JP2009520446A - バックプレーン信号チャネルにおけるインピーダンス整合のための装置及び方法 - Google Patents

バックプレーン信号チャネルにおけるインピーダンス整合のための装置及び方法 Download PDF

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Abstract

前面及び裏面を有し、その中で複数の導電層を有し、各導電層は1又はそれ以上の信号チャネルを有するプリント回路基板と、前面から裏面へ延在し、少なくとも1つの信号チャネルへ電気的に結合されるスタブと、スタブ及び接地へ電気的に結合されるインピーダンス整合端子とを有する装置を開示する。前面及び裏面を有し、且つ、1又はそれ以上の信号チャネルを各々有する複数の導電層と、前面から裏面へ延在し、少なくとも1つの信号チャネルへ電気的に結合され、当該プリント回路基板へ取り付けられる部品から信号を受信するよう設計されるスタブとを有するプリント回路基板を設ける段階と、スタブ及び接地へインピーダンス整合端子を結合する段階とを有する処理を開示する。

Description

本発明は、概して、バックプレーン信号チャネルにおける通信、具体的には、もっぱらそれに限定されないが、バックプレーン信号チャネルにおけるインピーダンス整合による信号品質の改善に関する。
図1Aは、バックプレーン102として知られるプリント回路基板を有するブレードサーバーの実施例を表す。一実施例ではサーバーであるブレード104は、ソケット106により、バックプレーン102に機械的に取り付けられ且つ電気的に結合されている。ブレード104は、バックプレーン102内の信号チャネル110を介して、同じくバックプレーンへ結合されている他のブレードと通信するためにバックプレーン102を用いる。ブレード104は、バックプレーン102の厚みを通って延在する1又はそれ以上のスタブ112を介して信号チャネル110と通信する。例えば、ブレード104、すなわち、より具体的には、ブレード104上の回路は、スタブ112を介してチャネル110と通信する。
図1Aは、信号がスタブ112を通ってブレード104によって送信又は受信をされる場合に起こる現象を図示する。例えば、ブレード104から発せられた信号がスタブ112に入る場合に、信号の第1の部分118は、スタブ112を下り、チャネル110へ入る。しかし、信号の第2の部分116は、スタブ112の端部へ至る。信号の第2の部分116がスタブ112の端部114に達すると、第2の部分116は、端部114から反射し、スタブ112を逆流して、少なくとも部分的にチャネル110に入る。信号のデータレートが低く且つ信号チャネル112の長さが小さいならば、スタブ端部114からの信号の反射は、通常は、深刻な問題を生じない。しかし、信号のデータレートが高く且つ信号チャネル112の長さLが大きい場合には、より深刻な問題が発生し始める。
図1B及び1Cは、長い信号チャネル112及び高いデータレートの差分信号により生ずる問題を表す。図1Bは、図2Aにおいてブレード204上に示される場所で正の入力電圧Vinpと負の入力電圧Vinnとの間の電圧差によって測定される差分入力信号を表す。図1Cは、図2Aにおいてブレード204上に示される場所で正の出力電圧Voutpと負の出力電圧Voutnとの間の電圧差によって測定される差分出力信号を表す。通常、図1B及び1Cは両方とも、差分信号のよく知られる“オープンアイ(open eye)”パターン特性を示すべきであり、完璧な通信システムでは、入力でのアイパターンは完全に出力で再現される。言い換えると、図1Cでの出力パターンは、図1Bでの入力パターンと全く同じようになる。しかし、示される図では、図1Aで先に論じられた信号反射現象により、期待される“オープンアイ”パターンは、入力においては幾らか歪められ、出力においてはより一層著しく歪められることとなる。それほどの歪みにより、図1Cに示されるように、“オープンアイ”パターンは閉じ、このことは、原則的に、信号が混乱することを意味する。電圧の広がりは、また、狭くなり、このことは、信号エネルギがブレード間で失われたことを意味する。特に、これは、信号が受信される場合に、その信号を復号することを困難にする。
