁商店的商业模式。流媒体视频已被认为是互联网带宽需求增长最快的来源之一。

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消费者现在可以随时随地在他们的高清电视、个人电脑、笔记本电脑、平板电脑或智能电脑上观看他们最喜欢的节目和玩游戏。支持这些功能的广播、有线和互联网基础设施必须进行扩展。这为连接器行业提供了一个很好的市场。这种信息和娱乐传输的持续发展,可能利用人工或增强现实,甚至全息成像,更快、更小、更低成本的连接器将开发出来。

技术趋势二:USB连接器全面启用TYPE C

过去 20 年被称为颠覆性的二十年是有充分理由的。在此期间,新技术和产品以前所未有的速度被引入。认识到颠覆性技术能够以多快速度影响当前最先进的产品,对于预测变化和开发市场需求,不断升级系统和组件级别的性能非常有价值。

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任何计算设备的性能都可能因限制其接受和向外界传递数据的能力而受到严重影响。 输入/输出 (I/O) 面板上的数据瓶颈会将限制信息吞吐量效率。 多年来,15 针和 25 针 D-sub 外壳连接器的变体能够为外围设备提供足够的 I/O 数据速率。 这些军用规格连接器起源于军事应用领域,可靠的插针和插座触点以及坚固的外壳等成为事实上的标准,出现在从视频到鼠标和键盘接口的所有领域应用。 随着对数据速率的需求从千比特增加到兆比特,并且可用于外部互连的空间减少,需要新的连接器接口。

1996 年,由电子行业领导者组成的联盟成立了 USB 实施者论坛(USB-IF),并发布了通用串行总线 (USB) 接口的第一个迭代版本。发布了改进的 USB 1.1 规范,其目的是替换一系列令人困惑的接口,这些接口挑战了不断扩大的外围设备之间的兼容性,包括闪存和外部硬盘驱动器、扫描仪和打印机。通过使用低插入力叶片触点的相对较小的矩形连接器,初始传输速率为 1.5Mb/s,可支持数千次插配循环。金属外壳和后壳只能在一个方向配合,确保正确的极性。 USB 标准的一个主要优点是能够提供电力和信号,使远程设备能够在没有外部电源的情况下运行。这种“热插拔”能力是 USB 接口的另一个关键特性。 

Type-A 和 Type-B 在整个行业中得到广泛采用。

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2000 年发布的 USB 2.0 规范的额定速率高达 480Mb/s。 除了保留相同的 Type-A 和 Type-B 外形尺寸外,还引入了两个小型化版本。 USB Mini-A 和 Mini-B 提高了接口的信号密度。 这些小型化连接器迅速成为充电应用的标准。

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2011 年,升级到 USB 3.0 引入了几种新的接口,并将传输速率进一步推高至最高 4.8Gb/s。 Micro-B 成为外部存储器硬盘驱动器应用的标准配置。

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USB 3.1 Gen 2 提供 10Gb/s 的传输速率,USB-IF随后又宣布 USB 3.2 以 20Gb/s 运行,这引起了一些混乱。

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  USB Type-C (USB-C) 是目前最流行、最高速的接口,终于解决了连接器只能单向插配的问题。 USB-C 采用坚固、对称的 24 针可逆接口。 它不仅比 Type-A 小 60%,而且现在具有 10Gb/s 的传输速率,以及高达 100 瓦的功率。

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USB-IF组织从未满足于目前的成就,于 2019 年 9 月发布了 USB 4 规范。 在Type-C连接器基础上,集成英特尔 Thunderbolt 3 技术,传输速率达到 40Gb/s。 USB 4 向后兼容 USB Type-C 协议,包括 USB 3.2、DisplayPort 和 Thunderbolt 3等,简化了新一代设备的连接。 预计到 2021 年,设备将采用这种新界面。

标准如果固定不变几乎不能适用不断变化的行业发展。 USB-IF组织展示了其不断升级的承诺,使 USB 能够继续在下一代设备的设计中发挥关键作用。

技术趋势三:专有连接器演变成标准品的速度加快

有时,定制连接器设计仍是有限使用的产品。但有时候它可能会成为流行的标准连接器。 在某些情况下,专有连接器作为商业或开源产品被广泛使用,这种状况仍将延续。

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Custom Interconnects 的 Fuzz Buttons 用于高频射频信号能力传输,信号完整性和抗冲击/振动性能突出

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Bel Magnetic Solutions 的 Cinch CIN::APSE 连接器上具有优异电气和机械性能

其中一些专有接口最初与特定应用相关联,但后来随着它们更广泛使用而成为其所有者的摇钱树。连接器也可能非常独特,并支持非常特定的应用,以至于它可能永远保持专有接口。 比如,设计用于核反应堆或在洲际导弹各级之间提供关键互连的连接器需要出色的设计和材料选择,而产量不足以吸引竞争对手。 即使在今天,一些专有连接器仍然存在于汽车等大批量市场中,制造商已选择为特定应用(如诊断、摄像机和无线电接口)提供独特的连接器。

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自 1940 年代以来,用于连接音频和立体声设备的标志性颜色编码插头已被广泛使用

通常创建连接器是为了填充新兴应用。美国无线电公司在 1940 年代推出了 RCA 唱机插头,作为其不断扩大的唱片播放器系列的低成本接口。 它很快被广泛应用在音频上,这些应用一直延续到今天。

一些连接器从其最初应用演变为在全新大容量市场的标准接口。 最初由 ITT Cannon 为军用航空系统开发的 25 针 D 壳连接器 (MIL-DTL-24308) 已商业化,并成为许多低成本商业和消费类计算和游戏应用中的通用接口。 Amphenol 开发的用于电信应用的 Centronics Micro Ribbon 接口成为打印机上的标准 I/O连接器。

