CN116743678A - 交换系统及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据交换技术领域，具体涉及一种交换系统及电子设备。该交换系统包括底板、中置板和连接器，交换区域包括交换芯片，中置板具有前端口，至少两个中置板设于交换芯片的两侧并与底板间隔设置。根据本发明的交换系统，交换芯片设置在底板上，前端口设置在中置板上，中置板与底板不在同一个水平面上，但是通过连接器将交换芯片和前端口电连接，使交换芯片和前端口之间可以传输高速信号，从而大大提高了硬件设备的连接能力。

Description

交换系统及电子设备

技术领域

本发明涉及数据交换技术领域，具体涉及一种交换系统及电子设备。

背景技术

在高密度数据中心和电信设施中，硬件设备如服务器和网络交换机通常都设计成标准的机架单位(Rack Units,简称RU)。其中，2RU及其以上高度的硬件电子设备通常被用于更为复杂和功能丰富的应用，比如数据处理和网络交换。这类电子设备中，交换芯片和前端口是关键组件。

现有技术中常见的技术方案是在有限空间内设置交换卡，交换卡上设置前端口，数据通过交换卡上的前端口与外部交换设备做交换。这种方案的优点是可以低成本实现数据的交换，但是因为通过外部交换需要内部设置中继，从而造成通信延迟加大。为了降低设备内数据通信的延迟，可直接设置低延迟的交换芯片在设备内，以实现内部数据交换效率的最大化，同时满足外部交换的相应要求。该交换芯片负责处理和高效转发数据，而前端口则提供了设备与外界的连接接口。在设计这类设备时，我们通常希望尽可能多地配置交换芯片和前端口，以提高电子设备的性能和连接能力。然而，由于空间限制，交换芯片和前端口很难同时设置在同一底板上，或者交换芯片和前端口受到空间限制而个数减少。尤其是在2RU及其以上高度的设备中，这个问题尤其严重。首先，当交换芯片和前端口过于靠近时，由于交换芯片的工作热量，可能会引发热噪声问题，影响设备的稳定性和可靠性。其次，前端口占据的空间可能会影响到设备内部的走线设计，特别是往核心系统方向的走线，这会影响到电子设备的整体性能和效率。

目前的解决方案，通常是牺牲交换芯片或前端口的数量，以解决热噪声和走线问题。但这又限制了电子设备的性能和连接能力。因此，当前技术中存在着急需改进和优化的地方。

发明内容

本发明的目的是至少解决交换芯片和前端口受到空间限制而无法兼顾设置数量的问题，该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提出了一种交换系统，包括：

底板，所述底板上设有交换芯片；

具有前端口的中置板，所述中置板的个数为至少两个，至少两个所述中置板设于所述交换芯片的两侧并与所述底板间隔设置；

连接器，所述交换芯片通过连接器与所述前端口连接。

根据本发明的交换系统，交换芯片设置在底板上，前端口设置在中置板上，中置板位于交换芯片的两侧并与交换芯片间隔设置，通过连接器将交换芯片和前端口连接，使交换芯片和前端口之间可以传输高速信号。在本发明中，连接器将底板中交换芯片的高速信号经由中置板引入前端口，实现了在同一水平面积内可以设置的交换芯片和前端口的数量翻倍，从而大大提高了硬件设备的连接能力，同时也更好地解决了硬件设备内部空间的利用问题。另外，由于交换芯片与前端口不再位于同一平面，交换芯片与前端口之间的距离得以增加，这有助于降低交换芯片工作时产生的热噪声对前端口的影响，从而提高硬件设备的稳定性和可靠性。还有，前端口不再占据底板的空间，为底板提供了更多的走线空间，这有助于优化设备内部的走线设计，特别是往系统方向的走线，从而提高硬件设备的整体性能和效率。

另外，根据本发明的交换系统，还可具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述连接器为Mezz连接器。

在本发明的一些实施例中，所述前端口为单层端口或双层端口。

在本发明的一些实施例中，所述前端口设置在所述中置板的一侧或两侧。

在本发明的一些实施例中，所述前端口包括QSFP-DD、QSFP-DD800、OSFP、OSFP800、QSFP56或QSFP112的一种或多种。

在本发明的一些实施例中，所述交换芯片的至少部分通信带宽通过高速串行信号连接所述前端口。

在本发明的一些实施例中，所述高速串行信号包括PCIe协议、CXL协议、RoCE协议、Infiniband协议或以太网协议一种或多种。

在本发明的一些实施例中，所述底板和所述中置板均为PCB板。

在本发明的一些实施例中，所述底板上设置有隔热模块，所述隔热模块位于所述交换芯片和所述中置板之间。

本发明的第二方面提出了一种电子设备，包括如上述的交换系统。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的第一实施方式的系统原理图(第一实施方式中交换芯片的个数为两个)；