上記の問題を扱う現在のところの方法は、信号を受信するブレードの回路内で、差分信号を調えて復号しようと試みる能動的な解決方法に重点的に取り組んでいる。しかし、かかる目下の解決法は、複雑であり且つ高価である。試みられてきた1つの受動的アプローチは、単純に入力において信号電力を増大させることである。なお、あいにく、このアプローチは、出力での電圧の広がりにのみ作用し、入力と出力との間で生ずる“アイ”の閉成に関しては全く作用しない。
本発明の限定的でなく且つ排他的でない実施例について、以下の図面を参照して記載する。図面において、同じ参照番号は、たとえ別なふうに特定されているとしても、様々な考えにわたって同じ部分を表す。
バックプレーン信号チャネルにおけるインピーダンス整合のためのシステム及び方法の実施例をここでは記載する。以下の記載で、多数の特定の詳細は、本発明の実施例の徹底的な理解を提供するために記載される。しかし、いわゆる当業者には明らかであるように、本発明は、かかる特定の詳細のうちの1又はそれ以上を用いずとも、又は他の方法、構成要素、材料等を用いても実施され得る。他の面では、よく知られる構造、材料、又は動作は、詳細には図示又は記載をされないが、とはいえ、本発明の適用範囲内に包含される。
本明細書全体における“一実施例”又は“実施例”との言及は、その実施例に関連して記載される特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくとも1つの実施例に含まれることを意味する。このように、本明細書中での“一実施例において”又は“実施例では”というフレーズの出現は、必ずしも全て同じ実施例について言及しているわけではない。更に、特定の特徴、構造、又は特性は、1又はそれ以上の実施例において、いずれかの適切な方法で組み合わされても良い。
図2Aは、本発明に従うブレードサーバー200を有する装置の実施例を図示する。ブレードサーバーは例示のためにここでは用いられるが、他の実施例では、装置200はブレードサーバー以外の何かであっても良い。ブレードサーバー200は、第1のブレード206及び第2のサーバーブレード204を有する。第1及び第2のブレード206、204は両方とも、バックプレーン202へ電気的に且つ機械的に結合されている。ブレード204及び206は、バックプレーンの厚みにわたって延在する1又はそれ以上のスタブを用いて、バックプレーン内の信号チャネル212へ電気的に結合されている。例えば、ブレード206、すなわち、より具体的には、ブレード206上の回路は、スタブ216へ電気的に結合されているトレース218を介して且つスタブ214へ電気的に結合されているトレース220によって、信号チャネル212と結合されている。同様に、ブレード204上の回路は、スタブ234へ電気的に結合されているトレース224を介して且つスタブ232へ電気的に結合されているトレース226によって、信号チャネル212と結合されている。信号チャネル212へのかかる電気的結合に基づき、ブレード204及び206は、バックプレーン202内で信号チャネル212を介して互いと通信することができる。
バックプレーン202は、ブレード204及び206が結合されている前面と、例えば、インピーダンス整合端子228及び230のような構成要素が、以下で更に論じられるように結合されている裏面とを有する。バックプレーン202の一実施例で、バックプレーンは、絶縁層221によって互いから分けられた多数の導電層222を有するプリント回路基板である。導電層は、信号層と接地層とを繰り返す。すなわち、例えば、1つの特定の層が単一の層であるならば、いずれか一方の方向におけるスタック内の次なる層は接地層である(図3参照)。一実施例で、導電層は、例えば銅のような金属から作られるが、他の実施例では、導電層は、当然、他の金属導体又は非金属導体から作られ得る。同様に、一実施例で、絶縁層221は、例えば、FR4又はNelco4000−13のような誘電体から作られる。FR4及びNelco4000−13は両方とも、アメリカ合衆国ニューヨーク州メルヴィルのパーク・エレクトロケミカル株式会社の関連会社ネルコ・カリフォルニアから入手可能である。