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Bel 集团公司 Stewart Connector 的 Qwik RJ45™ CAT6/CAT5E 模块化插头

RJ45 模块化插头是贝尔实验室在 1970 年代为电话应用开发的,后来成为无处不在的以太网接口。

还有Deutsches Institute Fur Normung (DIN)认证的标准化连接器。 DIN 两件式背板和圆形连接器已成为商品接口,如今已被数十家制造商使用。

 在手机应用上许多供应商设计了带有独特连接器的充电端口,这需要使用适配器来充电。

Apple 在设计专有连接器及其附件的成本控制方面享有盛誉。 Apple Display 连接器是对标准化 DVI 接口的专有修改,在 2005 年被淘汰之前出现在选定的 Apple 产品上。Apple 20 针和更新的 8 针 Lightning 连接器延续了这一营销策略。

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Apple 的 Lightning 连接器是该公司产品线独有的专有接口

设备制造商在关键部件来源上不希望被限制。 如果制造商无法支持需求或决定退出市场,在定价和供应上构成威胁。 为了解决这个问题,连接器制造商可能会选择向具有竞争力的第二来源供应。 例如,Apple Lightning 连接器向其它供应商授权。 允许被许可人提供完全可互配的连接器,包括诸如封装设计、PCB 连接方法或端接类型等增强功能。

在过去十年中,我们看到规范大幅增加,要求所有硬件都可以以公平、合理和非歧视性的费用 (FRAND) 获得许可。

大型连接器制造商在其旗舰高速背板连接器的开发上投入了大量资源。 由于背板的性能是高性能电信和数据通信设备的关键要素,因此使用单一来源的连接器已变得不可接受。 领先制造商(包括 Amphenol、Molex、Samtec 和 TE Connectivity)的解决方案是向选定的竞争对手授予许可,确保其共同客户获得具有竞争力的价格和持续供应。 数千兆位速度下的性能受通过连接器的信号路径的微小变化影响很大。 这些领先连接器许制造可证提供了制造细节,实现相同的机械和电气性能。

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除了正式的标准编写组织之外,一系列贸易组织、多源协议、特殊利益集团、基金会、联盟和实施者论坛也积极参与制定和推广通用串行总线 (USB)、高清多媒体接口 (HDMI) 和以太网。 对简化和降低成本的需求导致了 USB 连接器的推出。 管理此规范的 USB-IF组织一直积极地通过不断升级其性能以满足不断升级的 I/O 需求来确保 USB 连接器保持相关性。

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PCIe 外围总线架构已发展成为计算机到外围通信的领先数据传输协议。 此图显示了由双线 Molex 连接器供电的 Evercase Technology PCIe 转接卡

在某些情况下,标准组织会选择现有的连接器,使特定配置成为标准,例如 PCI Express (PCIe)、由 PCI-SIG组织定义边缘卡连接器,而 GenZ 联盟选择 TE Connectivity Sliver 两件式连接器。

TE Connectivity 的 Sliver 系列互连将网络设备内的高数据信号范围从微处理器扩展到其它位置,同时保持最佳的信号完整性。

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开源运动是降低电子设备成本和上市时间的最新努力。这些协作小组创建的规范利用选定的多源组件作为标准化基础来构建标准。 开放标准组的目标是在不受专有组件或软件供应商限制的情况下提高互操作性。

Open 19 和 Open Compute Project 等组织专注于系统架构,包括组件。而其它开放标准组织则专注于软件、配电、设计自动化和测试方法。 VITA 等组织长期以来一直提倡开放和非歧视性许可的概念,将其作为纳入VITA 平台规范的要求。

开源团体的增长可能代表连接器制造商扩大指定接口市场的机会,但至少在下一个设计周期之前可能会拒绝替代方案。

从专有组件到开源组件的演变要求连接器制造商改变思维方式,这些制造商通常以开发创新、最先进的解决方案而自豪。 与直接竞争对手共享关键尺寸和材料细节在 20 年前是闻所未闻的,但现在它反映了在当今竞争激烈的市场中开展业务的现实。

技术趋势四:高速数据传输向更高带宽迈进

连接器行业不断改进背板和 I/O 连接器,为下一代高速传输架构提供迁移路径。

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3.125Gb/s NRZ 112Gb/s PAM4的演变

从电子计算和通信的早期开始,工程师就不断突破现有技术的界限。 更快的数据传输使计算机能够更有效地被利用,从而在更短时间内解决复杂问题。更快地传输数据,增加通信系统容量。系统设计人员对当前产品在速度方面的特点大多感到不满意。

电子产品性能通常以每秒传输的比特数来衡量。随着工程师找到更快地切换电压电平的方法,每秒千比特变为每秒兆比特。

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“高速”是一个相对术语,从每秒几百比特发展到传输速率高达 112Gb/s 的单通道。 该行业从单端信号转向差分信号,其中两个导体之间的电压电平差异消除了外部干扰。 随着速度的进一步提高,屏蔽双绞线电缆成为首选介质。 围绕标准网格设计的传统连接器通过将信号线紧密耦合并添加屏蔽层。

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在芯片层面上信号调理功能取得巨大进步,包括补偿、均衡和前向纠错,使工程师能够可靠地检测更长通道中的高速信号。 这些工具用于补偿串扰、反射、抖动、偏斜和简单衰减等的负面影响。先进的通道性能测量工具和协议,包括眼图、散射参数(S 参数)、误码率和通道工作裕度等可以量化系统执行规范的能力。 信号完整性工程师变得非常抢手。

