X模块技术

  10 Gbps 光纤端口正在减少，但是天花乱坠的广告宣传却没有因此而减少。三种前面板可热插拔转发器MSA，为不相信那些试图替代文件制定和性能测量的含糊不清言论的输入/输出（I/O）设计师带来了新机遇。
  作者：Joshua Israelsohn，技术编辑
  分布式计算的成功不如I/O技术的演进受到的赞扬多。计算资源的可用性很少成为问题，当然便携式设备领域则是个例外。因为在这一领域内，随着外壳的缩小，大用户的期望值稳步升高，甚至比外壳缩小的速度还快一点。在更多的情况下，通信吞吐量成为一种制约性资源。然而，情况不是一成不变的。近来你从新闻界或商贸博览会上了解到的许多新业务的运营模式，都取决于从大型数据存储库到大量任意分布的最终用户对廉价宽带通信的实现。
  由于数据通信和电信的需求的汇合，又由于各种能满足多种协议的物理层技术的发展，在10 Gbps节点形成了"最有效点"（参考文献1）。仅仅一年之前，市场也许只侧重于一两种 I/O 体系结构和形状系数。但是，刚刚过了几个季度，物理层市场就提供了这些产品以及3种新型模块，同时也带来了你决定哪一种模块最适合你的用途之前必须提出的一大堆问题。在此期间，在这个像其它任何领域一样面临困扰的领域中也发生的一连串活动，让你不仅要考虑区分各种物理层结构的技术问题，而且要思考你所挑选的产品的长期前景的问题。
  模块化 I/O 结构的优点
  模块式 I/O 结构为数据通信端口和电信端口的开发、制造和维护带来许多好处：
  端口的模块化设计基本上可以将其与线路卡的最高频率模拟电路相关的设计、材料、制造和测试等问题与产品的其他问题独立出来。
  制造商可以在组装后使线路卡和适配器板具有最昂贵的功能，从而最大限度地降低产品的收益成本并减少存货搬运费用。
  最终用户可以随其需要的提高来组装密集的线路卡，而不是将资金用在未用的功能上。
  模块一级不存在互操作性问题，从而使系统制造商及其电路板供应商和客户可以协商确定使用某些成熟的、备有现货的I/O。
  新的供应商能够按照预先规定的市场公认的资质规则进入市场，培育竞争，并与严格的专有设计相比，在更大程度上确保了供应渠道畅通。
  制造商按照MSA（多源协议）-如SFF（小形状系数）MSA、SFP（小形状系数可插拔）MSA、200PIN MSA和300PIN MSA-开发的早期模块都成功地展示了这些优点，减少了市场接受光子技术的"壁垒"，缩短了厂商将这些产品推向市场的时间。MSA还为多家模块制造商和元件供应商提供了一种超越标准化组织的范围，集中力量制订电气、光学和机械实施规范方面的问题。
  几年前公布的Xenpak MSA代表了转发器演进中的重要一步，因为它使人们能在不干扰线路卡或其任何端口的情况下更换模块（图1）。一块前面板的可热插拔模块需要电路板上安装的模块不具有的若干电气的、机电的和机械的特性。（附文《Xen 与光纤系统维护技术》）。 
图 1 Xenpak 体系结构为媒体访问控制器提供一个XAUI接口。串行器/解串器将10 Gbps 的有效负载和前向纠错系统开销分配给接口的4个通道，将每一条线路的信号传输速率降低到3.125 Gbps。
  Xpak多源协议
  虽然Xenpak 形状系数与那些不具备前面板可热插拔的模块相比很有吸引力，但MSA却不能满足某些重要市场的需求。尽管许多服务集中在10 Gbps或接近10 Gbps的数据速率上，但是对于其他性能参数，如链路的长度和相应的功率消耗等并不特别关注。
  Xenpak 形状系数为功耗为10W的小面积模块所付出的代价，就是一个高高跨立在印制电路板上的封装，因而需要在电路板上留一个切口。这一切口使Xenpak 形状系数受到很多非议，因为它增加了印制电路板的制造成本并减少了宝贵的走线空间。另外，尽管Xenpak 所提供的功能分割被证明是成功的，但是这绝对不是唯一可能的解决办法。