バックプレーン202の前面はソケット208を有する。ソケット208により、ブレード206は、バックプレーン202へ機械的に取り付けられ且つ電気的に結合される。また、バックプレーン202の前面はソケット210を有する。ソケット210により、ブレード204は、バックプレーン202へ機械的に取り付けられ且つ電気的に結合される。スタブ214及び216は、バックプレーン202の厚みにわたって延在し、ソケット208を介して信号チャネル212へブレード206を電気的に結合するために使用される。同様に、スタブ232及び234は、バックプレーン202の厚みにわたって延在し、ソケット210を介して信号チャネル212へブレード204を電気的に結合するために使用される。一実施例で、スタブ214、216、232及び234は、バックプレーン202内の導電層の1つにしか電気的に結合されず、残りの導電層からは絶縁されている。表される実施例では、スタブ214、216、232及び234は、信号チャネル212へ電気的に結合されている。図には示されないが、一実施例で、信号チャネル212は一対のチャネルを有し、それを通って差分信号は伝播することができる。信号チャネルが差分チャネル対を有する場合に、スタブ214及び234は、ペアでチャネルの1つへ結合され得、一方、スタブ216及び232は、ペアで他のチャネルへ結合される。このような配置により、ブレード206及び204は、差分信号を介して互いと通信する。
ブレード204及び206は夫々、ソケット108及び110を用いてバックプレーン102へ機械的に取り付けられ且つ電気的に結合されている。一実施例で、ブレード204及び206は、個々のサーバーでありうる。ブレード206を例とすると、ブレード206は、その上に、例えばマイクロプロセッサ236及びメモリ238のような構成要素を有することができる。メモリは、様々な実施例で、ランダムアクセスメモリ(RAM)、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)、スタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)、スタティック−ダイナミックランダムアクセスメモリ(SDRAM)、読出専用メモリ(ROM)、又はフラッシュメモリでありうる。ブレード204及び206の他の実施例は、当然、サーバー以外の装置であっても良く、プロセッサ236及びメモリ238よりも多くの、より少ない、又は異なる構成要素を有することができる。更に、示される実施例では、構成要素は、ボールグリッドアレー(BGA)を用いてブレードへ結合されているが、他の実施例では、構成要素は、別な方法でブレードへ結合されても良い。
インピーダンス整合端子228は、スタブ214及び216の1又はそれ以上へ及び接地へ電気的に結合されている。同様に、インピーダンス整合端子230は、スタブ232及び234の1又はそれ以上へ及び接地へ電気的に結合されている。表される実施例では、インピーダンス整合端子228及び230は両方とも、一対の抵抗を有する。この一対の抵抗の夫々1つは、各スタブへ及び接地へ結合されている。外部の接地(例えば、ブレードサーバー200にない接地。)へ接続されるよう図示されているが、インピーダンス整合端子は、また、ブレードサーバー自体でも接地され得る(図3参照)。可変抵抗が図には示されているが、他の実施例では、固定抵抗が使用されても良い。更なる他の実施例では、例えばコンデンサ及びインダクタのような他の電気部品を有するインピーダンス整合端子が、固定抵抗若しくは可変抵抗に代わって又はそれに加えて使用され得る(図4A〜4D、5A〜5B、6A〜6B及び7参照)。更なる他の実施例では、抵抗、コンデンサ及びインダクタ以外の電気部品が、これらの部品に代わって又はそれらに加えて使用され得る。
インピーダンス整合端子で使用される抵抗、キャパシタンス、インダクタンスなどの具体的な値は、スタブ及び信号チャネルを通って伝播する信号のデータレート並びに信号チャネルの長さLのような要因に依存しうる。例えば、抵抗器が、毎秒約9ギガビット(9Gbps)のデータレート又はそれを超えるデータレートを有して信号を搬送している約9インチ又はそれ以上の長さを有する信号チャネルを備えたインピーダンス整合端子として使用される場合に、約25オームの抵抗が最適であることが分かっている。インピーダンス整合端子が抵抗器であるところの他の実施例では、信号チャネルが長くなるほど、より低い抵抗が必要とされることが期待される。