由 IEEE 802.3ae 定义的 10 Gigabit Attachment Unit 接口 (XAUI) 突破了速度界限,通过四个分别以 3.125Gb/s 运行的差分对提供 10Gb/s速度。 连接器行业继续改进背板和 I/O 连接器,满足更高速度传输要求。 PCB 材料得到增强,具有更好的损耗特性。 连接器和 PCB 之间的过渡被认为是一个重要的噪声源,因此减小了顺应针的尺寸,最小化电镀通孔的直径。 背面钻孔减少了反射。 优化连接器的每一毫米电路路径长度,最大限度地减少损耗和失真。

到 2010 年,速度高达 25Gb/s 的连接器推出。 当时,很少有应用需要这种性能水平,但能够满足当今以及未来几代系统需求的连接器是一个竞争优势。

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在过去 10 年中,对更高速度的需求开始突破NRZ信号的限制。 脉冲幅度调制 (PAM4) 信号开始使用。

PAM4 不是每个周期传输一位,而是传输两位,有效地将带宽加倍。 这使设计人员能够继续使用已建立的设计规则和组件,同时大大提高比特率。 在评估高速连接器性能时,确定评级是基于 NRZ 还是 PAM4 信号变得很重要。

高性能计算、人工智能、云计算、虚拟和增强现实、消费者视频和物联网 (IoT) 等新应用正在推动对更高带宽的需求。

电信网络和数据中心正在通过升级服务器性能来应对急剧增加的流量。 更快的通道可以解决 I/O 面板拥塞问题,但这也会引发热管理问题。 随着边缘计算越来越受欢迎,在核心区域需要加快处理速度。

400GbE 等新兴标准提供支持更高带宽的演进路径。

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相干光转发器模块可以通过单个 1.2Tb/s 通道提供多达三个 400GbE 客户端信号,使网络运营商能够从当前的 100Gb/s 平滑过渡到 400Gb/s。

两年前,工程师们就 112Gb/s 铜通道的可行性进行了辩论。 最近的行业贸易展展示了使用 PAM4 技术运行 112Gb/s 的信道的多个演示。 如何达到 200+Gb/s 信道可能涉及 PAM8 信令或一些尚未开发的突破。

技术趋势五:高性能背板技术面临综合配置

在过去50 年中,使用铜导体的背板已经取得了长足进步,并且很可能在未来仍然是最常见的系统架构形式。

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SBC 背板图片由 Rackmount-guy 每 CC-BY-SA 3.0 提供。

Backplane Architecture 背板架构

多年来,背板架构一直是电子系统封装的支柱。通过在背板上和背板上嵌入子卡之间的互连,可以大量应用精确的电气路径。 通过调整铜导体的宽度和厚度,可以有效地分配信号和功率。可以严格控制包括阻抗、串扰和偏移在内的电气特性。 将标准化子卡插入主板的能力简化了维修,并可以延长设备的使用寿命。

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Advantech的无源背板布置。

与插头兼容的子卡能够以具有竞争力的价格扩展和升级功能。 VITA、PICMG 和 PCI-SIG 等标准组织定义了特定的连接器和预期性能,从而简化和加速了新产品的设计过程。

背板材料和工艺已经发展,支持行业对更高速度、信号密度和更小面板尺寸的需求。 简单的双面板已经升级,现在PCB可以制造40 层或更多。电路板设计和布局过程现在有专业的建模和仿真,确保信号完整性。商业级 FR4 PCB 层压板已升级为环氧树脂、聚酰亚胺、聚四氟乙烯和玻璃材料等,这些材料具有显着改善的介电常数和耗散因数,对于支持高速通道至关重要。 诸如层压板水分含量的影响和铜箔表面粗糙度等问题是备受争议的话题。

尽管取得了所有这些进步,但传统背板架构仍然存在层压材料损耗的问题,当通道带宽上升到千兆位范围时,这将成为问题。 即使是最先进和最昂贵的 PCB 材料,长通道也会导致这些问题。 解决方案是背板替代品的发展,包括取消背板本身。

Midplane Orthogonal 

一种可能性是中板,它将背板向前移动,子卡从两侧配合。 中板上使通道长度大大减少。即可从板的正面也可从背面连接子卡。

下一步是将子卡彼此定位成 90°,从而允许连接器跨越所有相对的子板。 正交中板允许高速信号直接通过中板,进一步缩短信号路径。中板上的铜迹线可用于分配低速信号和电源。

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Amphenol ICC 的 ExaMAX® 56Gb/s 高速正交连接器支持 25Gb/s 的数据速率,可扩展至 56Gb/s,使其成为高密度应用的理想选择

正交中间板的逻辑扩展是正交中间板直接配置,它完全消除了中间板,子卡直接从每一侧配合。 改进后的子卡连接器包含引导和保持功能。 然而,正交架构可能会产生一些具有挑战性的机械和功率分配问题。

每种配置中使用的连接器都经历了不断完善的过程,包括优化内部信号路径、加强阻抗控制、减少接触残余、优化封装以及减小电镀通孔的直径等。 一些连接器供应商已经采用了专门用于抑制反射的塑料材料。

