GEN Z 连接器简介

 

一 前言

关注Gen Z有一段时间了，但一直没有时间来做进一步的了解。 近来有时间，就慢慢抽时间来学习一下。以下都是从网络上摘取的资料，所涉及到都是一些浮浅的点，希望能抛砖引玉，有方家能定出更具技术背景的资料。

 

二 缘起

PCI E作为非常成功的总线技术，在二十世纪第一个十年取得了飞速的进展，但这种势头在PCI E3.0发布后进入了放缓的状态。PCI E 4.0一直只见楼梯响，规范的发布一再跳票，即使4.0版能顺利尽快发布，其16G的速度也不过中规中矩，即将陷入发布即落后的状态。

图一：PCIe 规范发布时间轴

 

PCI E标准的1x,4x,8x, 16x曾经也是非常成功的一代金插指卡缘连接器，结实耐用、成本便宜的PCI E插槽很快成为各种ADD IN CARD的标准接口，也用来连接各种RISER CARD, DAUGHTER卡等。但是这种连接器只适合较低频率，且由于间距为1.0mm，信号密度小, 在PCI E 3.0时代还能够勉力支撑，面对更高速率更高信号密度时就无能为力。

 

图二：PCIe slot edge card连接器

 

 

虽然molex也推出过edgeline系列，与nvidia一起在edgeline的基础上推出nvlink连接器（edgeline25），但由于不是规范标准产品，且价格较贵，接受度不强，使用面不广。而业界也有其它业者在基于目前PCI E插槽的设计，优化设计，推出SMT焊脚的产品，宣称支持PCI E 4.0和5.0。同样由于没有规范背书，且基础设计陈旧间距较大，不能得到终端厂商的认同。

在这种情况下，AMD、IBM、ARM、Broadcom、Cray、戴尔EMC、惠普、华为这些公司另起炉灶，推出GEN Z就显得合理且合乎潮流，受到热捧也是理所当然的。

 

三 关键参数

如上所说，GEN Z两个关键的参数是更小的间距和更高的速率。

Gen Z连接器的pin间距是0.6mm，相对于PCI E SLOT的1.0mm, 能提升67%的信号密度。即使与0.85mm间距的DDR4/5连接器相比，在信号密度上也有40%的提升。

从下图的对比就能看出，4C的GEN Z连接器（140pin）比16X的PCI E连接器(168pin)短了约1/3。只有288PIN的DDR连接器40%长。

 

图三：Gen Z连接器 / PCI e连接器/DDR连接器 尺寸对比

 

Gen Z能支持的速率也是大幅度提供， 能扶持2.5GT/S NRZ到112GT/S的PAM4。这样就远超PCI E 3.0的规格。以下是GEN Z在不同速率下支持Memory/IO时的带宽。

 图四：Gen Z带宽

    如果整合尺寸和速率做一个对比，我们就能看到，相对于PCI E， Gen Z具有巨大优势。

 

图五：Gen Z和PCI e带宽对比

 

当然，以上只是纸面数据，Gen Z连接器的各家供应商在不同阶段所提供的连接器所支持的速率以供应商各自的产品规格为准。据俺所知，目前各家供应商所提供的连接器以支持28G NRZ为主， 56G NRZ和112G PAM4是下一阶段优化的目标。

 

 

四 GEN Z连接器规格

Gen Z有板对板和线对板两种连接方式。 板对板又可以分为垂直（vertical）、九十度直角(right angle)、夹板（Straddle mount）和正交（Orthogonal）四种配置。

 

 

图六：Gen Z板对板的四种配置

 

垂直（vertical）、九十度直角(right angle)和夹板式（straddle mount）又分为1C, 2C, 4
C, 4C HP， 4C+和8C(规范没有定义8C)。8C是不在规范定义中的，但是在实际的应用中，特别是服务器这种空间紧凑、信号密度高的应用场合。

 

图七：1C, 2C, 4C, 4C，4C+的pin定义

 

GEN Z的每个C包含8对差分，即4个收发通道，即GEN Z 1C相当于PCIE 4X， GEN Z 2C相当于PCIE 8X， GEN Z 4C相当于PCIE 16X。

如下图所示，在1C中，包含了8对差分 （pin 16~pin28）, 另外还包含有6对12V电源PIN， 以及时钟pin和其它一些辅助功能pin。 这些电源/时针/辅助pin是共用的。

 

图八：1C PIN定义

 

4C HP是在4C的基础上增加了12V/48V的电源pin， HP是high power的缩写。 这里面，12V和48V所对应的尺寸是有所差异的，差异在于power单元与信号单元的相隔距离。 48V的距离要比12V的远1mm。 一个high power单元能支持高过55A的电流回路。

 

图九：4C HP图示

 

在12V的应用中，除了从power单元引电，也可以从1C中引12V的电，这样最差也可以支持到660W的功率。 但在48V的应用中，只能从power单元，不能从1C中引电。 关于后者的原因，俺还没有作进一步研究，推测应该是1C的pin间距过小，额定电压达不到48V。