図2B及び2Cは、図2Aで図示されるようにスタブ端部へインピーダンス整合端子を取り付けた効果を表す。図2Bは、図2Aにおいてブレード206上に示される場所で正の入力電圧Vinpと負の入力電圧Vinnとの間の電圧差によって測定される差分入力信号を表す。図2Cは、図2Aにおいてブレード204上に示される場所で正の出力電圧Voutpと負の出力電圧Voutnとの間の電圧差によって測定される差分出力信号を表す。
図2Bは、スタブ端部へ適用されるインピーダンス整合の結果として、目下、差分信号に関連した、よく知られる“オープンアイ”パターンを示す。同様に、差分出力信号は、以前は、スタブ端部からの信号反射によって歪められたが、目下、図2Cも、差分信号に関連した、よく知られる“オープンアイ”パターンを示す。図2Cのアイの中央にある斜線四角形は、PCIインダストリアル・コンピュータ・マニュファクチャーズ・グループ(PICMG)によって2003年1月に公表されたアドバンスト・テレコム・コンピューティング・アーキテクチャ(ATCA)3.0規格によって課された設計要求を表す。ATCA規格は、信号が復号され得るように、信号において少なくとも0.2ボルトの広がりを要求する。このように、インピーダンス整合端子は、長い信号チャネル及び高いデータレートに関する当該仕様の順守に大いに作用する。完璧な通信システムでは、入力でのアイパターンは、完全に出力で再現される。言い換えると、図2Cでの出力パターンは、図2Bでの入力パターンと全く同じようになる。しかし、図2Cは、出力パターンの“オープンアイ”は、もはや閉じないが、信号の電圧の広がりは、信号チャネルで失われる信号エネルギにより依然として狭まることを示す。
図3は、インピーダンス整合端子を接地する実施例を表すバックプレーン300の実施例を表す。バックプレーン300は、原則的に、交互に配置される信号層302及び接地層304と、接地層及び信号層を分離する絶縁層306とを有するプリント回路基板である。スタブ310は、バックプレーン300の厚みにわたって延在し、導電層の1つに形成された信号チャネル308へ電気的に結合されている。インピーダンス整合端子312は、スタブ310へ電気的に結合されており、それをバックプレーン300内で接地層304へ結合することによって接地される。示される実施例では、インピーダンス整合端子は、バックプレーン300の裏面に最も近い接地層304で接地されているが、他の実施例では、インピーダンス整合端子は、バックプレーン内のその他の層で接地され得る。インピーダンス整合端子312が1よりも多い接地を要するところの実施例では(図4A〜4D、5A〜5B、6A〜6B及び7参照)、いずれの接地も、バックプレーン300内で同じ接地層へ結合され得、あるいは、異なる接地層へ結合され得る。
図4A乃至4Eは、図2Aに示される装置200で使用され得るインピーダンス整合端子の実施例を表す。図4Aは、可変シャントコンデンサCpと、後に続く可変直列抵抗Rp及び可変直列インダクタLsとを有する実施例を表す。他の実施例では、構成要素は可変ではなくて固定され得、図4Aに図示される構成要素の抵抗、キャパシタンス及びインダクタンスの値は、分析的に又は実験的に決定され得る。図4Bは、可変シャントコンデンサの位置が変更されている点を除いて、図4Aの実施例に類似する実施例を表す。図4Bの実施例は、可変直列抵抗Rsと、後に続く可変シャントコンデンサCp及び可変直列インダクタLsとを有する。他の実施例では、構成要素は可変ではなくて固定され得、図4Bに図示される構成要素の抵抗、キャパシタンス及びインダクタンスの値は、分析的に又は実験的に決定され得る。