随着系统速度进入数千兆位数据速率,设计人员认识到屏蔽差分电缆具有减少衰减、串扰、偏移和抗 EMI的 优势,这种优势即使是最好的 PCB 技术也无法实现。

子卡上产生的高速信号绕过背板并立即转换到屏蔽电缆,从而为其它子卡提供受控信号路径。 电缆背板和中板已经开发和生产了五年。

这些点对点连接产生的大量电缆可能会成为管理和维修问题,一些供应商建议将模块化组件作为现场可更换单元或插件盒。 电缆背板已用于需要大型组件并要求卓越性能的应用中。

与嵌入式 PCB 走线相比,屏蔽铜电缆的高速性能优势导致盒内分立电缆的使用范围扩大。 信号被传输到尽可能靠近 ASIC、开关或处理器的同轴或双轴电缆,并在机器的另一个点或 I/O 面板处终止。 这种“跳越”概念将 PCB 材料中的信号路径减少到绝对最小值,并产生了专为这些应用设计的新型分立和带状双轴电缆组件和连接器。

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Samtec 的背板解决方案包括 ExaMAX ® 高速连接器和 Flyover® 电缆系统

在过去50 年中,使用铜导体的背板已经取得了长足的进步,并且很可能在未来仍然是最常见的系统架构形式。 即使是最先进的 PCB 设计和材料的性能限制也开始影响支持下一代设备的能力。 112+ Gb/s 通道的出现可能要求工程师考虑替代方案,包括提供带宽余量的光传输以及其它方案。 多年来一直在开发和有限使用的光学背板可能最终成为一个有吸引力的选择。

技术趋势六:蜂窝通信技术发展到5G/6G

在过去的二十年里,手机的功能、掌上电脑流媒体、玩游戏和访问网络的能力大幅增强。5G将把这些能力推到更高水平。

自20世纪70年代末以来,使用无线连接交流已经改变了人们的互动方式。在蜂窝技术引入之前,短波和调频无线电为那些愿意学习莫尔斯电码并获得许可证的人提供双向通信。常用波段无线电提供长达20英里的连接,并在20世纪60年代早期到中期在大众市场中广受欢迎。然而,天气条件和时间对这类无线电连接的可靠性有重大影响,而传输功率限制和其它应用也降低了CB波段的有效性。

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小型便携式设备能够利用电池供电运行,降低能耗是产品的要求。手机的发展是为了满足这一需求。移动电话不是采用点对点的远程策略,而是连接到一个本地中继基站。

位于网格中任何位置的蜂窝电话连接到最近的基站塔,基站连接到移动交换中心,完成对该目标设备或任何单元或公共网络上固定电话的呼叫。蜂窝站点的特点是可以无缝地将来自移动车辆的呼叫传递给相邻的站点。

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技术标准的提高使设备之间的兼容性成为可能,并为一个快速扩张的市场发展打开了大门。高效的网络管理是开发先进蜂窝通信系统的速度、可靠性、延迟、容量和其他特性的另一个关键。

第一代移动网络,被称为1G,于1979年在日本推出。它提供模拟内存2.4Kb/s,覆盖范围有限,没有漫游支持。1991年,2G技术采用数字信令将速度提高到64Kb/s,并使用全球移动通信系统(GSM)标准来提高语音保真度和可靠性。还增加了发送短信和照片的能力。3G于2001年推出,并协调了全球标准,速度为256Kb/s。增加的功能包括视频会议、流媒体传输和互联网语音协议(VoIP)。目前使用的第四代,也是最常见的一代,4G LTE技术,可以为高清视频、网络访问和游戏应用提供1Gb/s的速度。

我们现在正普及5G技术,5G旨在支持物联网(物联网)领域不断升级的需求、消费者视频、远程医疗、远程工作和未来自动交通的爆炸式增长。除了将速度提高10倍到100倍之外,延迟还将大大减少。支持更多的连接设备,更高的网络效率和减少延迟的能力推动了向5G的过渡。

5G服务的广泛市场应用可能会颠覆移动蜂窝网络和固定宽带市场。通过光纤接入到家庭,5G有可能改变消费者接入互联网的方式,颠覆现有的有线电视和DSL供应的方式。

系统工程师必须完全重新思考5G蜂窝通信系统的架构和技术,并处理三种不同版本的5G。为了提高速度和系统容量,设计者选择使用多个高频波段,包括高达52.6GHz的毫米波(mmWave)频率。频率越高,信号失真就越大,由于超过距离和通过障碍物的衰减,即使是大雨,也能降低毫米波传输的有效范围。为了弥补这些损失,5G蜂窝网络将需要大量增加蜂窝天线的数量。解决方案的另一个部分是使用大量的多路输入输出(MIMO)技术,这些基站配备了多达100个有源天线,并配备了波束形成技术,可以建立到单个设备的点对点连接。

争夺5G技术领导地位的竞争已经成为美国、中国、韩国和日本之间的一个政治问题。最先实施5G网络的国家可能会在开发关键应用领域取得领先地位,包括人工智能、自动交通、虚拟现实、实时医疗保健和工业4.0制造技术。这些技术所产生的就业机会和收入将对未来几年各国的经济健康产生长期影响。

连接器行业将为5G基础设施做出重大贡献。同轴连接器和电缆组件将在天线到基站的设备中发挥重要作用。长途光纤链路将提供从基站到网络的最经济有效的连接。连接器制造商已经将其天线产品扩展到5G天线。

一旦5G服务在大城市广泛使用,对5G兼容智能手机的需求将会加速。这些先进的手机将利用微型射频、堆叠和平面柔性电缆(FFC)连接器。高通估计,2021年将出货4.5亿部智能手机,2022年将出货7.5亿部。5G的广泛采用将释放出全新的连接产品类别,所有这些产品都将使用各种各样的连接器。

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5G网络的独特要求已经催生了专为解决特定应用而设计的新连接器。来自TE连接的ERFV板对板同轴连接器系统(见上图)利用了一个独特的弹簧加载销,它可靠地接触到对面PCB表面的镀金垫。额定频率范围为至10GHz。