图2示意性地示出了根据本发明的第一实施方式中前端口设在中置板的一侧且为双层端口的结构示意图；

图3示意性地示出了根据本发明的第二实施方式的系统原理图(第二实施方式中交换芯片的个数为一个)；

图4示意性地示出了根据本发明的第二实施方式中前端口设在中置板的一侧且为单层端口的结构示意图；

图5示意性地示出了根据本发明的第二实施方式中前端口设在中置板的两侧且为单层端口的结构示意图；

图6示意性地示出了根据本发明实施方式的交换系统的信号传输的原理图。

附图标记如下：

100、交换系统；

10、底板；20、中置板；30、连接器；40、交换芯片；50、高速串行总线；60、前端口；70、隔热模块；80、散热模块。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

如图1至图5所示，根据本发明的实施方式，提出了一种交换系统100，包括底板10、中置板20和连接器30，其中底板10上设有交换芯片40，中置板20上设有前端口60，中置板20的个数为至少两个，至少两个中置板20设于交换芯片40的两侧并与底板10间隔设置。中置板20设于交换芯片40的两侧，其中两侧是指在中置板20水平方向上在交换芯片40的两侧，中置板20与底板10间隔设置是指中置板20在竖直方向上与底板10有间距，即中置板20与底板10不在一个水平平面上。那么就需要连接器30将交换芯片40和中置板20上的前端口60连接。

可以理解的是，中置板20设在底板10沿垂直于底板10方向的上方，更优选择是中置板20设在底板10沿垂直于底板10方向的正上方，这样可以缩小交换系统100水平方向的面积。

在一些实施方式中，连接器30为Mezz连接器30(即mezzanine的缩写，中间层连接器30)，Mezz连接器30一般采用PCIe总线，Mezz连接器30优点在于比标准的PCIe连接器30小，安装上Mezz连接器30后比较节省空间，为交换芯片40、前端口60或PCIe总线节省出空间。

可以理解的是，中置板20上的前端口60为单层端口或双层端口。单层端口即中置板20上只有一层前端口60，在交换需求并不大的情况下可以采用单层端口。双层端口为中置板20上叠层设置有两层的前端口60。现有技术中底板10上可以设置前端口60的面积肯定要大于中置板20上可以设置前端口60单元的面积，为了弥补甚至提高中置板20上前端口60的面积，因此中置板20上前端口60采用叠层设置，这样在相同面积的情况下前端口60的数量增加，可以提高和外部设备的连接能力。

在一些实施方式中，前端口60包括QSFP-DD、QSFP-DD800、OSFP、OSFP800、QSFP56或QSFP112的一种或多种。其中，QSFP-DD接口为采用双密度四通道小型可热插拔的光模块封装，是一种新型模块连接系统。该封装的电气接口拥有8通道，每通道速率高达25Gb/s(NRZ调制)或50Gb/s(PAM4调制)，聚合提供高达200Gb/s或400Gb/s的解决方案，适用于高性能计算数据中心、云网络。另外还有QSFP-DD800，其封装支持单通道速率为100Gbps的8通道，这也意味着800G仍然将沿用QSFP-DD封装。QSFP-DD接口具备向后兼容性，可兼容QSFP+/QSFP28/QSFP56等QSFP封装。QSFP-DD接口采用2×1堆叠式集成笼的连接方式，可支持单层端口和双层端口的笼式连接系统。采用SMT连接器30和1xN保持架，笼式设计和光模块外壳优化可实现每个模块至少12瓦的热容，而更高的热容能够降低光模块对散热功能要求，从而减少了一些不必要的成本。QSFP-DD接口充分考虑到用户使用的灵活性，采用了ASIC设计，支持多种接口速率，可向后兼容(兼容QSFP+/QSFP28)，从而降低前端口60成本和设备部署成本等优点。

可以理解的是，前端口60设置在中置板20的一侧或两侧。具体设置方式可以为将两个QSFP-DD接口以中置板20为基面背对背贴装，背对背贴装的两个QSFP-DD接口的引脚焊盘在垂直于中置板20的方向对齐，并沿中置板20的水平方向间隔排列。通过将每对背对背贴装的QSFP-DD接口中多对高速信号的过孔设计在QSFP-DD接口引脚焊盘区域外部，降低QSFP-DD接口引脚焊盘区域内部的高速信号过孔密度，避免了使用VIPPO(盘中孔)或多次层压等高级PCB生产工艺来扇出QSFP-DD接口处所有高速信号的问题。从而有效的节省了交换系统100的生产成本。

