Eckdaten

Durch eine ganzheitliche Betrachtung von Messung, elektrischer Simulation, thermischer und elektrothermischer Untersuchung wurde letztlich eine deutliche Optimierung des gesamten Designs des neuen COM-Express-Board Conga-B7XD erreicht.

Um zu verstehen, welche Herausforderungen bei aktuellen High-Speed-Designs zu meistern sind, kann dabei ein prototypisches Design dienen, das für das neue COM Express Type 7 Server-on-Module mit Intel-Xeon-D-1577-Prozessor entwickelt wurde, der 16 Cores hat und 2 × 10 Gigabit Ethernet KR Interface sowie 32 × PCI Express Gen 3 Lanes unterstützt.

Tatort Embedded-Edge-Sever-Design

Diese neue Generation leistungsstarker Embedded-Edge-Server-Produkte markiert derzeit das oberste Ende der verfügbaren Leistungsfähigkeit von Embedded-Edge-Server-Designs. Jedoch brachte diese Leistungs- und Performanceklasse physikalische Kausalketten zum Vorschein, die bei Low-Power-Produkten, wie sie im klassischen Embedded-Computing-Markt bislang üblich sind, nicht gravierend in Erscheinung treten. Die Ingenieure stießen bei ihren umfangreichen Tests für ein Server-on-Modules-Design – das bis zu 100 Watt verbrauchen kann, zum Beispiel in der Auslegung mit beispielsweise AMD-Epyc-Prozessor – zunächst auf Signalstörungen. Obwohl bewährte Maßnahmen der HF-Technik, Layoutgestaltung für optimale Signalqualität und Dimensionierungen im Design berücksichtigt worden waren, zeigte der erste Prototyp jedoch Auffälligkeiten im Compliance-Test. Die Spezialisten der Testabteilung, die alle Transmitter und Receiver im hausinternen Labor mittels „Compliance-Tests“ auf das Einhalten der Spezifikation testen, sahen deshalb Handlungsbedarf.

Statistisch verteilte und sporadische Fehler

Sieben Simulationsschritte: Durch die Veränderung der Kupferdicken sowie Via-Anzahl und Via-Placements konnte die minimale und maximale Temperatur des COM-Express-Type-7-Designs im Schnitt um rund 12 % gesenkt werden.

Sieben Simulationsschritte: Durch die Veränderung der Kupferdicken sowie Via-Anzahl und Via-Placements konnte die minimale und maximale Temperatur des COM-Express-Type-7-Designs im Schnitt um rund 12 % gesenkt werden. Congatec

Der Betrieb außerhalb der Compliance kann zu zufälligen, nicht vorhersehbaren Ausfällen führen. Das System funktioniert dann zwar meistens, aber im Zusammenspiel mit externen Komponenten können Aussetzer auftreten. Solche sporadisch auftretenden Fehler lassen sich nur sehr schwer analysieren. Aber solche Fehler sind äußerst kritisch und ihre Folgen werden erfahrungsgemäß teuer. Neben den EMV-Compliance-Tests, die sicherstellen, dass Abstrahlungen definierte Strahlungswerte nicht überschreiten, müssen auch die Transmitter und Receiver der Highspeed-Kommunikationsschnittstellen eine definierte Signalqualität einhalten. Und bei all diesen Tests gibt es Grenzwerte, die einzuhalten sind. Befinden sich die Werte innerhalb des erlaubten Bereichs, garantiert dies die erfolgreiche Zusammenarbeit zweier Geräte.

Performance gefährdet

Bei der Sata-Schnittstelle beispielsweise garantiert die Einhaltung der Sata-Spezifikation die erfolgreiche Kommunikation zwischen dem Mainboard und jeder beliebigen Festplatte. Vorausgesetzt, beide Seiten sind „compliant“ und halten die Spezifikation ein. Befinden sich die Werte außerhalb, jedoch in Grenznähe, kann die Kommunikation des Boards mit einigen Festplatten dennoch funktionieren. Bei der Analyse der Smart-Werte der Festplatte, zeigen diese häufig Übertragungsfehler, die eigentlich nicht auftreten sollten. Ein erkannter Fehler in der Kommunikation löst zudem die erneute Übertragung des Datenpaketes aus. In der Folge sinkt die tatsächlich erreichte Datenrate. Erst wenn die Compliance weiter außerhalb der Spezifikation liegt, wird die Festplatte irgendwann nicht mehr erkannt und Datenverlust ist die Folge.

Compliance ermitteln

Im Beispiel der Sata-Schnittstelle ist eine erfolgreich getestete Kommunikation noch lange kein Nachweis der Sata-Compliance. Der rein funktionale Test im Labor mit einigen zufällig ausgewählten Festplatten ersetzt also keine Compliance-Untersuchung. Der Nachweis der Compliance kann hingegen durch eine ausführliche Charakterisierung des Designs mittels Messungen geführt werden. Hierfür betreibt Congatec ein eigenes Testlabor im Haus, ausgestattet mit Präzisionsmessgeräten in Millionenhöhe. Der Vorteil des hausinternen Labors liegt auf der Hand. Je tiefer man in der sicheren Zone arbeitet, umso höher ist die Zuverlässigkeit und Funktion über lange Zeit. Eine genaue Kenntnis der Sicherheitsmarge trägt zur Qualitätssicherung bei. Congatec optimiert seine Produkte mittels Simulationen und verifiziert die Optimierung mittels umfangreicher Empfänger- (RX) und Sender- (TX) Compliance-Messungen. Um die Zukunftssicherheit zu gewährleisten, wurde in 2018 auch ein neuer Messplatz angeschafft, der die Charakterisierung von „Next-Generation“-Interfaces – wie zum Beispiel USB 3.2 Gen2 – der Transmitter und der Receiver erlaubt. Auch im Bereich „Signal Integrity“ kann das Unternehmen auf ausgewiesene Spezialisten zurückgreifen, um umfassende Services anbieten zu können. Das Ziel ist letztlich den Nachweis zu erbringen, dass Kunden das Ziel der Compliance sicher erreichen und sich, wenn gewünscht, auch durch ein Zertifikat extern bestätigen lassen können.

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