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SV微波提供毫米波同轴电缆组件和连接器,包括极端频率(26GHz及以上)推入式和螺纹式射频连接器

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I-PEX的新移动5G射频解决方案,NOVASTACK 35-HDN 板对板连接器,设计尺寸为0.35毫米间距,0.7毫米高,与其它屏蔽板对板连接器相比,节省了53%的PCB空间。该连接器是完全屏蔽的,提高了系统的EMI和EMC性能。

Covid-19新冠病毒大流行可能会暂时减缓5G网络的推广,但这一革命性技术的发展势头将推动移动连接领域的下一个篇章。

技术趋势七:集成电路发展改变连接技术

经过50多年的小型化,晶体管和摩尔定律可能已经接近它们的技术和经济极限。然而,硅光子学的新创新有望将进化时间线延长到未来。

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1947年,三个贝尔实验室的三名科学家组装了第一个晶体管,称为点接触晶体管,因为当两个金属接触点被压在半导体材料表面时,就会发生放大。

自从1947年第一架晶体管诞生,进入了电子时代的革命,它永远改变了我们的世界。当工程师们发现在一块普通的硅胶基板上可制造多种装置的方法时,这项技术开始发展起来。20世纪50年代中期,商用晶体管收音机的诞生,预示着这种新的颠覆性技术改变人们对电子产品的预期。电子产品不再受大尺寸、过大能耗和真空管热量的影响,它可以变得更小、更轻、更节能,最终使强大的笔记本电脑和一种全新的移动产品成为可能。18年后,戈登·摩尔提出,芯片上的晶体管数量大约每两年就会翻一番,这一预测已经持续了60多年。

集成电路

1961年集成电路的发展制造了多种类型的半导体器件,包括在单个模子上的存储器和无源元件,以创建复杂的功能电路。先进的光刻技术和沉积工艺在更密集的中心线上产生了更小的器件。

靠近放置有源器件可以增加每个芯片和晶圆的器件数量,从而具备更强大的功能,同时降低每个芯片的成本。器件之间较短的链接可以减少延迟,速度更快。更小的包络结构中拥有更强大的计算能力,这引发了一场将晶体管缩小到接近原子水平的竞赛。FAB制造工艺将更多的晶体管集成在单个晶片上。第一个多核处理器芯片是由IBM在2001年推出,它可以在更有效降低能耗的同时处理更多应用。发展到纳米级制造工艺,该行业已经实现了器件的高容量生产能力,到2000年代末已经拥有32纳米节点。发展出包括微处理器、微控制器、片上系统(SOC)和三维集成电路的技术,使行业得以蓬勃发展。这些设备制造方面的显著进步结果加速了遍布我们生活种电子种的创新和革命。

经过50多年的小型化发展,晶体管和摩尔定律可能已经接近它们的技术和经济极限。随着产品设计变得更紧密,累计热量可能会导致超过最高温度规格。元件之间的绝缘变得非常薄,以致于电流泄漏成为一个问题。在光刻过程中使用的光波长已经快达到了限制。晶体管尺寸下降曲线已经开始变平,尽管工程师们继续寻找通过先进制造工艺来增加晶体管数量的方法,包括使用极紫外成像技术。

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McClean报告显示了在过去50年里,dram、闪存器、微处理器和图形处理器的摩尔预测曲线(IC Insights)

半导体工艺改进随着32纳米、22纳米和14纳米而继续推进。2017年,英特尔宣布,使用其10纳米技术,每平方毫米的芯片中可以封装超过1亿个晶体管。同年,IBM宣布了一种新的5纳米工艺,将能够在人类指甲大小的芯片上放置多达300亿个晶体管。最近的芯片设计正在被定制,支持特定的特性或应用。英伟达最近宣布了其Grace CPU,为人工智能计算优化。韩国Zinitex公司正在开发一种针对智能电视和语音识别应用设计的人工智能芯片,它以每秒40万亿周期的速度处理数据,能耗达到最小。

建造和装备一个最先进的芯片制造工厂的成本高达数十亿美元,需要数年时间才能投入运营。很少有公司能够支持这样一种水平的长期投资。TSMC的5纳米技术将被用于亚利桑那州一个计划开始建设的新设施。到2024年,该公司每月生产2万片晶圆。此外,4nm、3nm和2nm的工艺正在开发中。TSMC已经为未来三年的研发和工厂建设预算准备了1000亿美元。

确定通过操纵单个原子来制造晶体管在物理上和经济上是否可行的研究正在进行中。最近通过了美国就业计划基础设施法案,包括500亿美元用于先进半导体的研发。其中一些资金可能会被用于研究在下一代硅光子芯片,用光子取代电子的可行性,这可能是半导体技术发展的下一步。

技术趋势八:数据中心快速崛起和迭代

互联网的兴起催生了中央数据中心令人难以置信的增长。为消费者的互联网接入打开了大门。

在计算机时代早期,所有数据都是本地的。第一批IBM电脑是独立的机器。内存是由固定的磁芯,可移动的磁盘包,磁带等。

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IBM RAMAC磁盘驱动器(左)和IBM360大型机计算机系统(右)

工程师们选择不升级最初的5MB内存容量,因为他们认为当时市场上没有对更大存储空间的需求。这些都是非常昂贵的机器,除了一些大公司外,大多数用户只是在IBM的机器上租用时间。数据通过磁带、磁盘或霍勒里斯卡(Hollerith)传送或储存。

然而,随着对计算资源需求的增加,用户远程共享中央计算资源开始形成。它将一个相对便宜的模块化服务器联网,支持多个用户。早期的工作站通常连接到一个可以访问这些计算资源的局域网。到20世纪90年代初,数据中心这个术语开始被使用。