在一些实施方式中，本实施方式的交换系统100可以采用三维布线技术，三维布线技术可以利用空间的高度，实现更多的连接线路。这种技术在解决狭小空间内的布线问题时效果显著。

可以理解的是，底板10和中置板20均为PCB板(印刷电路板)。

在一些实施方式中，中置板20也可以采用FPC板(柔性电路板)，可以更灵活地解决空间限制问题。

可以理解的是，交换芯片40的至少部分通信带宽通过高速串行信号连接前端口60。高速串行信号由高速串行总线50传递。

具体的，高速串行信号包括PCIe协议、CXL协议、RoCE协议、Infiniband协议或以太网协议一种或多种。

在一些实施方式中，交换芯片40的个数可以为至少两个，并且交换芯片40通过高速串行总线50连接电源模块。

具体的，电源模块通过高速串行总线50连接任意相邻设置的两个交换芯片40相对的一侧。可以保证这两个交换芯片40均只有一侧被电源模块的高速串行总线50的走线挡住系统走线，不利于系统走线。该两个交换芯片40的其余三侧周围均没有设置模块或单元，因此不影响走线。

可以理解的是，连接器30设置在交换芯片40远离电源模块的高速串行总线50的一侧。连接器30设置在交换芯片40远离电源模块的高速串行总线50的一侧，那么交换芯片40不被电源模块的高速串行总线50妨碍的其余三侧均可以向连接器30走线，在最大程度上优化了走线的布局，增加了走线的个数，进而提高了高速信号传输的速率。

可以理解的是，交换芯片40远离底板10的边缘，给交换芯片40向核心系统或连接器30留有足够的走线空间。

在一些具体实施方式中，底板10的厚度为1-2mil，中置板20的厚度为1-2mil。底板10和中置板20的厚度均控制在1-2mil，那么底板10和中置板20叠加的厚度一般会在3-4mil之间，可以满足大多数电子设备的安装需求。

在一些实施方式中，底板10的长度在400-420mm之间，宽度在150-155mm之间，厚度在1-2mil之间。中置板20的长度受限于个数，但是宽度在150-155mm之间，厚度也在1-2mil之间。

在一些实施方式中，中置板20采用机架结构设置在底板10的上方，具体为中置板20被四根支柱架起，中置板20与底板10间隔。该四根支柱均采用绝缘材质，不会影响底板10以及中置板20上的走线。

在一些具体实施方式中，底板10的长度为417mm，宽度为150mm,厚度为1mil。交换芯片40的个数为两个，中置板20的个数为两个，该中置板20的长度为150mm，宽度为155mm，厚度为1mil。中置板20设置在设在底板10沿垂直于底板10方向的正上方。

底板10的中间位置设置有两个交换芯片40，两个交换芯片40相对的内侧通过PCIe总线连接核心系统的电源模块。由于交换芯片40设置在底板10的中间位置，所以交换芯片40远离底板10的边缘。

两个中置板20的结构相同，以其中一个举例分析，该中置板20上设置有前端口60，前端口60单元为QSFP-DD接口，并采用叠层设置，层数为两侧。

两个连接器30，该连接器30设置在交换芯片40远离连接电源模块的PCIe总线的一侧。并且该连接器30为Mezz连接器30。

隔热模块70设在底板10上，且隔热模块70位于中置板20和交换芯片40之间，具体可以为隔离板，通过物理手段在交换系统100的空间内隔绝中置板20和交换芯片40，进一步防止交换芯片40产生的热噪声对前端口60的影响。

上述的具体实施方式中解决的问题及产生的有益效果为：

1.解决空间限制问题：本实施方式中置板20和底板10不在一个平面上，并且通过连接器30连接，PCIe总线从底板10的交换芯片40引入中置板20前端口60，实现了在同一水平面积内可以设置的交换芯片40和前端口60的数量翻倍，从而大大提高了硬件设备的连接能力，同时也更好地解决了硬件设备内部空间的利用问题。

2.降低热噪声：由于交换芯片40与前端口60不再位于同一平面，交换芯片40与前端口60之间的距离得以增加，这有助于降低交换芯片40工作时产生的热噪声对前端口60的影响，从而提高硬件设备的稳定性和可靠性。