図4Cは、コンデンサ及びインダクタの位置が入れ換えられている点を除いて、図4の実施例に類似する実施例を表す。その場合に、この実施例は、可変シャントインダクタLpと、後に続く可変直列抵抗Rp及び可変直列コンデンサCsとを有する。他の実施例では、構成要素は可変ではなくて固定され得、図4Cに図示される構成要素の抵抗、キャパシタンス及びインダクタンスの値は、分析的に又は実験的に決定され得る。図4Dは、可変シャントインダクタの位置が変更されている点を除いて、図4Cの実施例に類似する実施例を表す。その場合に、この実施例は、可変直列抵抗Rsと、後に続く可変シャントインダクタLs及び可変直列コンデンサCsとを有する。他の実施例では、構成要素は可変ではなくて固定され得、図4Dに図示される構成要素の抵抗、キャパシタンス及びインダクタンスの値は、分析的に又は実験的に決定され得る。
図4Eは、図2に図示される装置200で使用され得るインピーダンス整合端子の更なる他の実施例を表す。この実施例は、可変直列抵抗Rsと、後に続く可変シャントインダクタLp及び可変シャントコンデンサCpと、後に続く可変直列抵抗Rp、可変直列インダクタLs及び可変直列コンデンサCsとを有する。このインピーダンス整合端子の他の実施例では、構成要素は可変ではなくて固定され得、図4Eに図示される構成要素の抵抗、キャパシタンス及びインダクタンスの値は、分析的に又は実験的に決定され得る。
図5A及び5Bは、装置200で使用され得るインピーダンス整合端子の更なる実施例を表す。図5Aは、可変シャントコンデンサCpと、後に続く可変直列抵抗Rp及び可変直列コンデンサCsを有するインピーダンス整合端子の実施例を表す。同様に、図5Bは、可変直列抵抗Rpと、後に続く可変シャントコンデンサCp及び可変直列コンデンサCsとを有するインピーダンス整合端子の実施例を表す。図5A及び5Bに図示される実施例に関し、抵抗及びキャパシタンスは、分析的に又は実験的に決定され得、他の実施例では、図示される構成要素は可変ではなくて固定され得る。
図6A及び6Bは、装置200で使用され得るインピーダンス整合端子の更なる代替の実施例を表す。図6Aは、可変シャントインダクタLpと、後に続く可変直列抵抗Rp及び可変直列インダクタLsとを有するインピーダンス整合端子の実施例を表す。同様に、図6Bは、可変直列抵抗Rsと、後に続く可変シャントインダクタLp及び可変直列インダクタLsとを有するインピーダンス整合端子の実施例を表す。図6A及び6Bに図示される実施例に関し、抵抗及びインダクタンスは、分析的に又は実験的に決定され得、他の実施例では、図示される構成要素は可変ではなくて固定され得る。
本発明の表される実施例の上記の記載は、要約で記載されることを含め、完全であるよう且つ開示される厳密な形態に本発明を限定するよう意図されない。本発明の特定の実施形態及び例は、説明のためにここで記載されており、一方、様々な同等の変形が、当業者には明らかであるように、本発明の適用範囲内で可能である。かかる変形は、上記の詳細な記載を鑑みて本発明に対して行われ得る。
特許請求の範囲で用いられる用語は、明細書及び特許請求の範囲に開示される特定の実施例に本発明を限定すると解されるべきではない。むしろ、本発明の適用範囲は、完全に特許請求の範囲によって決定されるべきであり、請求項の解釈に関する確立された原則に従って解釈されるべきである。
バックプレーンによるサーバーブレードの通信を示す断面図である。 図1Aに示されるようなサーバーの実施例に関する差分入力電圧対時間のプロットである。 図1Aに示されるようなサーバーの実施例に関する差分出力電圧対時間のプロットである。 本発明に従うブレードサーバーの実施例の側面図である。 図2Aのブレードサーバーのようなブレードサーバーの実施例に関する差分入力電圧対時間のプロットである。 図2Aのブレードサーバーのようなブレードサーバーの実施例に関する差分出力電圧対時間のプロットである。 インピーダンス整合端子の接地の実施例を表すバックプレーンの実施例の断面図である。 抵抗、コンデンサ及びインダクタの組み合わせを用いるインピーダンス整合端子の実施例の回路図である。 抵抗、コンデンサ及びインダクタの組み合わせを用いるインピーダンス整合端子の実施例の回路図である。 抵抗、コンデンサ及びインダクタの組み合わせを用いるインピーダンス整合端子の実施例の回路図である。 抵抗、コンデンサ及びインダクタの組み合わせを用いるインピーダンス整合端子の実施例の回路図である。 抵抗、コンデンサ及びインダクタの組み合わせを用いるインピーダンス整合端子の実施例の回路図である。 抵抗及びコンデンサを用いるインピーダンス整合端子の実施例の回路図である。 抵抗及びコンデンサを用いるインピーダンス整合端子の実施例の回路図である。 抵抗及びインダクタを用いるインピーダンス整合端子の実施例の回路図である。 抵抗及びインダクタを用いるインピーダンス整合端子の実施例の回路図である。