在1997年至2000年期间,互联网的崛起为中央数据中心带来了令人难以置信的增长。它为消费者互联网接入打开了大门。除了提供计算资源外,数据中心还提供了多个层次的数据安全和冗余性。

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数据中心(图像由WOCinTechChat提供)

到21世纪初,数据中心已经成为电信和数据通信基础设施的中心枢纽。如今的数据中心管理电信网络、主机和第三方应用。全球数据中心有成千上万个,通常坐落在巨大的建筑里,以英亩计,消耗兆瓦级别的电力。每天,都有超过2500万tb的数据被创建,包括图片、视频、网站和推文等。根据美国商会的数据,美国在数据中心领域领先于世界,在全球数据中心业务中占了很大一部分。

云计算的发展扩展了计算资源的可用性,现在可以按需访问和存储。这个行业在过去15年里经历了令人难以置信的增长。用户不是投资于本地计算和存储设备,而是通过连接到互联网来获得这些资源。云计算提供了对基础设施和软件的高度灵活性访问,而不是要求用户购买硬件资产。用户能够动态地调整他们的计算资源,满足实时需求。

云计算已经接管了计算机世界。过去几年,云服务在消费者和业务层面都急剧扩张。根据Right Scale发布的2019年年度云计算状况报告,91%的企业使用公共云计算,72%的企业使用私有云计算。预计2019年云服务的全球总市场价值在2280亿美元到2530亿美元之间,预计到2023年将达到6230亿美元。新冠肺炎大流行加速了对云服务的利用,这些预测可能变得保守了。

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边缘计算引入了一个新的计算访问层。该模型将计算和存储资源分配到靠近或直接分配到位于终端用户的设备中。其结果是减少了延迟,增加了网络带宽,并提高了效率,到中心云的长途往返数据传输被最小化了。

分布式计算的另一种变体在云和边缘之间插入了一个额外的层,称为雾。雾使在边缘计算的设备之间能够进行直接通信,并提高了安全性。

需要实时响应的新兴应用,如自动交通、医疗设备、物联网(IoT)、5G、人工智能和工业控制系统,正在推动边缘计算的增长,CAGR估计为32%。

数据中心、云计算和边缘市场都是连接器制造商的重要市场,因为它们的主要功能都是关于连接性的。

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信号和电源连接器是每个服务器交换机和路由器内部的关键组件。与设备面板上的输入/输出(I/O)连接器相配合,外部铜线和光纤电缆是网络的主干。屏蔽铜电缆连接到机架顶部交换机,并在机架间连接。高速光纤电缆在数据中心内以及校园、地铁、跨国家和洲际地点提供更长距离连接。人们对连接区域数据中心,提高处理和存储资源的高效利用以及可靠性的兴趣越来越大。这些连接正在驱动400千兆以太网(400GbE)的相干光连接发展,达到最大限度地提高每根光纤的光谱效率。可插拔式和机载光收发器的销售将受益于这一趋势。

光纤提供了巨大的带宽优势,使数据中心能够为其基础设施一定程度适应未来发展。光纤在印刷电路板(PCB)层压板的损耗是不可接受的,I/O面板密度是优先考虑的。随着对速度和系统容量的需求不断增加,以及服务器面板成为数据瓶颈,这种趋势可能会继续下去。

为了跟上需求的步伐,数据中心设备的不断扩展和升级,继续挑战着连接器行业。数据中心运营商正在寻找高效、高带宽、低功耗、小轮廓、成本效益高的互连方案,从而为支持在线计算的持续发展提供性能领先的发展空间。

技术趋势九:新一代PCIe规范加速推出

新一代的PCIe规范今年即将推出,正好赶上由5G、云计算、人工智能和其他数据密集型连接技术推动的对数据不断增长的需求。

PCI Express,或PCIe,是外围组件互连快车的缩写,是一种点对点、高速的内部和外部扩展总线协议,自2003年引入以来一直是领先的I/O通信规范。The PCI Special Interest Group (PCI-SIG)在其成员的帮助下创建并发展了PCIe规范,其中包括700多家电子元件和设备制造商。

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I/O带宽大约每三年就会增加一倍。最新的PCIe规范,PCIe6.0,定义了64GT/s的速率。

为了适应带宽需求不断增加的环境,PCI-SIG推动了PCIe规范多次迭代,同时保持完全的向后兼容性。包括举办合规研讨会,探讨这个不断发展的标准和性能。

PCIe规范的发展主要集中在支持千兆以太网的增强需求的能力上。

 

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最新的PCIe规范,PCIe6.0,包括低延迟转发纠错(FEC),提高带宽效率

由于其编码方案的属性不同,PCIe以每秒千兆传输(GT/s)来表示性能,而不是更常见的每秒千兆位(Gb/s)。比较两个系统之间的数据传输速率,公布的千兆传输的速率略高于计算用的千兆位的传输速率,反映了与PCIe相关的系统状况。

在其2003年的最初迭代中,PCIe1.0启用了2.5GT/s的串行通道。这一代的标准主要集中于个人计算机行业。

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PCIe规范已经发展到可以适应更高的带宽,目前的5.0迭代可容纳32GT/s。当6.0在2021年晚些时候发布时,这一数字将再次翻一番。(图片由Keysight Technologies提供)

PCIe2.0于2006年推出,将速度提高了一倍至5GT/s,并为未来几代扩展总线协议设定了速度。

在2010年,PCIe3.0规范发布了,每条车道的比特率为8GT/s。编码方案的改变显著地降低了成本,使PCIe2.0的数据带宽增加了近一倍。这次升级反映了由工作站和服务器中新应用所驱动的需求。