  去年又定义了两种新的类似Xenpak的转发器MSA，即Xpak 和 X2，它们具有更小的封装尺寸，适用于高密度线路卡、PCI适配器和其他小格式接口卡。英飞凌公司(Infineon)、英特尔公司和Picolight公司创建了 Xpak MSA, 随后又有约25家公司加入。该模块的定义与其前者 Xenpak非常相似，因为它通过一条4通道（10 Gbps 附属单元接口）连线在物理层/媒体访问控制器接口处分割I/O通道的模块化功能。Xpak MSA使用Xenpak 输出引脚，但是有一点例外，那就是它包括了以后的Xenpak标准版本没有的一对时钟信号。这些额外的时钟引脚供10GFC（10 Gbps 光纤通道）、10GbE （10 Gbps 以太网）和OIF SFI4-P2 （光互联网论坛串行器/解串器/成帧装置接口）等使用。MSA为SFI4-P2连接提供了第二个输出引脚。
表 1 各种模块尺寸和最小间距
  与Xenpak 相比，Xpak模块的尺寸使在I/O卡上所占的空间要比Xenpak小，因而不必在印制电路板上留一块切口，又可在PCI板上采用标准的顶面安装（图2）。现在已可以提供两种型号的Xpak模块（参考文献2）。这两种模块的最大占用面积都为1.42×2.98 英寸。低矮型模块在印制电路板表面上的最大高度为0.391 英寸，在标准PCI卡元件高度极限范围以内。这种低矮形状系数模块如用标准方法安装在PCI NIC（网络接口卡）或InfiniBand HBA（主机－总线－适配器）和TCA （目标－通道－适配器）等中，则其功耗为4W。对于超出小型电路卡范围的较长的设备来说，高大型的Xpak模块可以提供额外的散热片，总高度最大为0.881英寸。该模块占用空间以及相关的模块支架设计，符合电信设备的电路板边缘安装和电路板中间安装规范（参考文献3）。那些在存储区域网络（SAN）和交换中心等处需要许多通道的安装，就可以利用这种双面"肚皮贴肚皮"的安装方法。利用这种布局，你就可在一块17英寸印制电路板上安装多至20个器件。
图 2 对于要求较低功耗的10 Gbps业务，低矮型Xpak 模块所提供的功能与较大的Xenpak 器件的功能相同。
  Xpak的保持机构包括一个可以转动的卡钩，与SFP的装置相似，它与模块的支架互相锁定。当你将光缆接到Xpak模块时，光缆的连接器可以防止此卡钩移动到不闭锁的位置。如断开光缆，这个简单的闭锁机构与使用两个翼形螺钉的 Xenpak 支架相比，可使人们可以更快地更换模块。模块化设计的优点Xpak 闭锁还可将规定的压力施加到作为独立电磁干扰屏蔽一部分的导电衬垫上。第二种模块导轨安装方式为带涂层面板的系统提供一个抗电磁干扰（EMI）密封垫圈。
  由于现有的光纤模块外形、安装方式、组装密度以及冷却方式五花八门，OEM制造商的工程师需要确定各自I/O设计的散热性能。你可以对散热性能进行仿真，但是在设计周期的某个阶段，你需要按照在客户看来你的模型与他们的经验是无法互换的这一实现来调整你的结果：你的仿真应当与实际测量值相关。Xpak MSA的附录A1可为人们进行受控热性能测量提供有用的入门指导。它给出了一个简单试验箱的尺寸与安装细节、推荐的温度和气流测量位置以及模块工作条件。正如附录的作者所指出的那样，此附录也可以指导模块制造商与OEM厂商之间就散热性能和要求展开的讨论。
  X2 MSA集团