Claims (20)

  1. 前面及び裏面を有し、その中で複数の導電層を有し、各導電層は1又はそれ以上の信号チャネルを有するプリント回路基板と、
    前記前面から前記裏面へ延在し、少なくとも1つの信号チャネルへ電気的に結合されるスタブと、
    前記スタブ及び接地へ電気的に結合されるインピーダンス整合端子とを有する装置。
  2. 前記接地は前記プリント回路基板の外の接地である、請求項1記載の装置。
  3. 前記複数の導電層は、絶縁層によって互いから分けられた交互の信号層及び接地層を含む、請求項1記載の装置。
  4. 前記接地は前記接地層の1又はそれ以上である、請求項3記載の装置。
  5. 前記インピーダンス整合端子は可変抵抗器である、請求項1記載の装置。
  6. 前記インピーダンス整合端子はコンデンサ及びインダクタのうちの少なくとも1つを含む、請求項1記載の装置。
  7. 前記信号チャネルを伝播する信号は、毎秒約9ギガビット(Gbps)又はそれ以上のデータレートを有する、請求項1記載の装置。
  8. 前記信号チャネルの長さは約9インチ又はそれ以上である、請求項1記載の装置。
  9. 前面及び裏面を有し、その中に複数の導電層を有し、該導電層のうちの少なくとも1つは差分信号を搬送するよう第1及び第2の信号チャネルを有するプリント回路基板と、
    前記前面から前記裏面へ延在する第1及び第2のスタブであって、該第1のスタブは前記第1の信号チャネルへ電気的に結合され、前記第2のスタブは前記第2の信号チャネルへ電気的に結合される前記第1及び第2のスタブと、
    前記プリント回路基板の前記前面へ結合され且つ前記第1及び第2のスタブへ電気的に結合され、当該サーバーブレード上にプロセッサ及びSDRAMを有するサーバーブレードと、
    前記プリント回路基板の前記裏面に位置付けられ且つ前記第1及び第2のスタブ並びに接地へ接続されるインピーダンス整合端子とを有するシステム。
  10. 前記接地は前記プリント回路基板の外の接地である、請求項9記載のシステム。
  11. 前記複数の導電層は、絶縁層によって互いから分けられた交互の信号層及び接地層を含む、請求項9記載のシステム。
  12. 前記接地は前記接地層の1又はそれ以上である、請求項11記載のシステム。
  13. 前記インピーダンス整合端子は可変抵抗器である、請求項9記載のシステム。
  14. 前記インピーダンス整合端子はコンデンサ及びインダクタのうちの少なくとも1つを含む、請求項9記載のシステム。
  15. 前記信号チャネルを伝播する信号は、毎秒約9ギガビット(Gbps)又はそれ以上のデータレートを有する、請求項9記載のシステム。
  16. 前記信号チャネルの長さは約9インチ又はそれ以上である、請求項9記載のシステム。
  17. 前面及び裏面を有し、且つ、1又はそれ以上の信号チャネルを各々有する複数の導電層と、前記前面から前記裏面へ延在し、少なくとも1つの信号チャネルへ電気的に結合され、当該プリント回路基板へ取り付けられる部品から信号を受信するよう設計されるスタブとを有するプリント回路基板を設ける段階と、
    前記スタブ及び接地へインピーダンス整合端子を結合する段階とを有する処理。
  18. 前記信号チャネルでの信号品質を最適化するよう前記インピーダンス整合端子のインピーダンスを調整する段階を更に有する、請求項17記載の処理。
  19. 前記複数の導電層は、絶縁層によって互いから分けられた交互の信号層及び接地層を含む、請求項17記載の処理。
  20. 前記インピーダンス整合端子を接地へ結合する段階は、前記インピーダンス整合端子を前記接地層のうちの1又はそれ以上へ結合する段階を含む、請求項19記載の処理。
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