Straddle mount的配置中，主板（host board，夹板一边）的厚度可以定义三种：1.57mm, 1.93mm和2.36mm。 但在在add in card一边，统一用1.57mm。当然，任何产品都是以客户导向的，相信只要有足够的需求，肯定有厂商能配合开出其它板厚规格。

正交型产品有1C和2C两种规格，有press fit和smt两种焊接脚。 这种设计类似于NGSFF，可以预见这是一种昂贵的，相对冷门的配置。

 

Gen Z的内接线束连接器也有1C, 2C和4C的规格，方向有vertical和Right angle两种。特别要说的是， Gen Z的线束连接器母端既可以与线端公头配对，也可以与Add in Card 配对。

 

图十：Cable连接器图示

 

 

图十一：Cable连接器母端与AIC卡配对图示

 

 

五 GEN Z连接器可能需要解决的问题

GEN Z 连接器总体说来是在适当的时间点出现的适当的连接器，应该会有较好的发展前景。 但是最终具体如何，可能还需要市场和时间的检验，依俺的愚见，GEN Z可能有以下问题需要解决。

1. 坚固性：在比较粗暴的使用环境中，包括需要经常插拨、需要需要匹配大质量的卡，280pin需要匹配超宽的卡，板卡的直线度、翘曲和尺寸公差等可能达不到要求。作为一种0.6mm间距的连接器，GEN Z 连接器是否具备足够的坚固性来应对跪pin， pin变形，刮伤，接触不良，PCB翘曲，PCB焊接温度应力等应用性问题时保持低的不良率。

2. 成本：GEN Z 连接器由于是高速连接器，成本不菲。除了高端的应用情况，一般客户估计使用前都需要三思而行（如果一个板卡连接器价格在6USD，应用场合肯定会受限）。但如果能推出成本较低，应用在16~25G之间的版本应当会赢得很大一部分市场。

 

六 GEN Z的会员

Gen Z的会员包含了几乎所有有影响力的大厂，从CPU/SOC、存储、模组、网络、服务器、硬盘、连接器等。包括AMD, ARM, BROADCOM, DELL/EMC, HP, HUAWEI, IBM, IDT, LENOVO, MELLANOX, MICROM, MICROSEMI, REDHAT, SAMSUNG, SEAGATE, SKHYNIX, WD, XILINX等等各行业领先企业。

会员名单里没有INTEL、CISCO。之前传说不在会员名单里的WINTEL联盟的MICROSOFT名列其中。 Intel 不在会员名单里的原因是不言自明的。

因为关注华为，我特意又登录了GEN Z官方协会的网页，对比了实时的会员名单（2019-06-14）。 果然，华为已经不在官方协会的会员名单里了。 对此俺不得不说：“川普，真有你的。 ” 同时，俺也有些疑惑，华为作为12个创始会员之一，在协会应该是有自已的重大贡献的，就这样被除名了，符合法律与契约精神吗？

 在Gen Z 的连接器厂商里，俺看到有以下：3M, ACES, Amphenol, Bizlink, Foxconn, Genesis Connected, Jess-link, Lotes, Luxshare, Molex,  Samtec, TE, Zhejiang Zhaolong。

图十二：Gen Z主要会员员录

 

 TE:  Gen Z的连接器是基于TE的Sliver高速连接系统。是很重要的创始会员。TE的外接sliver最开始作为一种外接方案知名度和接受度远逊于slimsas和oculink，但没想到移到内接在Gen Z上大翻身。

 

图十三：TE的sliver产品家族

 

 

Amphenol: Gen Z在Amphenol的系列名称为Mini Cool Edge 0.60mm connectors. Mini cool edge包含一系列的金手指连接器。

       Molex: Gen Z在Molex的系列名称为Edgeline Sliver, 官网上还没有相关信息。Edgeline也是Molex一系列高速edgecard连接器的系列名称，包含12.5Gbps的Edgeline, 15Gbps的Edgeline+和25Gbps 的Edgeline25。

        Samtec：在其官网上没有看到相关产品信息。SAMTEC一直是生产这类连接器的专家，虽然价格是其硬伤。

        连接器会员名单里有两个国内厂商，一个是LUXSHARE(立讯)， 感觉这些年来立讯在高速连接器上的投入和成就都是有目共睹的；另一个是浙江兆龙，这是一家高速线材厂家。

 

 

附:

1. Vertical Gen Z connector外形尺寸。

 

 

2.  Right Angle  Gen Z connector外形尺寸。

 

3.  Straddle mount Gen Z connector外形尺寸。

 

 

 

参考文献：

1. Gen-Z Core Specification version 1.0

2. Gen-Z Scalable Connector Specification 1.1

3. SFF-TA-1002-R1.2

4. Gen-Z SFF 8639 2.5-Inch Compact Specification version 1.0

5. Gen-Z SFF 8639 2.5-Inch Specification version 1.0

6. Gen-Z SFF-8201 2.5-Inch with Gen-Z Scalable Connector Specification 1.0

7. SFF-8201_3.4

8. PCIe Enclosure Compatible Form Factor Specification (PECFF) 1.0

9. 企业存储技术：Gen Z互联