Moderne Speichersysteme bieten nicht nur Terabit-Speicherkapazität und höhere Datenübertragungsraten, sondern benötigen auch weniger Energie und Platz. Für mehr Flexibilität ist zudem eine verbesserte Konnektivität erforderlich. Entwickler benötigen kleinere Verbindungen, um die heute und in Zukunft benötigten Datenraten zu realisieren. Die Entwicklung und Reifung einer solchen Norm ist ein langwieriger Prozess. Insbesondere in der IT-Branche entwickelt sich jede Technologie kontinuierlich weiter, so auch die Serial Attached SCSI (SAS)-Spezifikation. Als Nachfolger von Parallel SCSI existiert die SAS-Spezifikation bereits seit einiger Zeit.
Im Laufe der Jahre wurden die Spezifikationen von SAS verbessert. Obwohl das zugrundeliegende Protokoll beibehalten wurde und sich im Grunde nicht viel geändert hat, wurden die Spezifikationen der externen Schnittstellenanschlüsse mehrfach angepasst. Diese Anpassungen von SAS an die Marktbedingungen führten zu einer kontinuierlichen Verbesserung der SAS-Spezifikationen, die sich stetig weiterentwickelte. Schnittstellenanschlüsse unterschiedlicher Spezifikationen werden als SAS bezeichnet. Der Übergang von paralleler zu serieller SCSI-Technologie zu Serial Connected SCSI (SAS) hat die Kabelführung grundlegend verändert. Frühere parallele SCSI-Systeme konnten mit bis zu 320 Mbit/s über 16 Kanäle im Single-Ended- oder Differentialbetrieb arbeiten. Aktuell ist die SAS 3.0-Schnittstelle, die im Bereich der Unternehmensspeicherung weit verbreitet ist, weiterhin im Einsatz. Ihre Bandbreite ist mit 24 Gbit/s doppelt so hoch wie die des seit Langem nicht aktualisierten SAS 3.0 und beträgt etwa 75 % der Bandbreite einer gängigen PCIe 3.0 x4 SSD. Der neueste MiniSAS-Stecker gemäß SAS-4-Spezifikation ist kleiner und ermöglicht eine höhere Kanaldichte. Er ist halb so groß wie der ursprüngliche SCSI-Stecker und nur 70 % so groß wie der SAS-Stecker. Im Gegensatz zum ursprünglichen SCSI-Parallelkabel verfügen sowohl SAS als auch MiniSAS über vier Kanäle. Neben höherer Geschwindigkeit, höherer Kanaldichte und größerer Flexibilität geht jedoch auch eine höhere Komplexität einher. Aufgrund der geringeren Größe des Steckers müssen Kabelhersteller, Konfektionierer und Systementwickler die Signalintegritätsparameter während der gesamten Kabelkonfektionierung genauestens überwachen.
Nicht alle Kabelkonfektionierer sind in der Lage, die für Speichersysteme erforderlichen hochwertigen Hochgeschwindigkeitssignale bereitzustellen. Kabelkonfektionierer benötigen daher qualitativ hochwertige und kosteneffiziente Lösungen für moderne Speichersysteme. Um stabile und langlebige Hochgeschwindigkeitskabelkonfektionen herzustellen, müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden. Neben der Sicherstellung einer hohen Bearbeitungsqualität müssen Entwickler den Signalintegritätsparametern besondere Aufmerksamkeit widmen, die die heutigen Hochgeschwindigkeitskabel für Speichergeräte erst ermöglichen.
Spezifikation der Signalintegrität (Welches Signal ist vollständig?)
Zu den wichtigsten Parametern der Signalintegrität gehören Einfügungsdämpfung, Nah- und Fernübersprechen, Rückflussdämpfung, interne Verzerrung des Differenzsignals und das Verhältnis der Amplitude des Differenzmodus zum Gleichtaktmodus. Obwohl diese Faktoren miteinander verknüpft sind und sich gegenseitig beeinflussen, kann man jeweils einen Faktor betrachten, um dessen Hauptauswirkung zu untersuchen.