  Xpak MSA一公布，一家独立的财团--X2多源协议集团--也宣布了自己的模块协议（参考文献4）。杰尔系统公司(Agere Systems)、安捷伦科技公司(Agilent Technologies)、JDS Uniphase公司、三菱电气公司、日本电气公司(NEC)、Opnext 公司、Optillion公司和Tyco公司等8家公司组成了X2 集团。
  X2 也使用Xenpak 电气接口，但有少数地方例外。X2 提供一个4位端口地址的空间，比Xenpak和Xpak少一位。 X2 还减少了电源引脚的数目，并使底板和电气接地公用。X2 MSA还保留了Xenpak的4个厂商专用的引脚。在光技术方面，X2 MSA支持10GbE、OC192同步光纤网、10GFC和其他标准（参考文献5）。
  虽然X2 和Xpak模块在尺寸上相同，但是在机械结构上不相兼容，这主要是因为导轨装置的方式不同（表1）。Xpak为其两种高度的模块使用了不同的导轨。安捷伦公司称， X2 的优势在于：三种高度规定的模块都用一种导轨设计（参考文献6）。除了可以明显减少导轨部件的库存外，所说的优势也许是真实的，但是仅局限于满足以下两条准则的应用中：装配必须使用板中安装方法；否则由于面板的裁切，模块位置要按照高度作特别规定。很显然，作为某个产品的各种实例的集合，这种应用必定会得益于各种模块的混合使用。也许，Xpak方法的一个被低估的好处在于：它防止最终用户在一种多模块产品的单个实例中混用不同高度的模块。这种混用会影响散热气流，而最终用户的系统操作员也许看不清混用对散热带来的后果。 
  安捷伦公司还声称，X2 具有更好的抗电磁干扰性能和散热性能。X2 使用Xenpak的防电磁干扰衬垫－法兰盘设计，因此从理论上继承了后一种较大模块的防电磁干扰密封圈性能。Xpak 设计采用了较为适中的密封圈几何尺寸，各个MSA集团应当证明，而不是推断这种尺寸是否足够大。抗电磁干扰性能可能难以评估。评估方法包括装置几何尺寸、工作条件和评估准则，因此，评估方法的微小差异很可能会导致大相径庭的结果。抗电磁干扰要求基本上随最终应用不同而变化，许多应用采纳了规定评估方法的EMI标准。EMI性能要求和比较要么必须参照某个标准，要么必须为评估方法提供文件证明。这与评判田径选手时需要规定某项竞赛规则完全一样。
  虽然两种模块的外壳特性的差异是显而易见的，而且暗示了其散热性能也有所不同，但是单靠肉眼并不能看清这些性能差异的程度。因此，制造商所说的各种优点或许在各种应用制约条件下是令人信服的，但是这些制约条件尚未确定，尚未加以明确说明和特性化。在制造商确定工作条件和评估准则并验证测量结果之前，你在考虑任何高速模块I/O时，要考虑你要评估的这些重要的论题。
  与此同时，除了机械设计图纸之外，X2 文件包含的信息很少，这不利于比较这两种形状系数。在第一次发布X2后6个月，X2集团并没有对带有引脚定义清单的X2 MSA进行更新。
  XFP集团
  第三个MSA集团是XFP（10 Gb小形状系数可插拔模块）集团，它提供一种与Xenpak 体系结构及其4通道接口不同的模块。XFP 是一种采用一条XFI（10 Gb 串行接口）连接的全速单通道串行模块，可替代Xenpak 及其派生产品。由于模块中没有串行器/解串器，XFP体积更小，价格更便宜，功耗也更小。但是，它的功能也较少，从而可以利用印制电路板上的印制线将工作速度提高到其他MSA的4倍。如果端口组装密度在你设计的设备中是个问题，则XFP就能胜任。其尺寸允许在17英寸宽的印刷电路板的一面安装16个模块。这种模块的占用面积还允许在同一块电路板上"肚皮贴肚皮"地安装第二层。