PCIe4.0经过漫长的7年来开发和释放。当它最终在2017年推出时,它的性能翻了一倍,达到16GT/s,能够通过X16配置提供32Gb/s。第4.0代还降低了功耗。首批实施PCIe4.0产品于2019年初进入市场。

认识到包括服务器、云计算、人工智能和5.无线在内的新数据密集型应用需要更快地响应,PCIe5.0规范快速发展于2019年5月发布,距离PCIe4.0推出还不到两年。同样,上一代发布的最大数据速率翻了一番,达到每车道32GT/s,总带宽为128Gb/s。信号的完整性也得到了提高。对卡边连接器进行了优化,以支持更高的比特率,同时保持向后兼容之前的迭代。第一款旨在支持Gen 5的硅基设计于2019年中进入市场。

2019年6月18日,PCI-SIG宣布了PCIe6.0的开发,该技术将把数据速率提高到每车道64GT/s,从而在X16配置中提供高达256Gb/s。Gen 6.0是第一个利用PAM4信号和前向纠错的第一个版本。这些连接器应该与所有以前的PCIe版本保持完全兼容。完整的PCIe6.0规范于2021年发布。

PCI-SIG的一个指导原则是保持市场上的卡-边缘连接器的向后兼容性。随着带宽需求的增加,卡机电(CEM)PCB连接器的机械配合规格保持不变。

PCIe规范中规定的标准连接器是一种低成本的、1mm间距的双排边缘卡连接器,但增加了用特殊的键,来提供极化和与适当的子卡匹配。连接器配置包括垂直、直角、低轮廓和跨安装配置,并支持穿孔和波风焊接等。

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Samtec的高速板对板和背板连接器的组合包括几个PCIeGen5和Gen-5兼容的连接器

PCIe主板连接器有四种不同的尺寸,包括36、64、98和164个位置。每个通道都提供了相应的带宽通道。根据连接器可支持的带宽通道数,其描述为x1、x4、x8和x16。

 

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这个主板有七个PCIe插槽,可以通过添加显卡来扩大系统的速度(图片由Learn Computer Science提供)

最新一代的PCIe5.0,通过添加一个表面安装版本和一个更短的配对距离来升级边缘连接器。配套的PCB子卡优化了更小的金手指,改进的通孔和路径,以及升级的PCB层压板材料。其结果是提高了信道性能。

PCIe也可用于外部电缆的应用。在2007年,PCI-SIG定义了一个外部电缆规范,允许PCIe1.0和2.0通过铜电缆来实现。

 

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Molex iPass连接器系统支持x4、x8和x16链接宽度

在需要长距离的应用中,光纤上的PCIe是解决方案。Samtec提供了多种 PCIe光纤技术,解决长达100米的高性能计算和数据中心应用问题,包括新的PCIe-Gen-4-Over-Fiber Adapter Card。

 

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Samtec在2017年OFC上的SamtecFireFly™演示中首次展示 PCIe-over-fiber技术

外部布线选项的增加为在医疗、仪器仪表、外部存储、视频、甚至军事设备方面的新兴应用打开了大门。

PCIe规范的持续发展是传统协议如何继续繁荣和支持下一代需求的一个很好的例子。

技术趋势十:大力拓展400G以太网应用

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以太网10G到400+Gb/s

即使电子数据通信取得了令人难以置信的进步,但以太网网络协议已经运行了几十年。从1973年由施乐工程师鲍勃·梅特卡夫创立以来,以太网成为首要的局域网(LAN)协议,支持世界日益增长的通信需求。

 

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1983年发布的IEEE802.3标准,采用了10BASE5规范的一种总线结构,具有独特的穿线的插入式分接头 ,可以沿RG8同轴电缆应用。标准速度可达10Mb/s,但经常难以达到6Mb/s。

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在数据速率、接口的物理尺寸、易于安装和成本方面的持续改进使以太网成为主导的网络技术。向后兼容性,铜质和光纤媒体的选择,以及采用新的信令协议,如PAM4,使以太网能够跟上日益增长的带宽需求。

坚固的同轴电缆被不断升级的双绞线所取代。大且昂贵的同轴连接器被无处不在的RJ45连接器所取代,该连接器具有低成本和可靠的设计。总线结构被升级为交换架构。通过光纤电缆实现的以太网提高了带宽、信号保真度和覆盖范围。

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以太网协议的成功在很大程度上得到了以太网联盟的帮助,以太网联盟是一个全球性、非盈利的行业联盟,致力于以太网技术及其生态系统的持续成功和进步。以太网联盟定期赞助插头会议,以验证设备的性能,并确保多供应商的互操作性。它一直处于在下一代高速设备中发展以太网性能的前沿。

其结果是在速度和覆盖范围上的持续提高。从历史上看,比特率提高了10倍,最近从100Gb/s跃升至2017年12月批准的IEEE802.3bs 200和400Gb/s规范。

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Amphenol Pcd的坚固的以太网解决方案包括带有内部RJ45的螺纹圆形连接器。

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菲尼克斯电气为工业网络提供了一系列M12圆形连接器

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HARTING的T1工业SPE连接器是工业以太网应用的理想选择,包括自动化和物联网网络

在此过程中,以太网已经扩大了其应用范围,包括增强版RJ45连接器,以及使用在工业自动化环境中常见的圆形M12连接器。

以太网协议如此成功的原因之一是该联盟能够识别并快速响应不断发展的行业需求。当安全摄像头等远程设备的制造商想要连接他们的设备时,他们还必须在以太网电缆之外提供本地电力,这在远程安装中不是一件容易的事。解决方案是以太网电源(PoE),这是一种技术,可以使运行设备所需的电力通过以太网信号线传输。根据一系列IEEE802.3规范的定义,设备可以传输到的最大功率从12.95瓦增加到71瓦。