Einfügungsdämpfung (Hochfrequenzparameter Grundlagen 01 - Dämpfungsparameter)
Die Einfügedämpfung ist der Amplitudenverlust des Signals zwischen Sender und Empfänger und ist direkt proportional zur Frequenz. Sie hängt auch von der Anzahl der Adern ab, wie im untenstehenden Dämpfungsdiagramm dargestellt. Für interne Komponenten mit kurzer Reichweite sollte ein hochwertiges Kabel mit 30 oder 28 AWG eine Dämpfung von weniger als 2 dB/m bei 1,5 GHz aufweisen. Für externe 6-Gbit/s-SAS-Verbindungen mit 10-m-Kabeln wird ein Kabel mit einem durchschnittlichen Aderquerschnitt von 24 AWG empfohlen, das bei 3 GHz nur 13 dB Dämpfung aufweist. Um bei höheren Datenraten eine größere Signalreserve zu erzielen, sollte für längere Kabel ein Kabel mit geringerer Dämpfung bei hohen Frequenzen gewählt werden.
Übersprechen (Grundlagen der Hochfrequenzparameter 03 - Übersprechparameter)
Die Energiemenge, die von einem Signal- oder Differenzpaar auf ein anderes übertragen wird. Bei SAS-Kabeln verursacht ein zu hohes Nahnebensprechen (NEXT) die meisten Verbindungsprobleme. Die NEXT-Messung erfolgt an nur einem Kabelende und entspricht der Energiemenge, die vom Sendesignalpaar auf das Empfangssignalpaar übertragen wird. Das Fernnebensprechen (FEXT) wird gemessen, indem ein Signal für das Sendesignalpaar an einem Kabelende eingespeist und die verbleibende Energie des Sendesignals am anderen Kabelende beobachtet wird.
Der NEXT-Fehler in der Kabelkonfektion und im Stecker wird üblicherweise durch eine mangelhafte Isolation der Differenzialadern verursacht. Diese kann durch Steckdosen und Stecker, unvollständige Erdung oder unsachgemäße Handhabung im Bereich der Kabelanschlüsse bedingt sein. Der Systementwickler muss sicherstellen, dass der Kabelkonfektionierer diese drei Punkte berücksichtigt hat.
Verlustkurven für gängige 100-Ω-Kabel mit 24, 26 und 28 Ω
Eine qualitativ hochwertige Kabelkonfektion gemäß der „SFF-8410-Spezifikation für HSS-Kupferprüfung und Leistungsanforderungen“ sollte einen NEXT-Wert von unter 3 % aufweisen. Der S-Parameter sollte einen NEXT-Wert von über 28 dB aufweisen.
Rückflussdämpfung (Grundlagen der Hochfrequenzparameter 06 - Rückflussdämpfung)
Die Rückflussdämpfung misst die Energiemenge, die von einem System oder Kabel reflektiert wird, wenn ein Signal eingespeist wird. Diese reflektierte Energie kann zu einem Abfall der Signalamplitude am Empfangsende des Kabels und zu Problemen mit der Signalintegrität am Sendeende führen, was wiederum elektromagnetische Störungen für das System und die Systementwickler verursachen kann.
Diese Rückflussdämpfung entsteht durch Fehlanpassungen der Impedanz im Kabelkonfektion. Nur durch sorgfältige Behebung dieses Problems lässt sich die Impedanz des Signals beim Durchlaufen von Buchse, Stecker und Aderendhülse minimieren. Der aktuelle SAS-4-Standard wurde auf einen Impedanzwert von ±3 Ω gegenüber ±10 Ω bei SAS-2 aktualisiert. Die Anforderungen an qualitativ hochwertige Kabel sollten innerhalb der Nenntoleranz von 85 oder 100 ±3 Ω liegen.
Schrägverzerrung
Bei SAS-Kabeln treten zwei Arten von Laufzeitverzerrungen auf: zwischen und innerhalb von Differenzpaaren (Differenzsignal der Signalintegritätstheorie). Theoretisch sollten mehrere Signale, die an einem Ende des Kabels eingespeist werden, gleichzeitig am anderen Ende eintreffen. Treffen die Signale nicht gleichzeitig ein, spricht man von Laufzeitverzerrung oder Verzögerungsverzerrung. Bei Differenzpaaren entspricht die Laufzeitverzerrung innerhalb eines Differenzpaares der Verzögerung zwischen den beiden Adern, die Laufzeitverzerrung zwischen Differenzpaaren der Verzögerung zwischen zwei Differenzpaaren. Eine hohe Laufzeitverzerrung innerhalb eines Differenzpaares verschlechtert die Differenzbalance des übertragenen Signals, reduziert die Signalamplitude, erhöht den Zeitjitter und kann zu elektromagnetischen Störungen führen. Die interne Laufzeitverzerrung eines hochwertigen Kabels sollte unter 10 ps liegen.
Veröffentlichungsdatum: 30. November 2023