3.优化走线设计：通过本实施方式，前端口60不再占据底板10的空间，为底板10提供了更多的走线空间，这有助于优化设备内部的走线设计，特别是往核心系统方向的走线，从而提高硬件设备的整体性能和效率。

4.设备性能提升：因为能够在同一水平面积内设置更多的交换芯片40和前端口60，本实施方式能够在不增加设备体积的情况下，提高设备的性能和连接能力，满足高密度数据中心和电信设施对高性能硬件设备的需求。

5.设备制造成本降低：由于本实施方式能够在同一水平距离内设置更多的交换芯片40和前端口60，即硬件设备制造商可以在同样的设备体积内设置更多的交换芯片40和前端口60，从而降低了硬件设备的制造成本。

以上效果使得本实施方式具有很高的实用价值，对现有的硬件设备设计提供了一种新的优化方式。

图6为实施方式的交换机模块的信号传输的流程图。高速信号通过连接器30在交换芯片40和前端口60之间传输。

本实施方式还提供了一种电子设备，包括上述的交换系统100。

具体的，底板10上还设置有散热模块80，散热模块80用于对核心系统的核心芯片降温。散热模块80的风道方向是垂直于核心芯片的，所以风道方向吹到核心芯片或底板10后就会向四周扩散，风道方向就会吹向交换芯片40。现有技术中，由于交换芯片40和前端口60设置在同一平面，交换芯片40会阻碍风道吹向前端口60。在本实施方式中，由于交换芯片40和前端口60不在同一水平平面了，风道可以直接吹向底板10的交换芯片40或中置板20的前端口60，提高了交换芯片40和前端口60的降温效果。

上述的电子设备可以电连接多个其它电子设备。通过该电子设备提供的前端口60实现该电子设备与其他电子设备之间的高速数据传输。

在本实施方式的一些实施例中，这些其它电子设备可能包括服务器，存储设备，网络设备等。他们可能通过前端口60与包括交换系统100的电子设备连接，实现高速数据传输。

在本实施方式的一些实施例中，本实施方式的电子设备和其它电子设备可能以机架形式组织。每个机架可能包括多个本实施方式的电子设备，并且每个电子设备可能都包含至少一个上述的交换系统100。这种设计可以使得整个电子设备在单位面积内实现更高的连接能力和性能。

在本实施方式的一些实施例中，该电子设备可能包括一个冷却系统，该冷却系统设计用于冷却电子设备。冷却系统可能包括一个或多个风扇，风扇可能设置在底板10上，用于对多个核心芯片进行降温。

通过这种电子设备，本发明实现了在电子设备和高密度数据中心及电信设施中提供更高的连接能力和性能。而且，由于交换芯片40与前端口60不再位于同一平面，交换芯片40与前端口60之间的距离得以增加，这有助于降低交换芯片40工作时产生的热噪声对前端口60单元的影响，从而提高电子设备的稳定性和可靠性。同时，由于前端口60单元不再占据底板10的空间，为底板10提供了更多的走线空间，有助于优化系统内部的走线设计，特别是往核心系统方向的走线，从而提高电子设备的整体性能和效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种交换系统，其特征在于，包括：

底板，所述底板上设有交换芯片；

具有前端口的中置板，所述中置板的个数为至少两个，至少两个所述中置板设于所述交换芯片的两侧并与所述底板间隔设置；

连接器，所述交换芯片通过连接器与所述前端口连接。

2.根据权利要求1所述的交换系统，其特征在于，所述连接器为Mezz连接器。

3.根据权利要求1所述的交换系统，其特征在于，所述前端口为单层端口或双层端口。

4.根据权利要求1所述的交换系统，其特征在于，所述前端口设置在所述中置板的一侧或两侧。

5.根据权利要求1所述的交换系统，其特征在于，所述前端口包括QSFP-DD、QSFP-DD800、OSFP、OSFP800、QSFP56或QSFP112的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的交换系统，其特征在于，所述交换芯片的至少部分通信带宽通过高速串行信号连接所述前端口。

7.根据权利要求6所述的交换系统，其特征在于，所述高速串行信号包括PCIe协议、CXL协议、RoCE协议、Infiniband协议或以太网协议一种或多种。

8.根据权利要求1所述的交换系统，其特征在于，所述底板和所述中置板均为PCB板。

9.根据权利要求1所述的交换系统，其特征在于，所述底板上设置有隔热模块，所述隔热模块位于所述交换芯片和所述中置板之间。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的交换系统。