  XFP 与以上两种比Xenpak小的替代模块之间有许多权衡因素，需要仔细加以考虑。请记住，你必须比较某个给定参数的总的通道要求才能将XFP与 Xpak 或X进行比较。你必须评估你的产品开发费用、材料账单、功率预算、制造成本以及终端与终端之间通道的而不只是模块的维持工程费用，因为XFP对通道的分割方式与其他MSA不同。你无法计算一种形状系数在你的项目和机构资源的环境之外所具有的价值。
  如果你想起了I/O模块化的好处，则XFP 形状系数的确会迫使你和你的客户一次一块电路板地，而不是按照单通道颗粒度为串行器/解串器功能支付费用。但是问题的另一面是，如果采用XFP，你就可以利用专门从事FR4上高速通信的公司所提供的各种多通道串行器/解串器芯片和技术。这一灵活性可减少某些费用，而且还可能具有任何其他现有形状系数不可比拟的总通道密度优势。
  单通道XFI 的布局比4通道XAUI更加小巧，如果你处理的是差分印制线对，而不是8根印制线束，那么在你的布局中保持相同的长度和拐角数就不太复杂。当速度为10 Gbps时，FR4 上的布局比在速度为2.5 Gbps 时更加苛刻，所以你应当确保你的小组拥有必要的工程设计资源来产生优质、高速电路板。XFP模块制造商和串行器/解串器供应商无疑都将拥有大量应用支持信息。但是，最终结果将由你的小组负责。
  XFI 接口对协议是辨识不清的，其工作速度为9.95 ～10.7 Gbps。XFP实现一种与光纤通道和OC-x SFP 模块相同的双线I2C串行监视与控制功能。几条额外的控制线提供复位信号、模块检测信号、中断信号、模块未就绪信号和类似的信号。
  销售之战已经临近... 
  有趣的是， Xpak 和X2 MSA集团的所有成员实际上都是XFP集团的成员。人们认识到，整个10 Gbps 光纤 I/O 市场将细分为小的Xen XAUI 形状系数和更小的XFP/XFI 形状系数。Xpak 和 X2 可能准备重演声名狼藉的VHS/Betamax 之战（附文《请不要在决策树的分支上失去立足之地》）。市场推迟采用Xpak 和 X2 可能给 XFP提供了立足的机会，尽管XFP形状系数让模块制造商和串行器/解串器制造商有时间向I/O设计师证明FR4上的10 Gbps是可以管理的，但也带来了额外的OEM工程设计负担。
  制造商根据这些MSA制作的第一批模块现已有样品提供，几家制造商准备在今年第一和第二季度推出其他型号的模块。大多数厂商尚未决定各种形状系数模块的批量采购的价格，所以这些制造商在今后几个月内确定价格时，你应当与他们联系一下。一份新的i-Suppli 报告提示，10 Gbps转发器现在的平均售价达数千美元，明年可能会下降50% （参考文献7）。如果制造商们在初期就获得市场，则这三种MSA就使这一预测得到了验证。一方面，最终用户在困难时期往往将就着使用他们的基础设施。而另一方面，正如英特尔公司援引国际数据公司的统计数据所称，以太网构成了85％以上现有网络连接的基础（参考文献8）。鉴于上面这个数字与以太网占统治地位的企业环境中PCI总线的无处不在，只要有少量的节点能及早被采用，新的Xpak 和 X2转发器模块就可为它们创造出一个市场。
  * 小型可插拔10 Gbps 转发器的演进轨迹已与力图在这一市场段占支配地位的三种新MSA没有关系。
  * 两种新的多源协议Xpak 和 X2很相似，并都借用既有的Xenpak MSA体系结构。
  * 第三种MSA占用更小的面积，但是将通道设计的许多工作留给你去做。如果你的设计机构有足够的带宽来承担这项额外的角，则第三种MSA可能是非常经济的。
  * Xpak 与 X2 之间的营销之战已经导致出现无确实根据的、可能产生误导的言论。要先证实你听到的言论，再把它融合到你的思想中。

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