最新的以太网采用单对以太网(SPE),它是由工业物联网(IIoT)和工业4.0的出现,以及多种汽车应用所驱动的。

SPE提供了一个简化的和标准化的高速通信协议,使用一个小型化的接口,能够在工厂地板的恶劣环境中生存下来。多个IEEE802.3标准已经发布,以解决带宽、功率和覆盖范围之间的平衡。SPE预计将在机器人技术、视觉系统、传感器和消费者物联网领域找到大量应用。

认识到数据传输速率的增长已经在推动下一代接口的容量,以太网联盟已经成立了一个研究小组,负责确定未来五年内需要的传输速率。目的是确定铜通道和在800Gb/s或1.6Tb/s条件下运行光纤通道的可行性。仅仅支持现有的需求已远不够,该行业必须预测和计划下一代的数据传输速度。

技术趋势十一光纤连接的方案越来越普及

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自电子时代开始以来,铜导体的连接在连接器行业得到很好的应用。铜的独特品质,包括:优良的导电性、导热性、延展性和可用性等,使其成为从毫瓦信号到千瓦功率导电电路的自然选择。

铜合金,包括铍铜和磷青铜等,提供连接器所需的弹性,确保足够的法向力。它们可以使用高速冲压模具成型复杂的接触件。金到锡的各种镀层材料可以减少接触阻力,增加耐久性,并防止腐蚀。铜电缆可以使用各种技术连接,包括焊接、压接、IDC终端等。覆盖铜电路的多层PCB使安装在板上的数百个元件之间能够高密度连接。这些板上的组件使用高速自动化SMT组装。多年来铜电路连接使人们对全球供应链充满了信心。

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铜是一种极好的材料,但它确实有它的局限性。随着系统速度持续提高,铜导体开始表现出不利的特性。除了简单的直流电阻阻抗变化外,正向和向后的串扰、歪斜、抖动和符号间干扰等因素往往会降低数字信号的质量。此外,还必须解决电磁干扰和接地回路等。随着数据速率的增加,这些影响因素都会变得更大,有效地限制了信道的物理长度。在过去几年里,系统设计者已经开始推进超过25Gb/s的通道,这种速度严重限制了系统工程师可用的最大范围。在考虑这些和其它因素的同时,在信道限制的范围内保证运行的可靠性已成为一个越来越大的挑战。

用光子代替电子的光纤连接的时机已经成熟。传输数字信息的调制光束一直是非常长距离链路的选择媒介,在这些链路中,铜通道将需要多个放大点和减轻失真。工程师们一直在寻找延长铜通道使用寿命的方法。多年来,对中短距离传输启用光纤是预测者的一个目标。铜通道传输的改进,包括向差分对的过渡,PAM4信号,以及内置在SERDES芯片中的先进信号调节,使设计者继续使用可接受长度的铜通道。

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光纤面临着几个挑战,包括在光通道两端所需的电光转换过程所需的额外成本和功耗。光纤终止过程的困难以及成本高的原因也是阻碍光纤使用的原因之一,并且光纤也被认为比传统的铜电缆更脆弱。

随着光纤电缆、连接器和有源组件的成本不断下降,人们的态度正在改变。对于高速传输铜通道的性能始终有限制,而光纤具有更高的带宽和覆盖范围的优势。波分复用和相干传输技术的进步可以进一步提高光纤的效率。

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随着扩展光束技术的采用,对光学接口配合面污染的极端敏感性被最小化,该技术使用集成在连接器中的透镜来增加光束的直径。这项技术使尘埃斑点对透射光量的影响要小得多。

光纤正在用于数据中心中相对较短的应用,如开关到开关、开关到中控,在某些情况下,光纤甚至可能应用于盒子内。

在高性能应用中,尽力减少印刷电路材料损失和失真的需求激发了人们对新方案的追求。一种解决方案是将高速信号转换到紧接在ASIC或SERDES设备附近的屏蔽双轴电缆上。这些电缆的信号衰减和失真大大减少,这些电缆会跳过PCB表面,直接安装在设备面板上的I/O连接器。

另一种最新的解决方案是共封装光学技术,它将电光转换过程定位在一个具有SERDES或开关芯片的公共基板上,并使用光学技术将信号直接带到I/O面板上。其结果是失真更小,端口密度更高。

用于实现这种集成的技术是硅光子学,它将光发射器和/或接收器的多个组件集成到硅芯片上。其目标是用光子信号取代电脉冲。多年来,科学家们一直试图在硅上制造一种实用的激光器,但没有成功。最近,他们选择集中于安装在普通衬板上单独的激光光源和光子芯片。硅光子器件可以集成多种功能,包括调制器、SERDES、光放大器、检测器、滤波器、耦合器,内存以及驱动电路等。

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这项技术提供的优势包括:

·* 以微米为单位测量的信号密度

·* 高速传输

·* 硅波导可以与电导体一起在一个公共基板上形成波形

·* 使用现有的高容量集成电路制造、工艺和晶圆测试设备

·* 使其能够在同一微芯片上创建电子和光学组件

·* 可以在同一芯片上实现电光转换

·* 降低功耗

·* 增加了集成和系统密度

·* 通过自动化来降低系统成本

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目前这项技术仍然是一个概念,但包括英特尔在内的一些供应商,已经演示了DEMO说明共封装光学的性能优势。许多工程师认为硅光子学作为日益增长的挑战带宽瓶颈以及I/O面板密度的一个长期解决方案。

 

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