كابل SAS - مقدمة عن معلمات التردد العالي

لا تقتصر أنظمة التخزين الحديثة على النمو الهائل في السعة (تيرابت) ومعدلات نقل البيانات العالية فحسب، بل تستهلك أيضًا طاقة أقل وتشغل مساحة أصغر. كما تتطلب هذه الأنظمة اتصالًا أفضل لتوفير مرونة أكبر. يحتاج المصممون إلى وصلات أصغر لتوفير معدلات نقل البيانات المطلوبة اليوم وفي المستقبل. إن وضع معيار ثابت منذ نشأته وحتى تطوره ونضجه تدريجيًا ليس بالأمر الهين. خاصةً في قطاع تكنولوجيا المعلومات، حيث تشهد أي تقنية تحسينًا وتطورًا مستمرين، كما هو الحال مع مواصفات واجهة SCSI التسلسلية المرفقة (SAS). وباعتبارها خليفة لواجهة SCSI المتوازية، فإن مواصفات SAS موجودة منذ فترة.

على مرّ السنين، شهدت تقنية SAS تحسيناتٍ ملحوظة في مواصفاتها، مع الحفاظ على البروتوكول الأساسي دون تغييرات جذرية. إلا أن مواصفات موصلات الواجهة الخارجية شهدت تطوراتٍ كبيرة، في محاولةٍ من SAS للتكيف مع متطلبات السوق. وبفضل هذه التحسينات التدريجية المتواصلة، أصبحت مواصفات SAS أكثر نضجًا. تُعرف موصلات الواجهة ذات المواصفات المختلفة باسم SAS، وقد أحدث الانتقال من تقنية SCSI المتوازية إلى تقنية SCSI المتصلة تسلسليًا (SAS) تغييرًا جذريًا في مخطط توجيه الكابلات. في السابق، كانت تقنية SCSI المتوازية قادرة على العمل بشكل أحادي الطرف أو تفاضلي عبر 16 قناة بسرعة تصل إلى 320 ميجابت/ثانية. لا تزال واجهة SAS3.0، الأكثر شيوعًا في مجال تخزين المؤسسات، مستخدمة في السوق حاليًا، إلا أن عرض نطاقها الترددي أسرع بمرتين من SAS3 التي لم تُحدَّث منذ فترة طويلة، حيث يبلغ 24 جيجابت في الثانية، أي ما يعادل 75% من عرض نطاق محرك الأقراص الصلبة PCIe3.0×4 الشائع. يتميز موصل MiniSAS الأحدث، الموصوف في مواصفات SAS-4، بصغر حجمه وقدرته على استيعاب كثافة تخزين أعلى. يبلغ حجم موصل MiniSAS الأحدث نصف حجم موصل SCSI الأصلي و70% من حجم موصل SAS. وعلى عكس كابل SCSI المتوازي الأصلي، يحتوي كل من SAS وMiniSAS على أربع قنوات. ومع ذلك، فإنه بالإضافة إلى السرعة العالية وكثافة التخزين العالية والمرونة الأكبر، هناك أيضًا زيادة في التعقيد. نظرًا لصغر حجم الموصل، يجب على مُصنِّع الكابل الأصلي ومُجمِّع الكابلات ومُصمِّم النظام إيلاء اهتمام دقيق لمعايير سلامة الإشارة في جميع مراحل تجميع الكابل.

لا تستطيع جميع شركات تجميع الكابلات توفير إشارات عالية الجودة وعالية السرعة لتلبية متطلبات سلامة الإشارة لأنظمة التخزين. لذا، تحتاج هذه الشركات إلى حلول عالية الجودة وفعّالة من حيث التكلفة لأحدث أنظمة التخزين. ولإنتاج تجميعات كابلات عالية السرعة مستقرة ومتينة، يجب مراعاة عدة عوامل. فبالإضافة إلى الحفاظ على جودة التصنيع والمعالجة، يحتاج المصممون إلى إيلاء اهتمام دقيق لمعايير سلامة الإشارة التي تُمكّن كابلات أجهزة الذاكرة عالية السرعة الحالية.

مواصفات سلامة الإشارة (ما هي الإشارة الكاملة؟)

تشمل بعض المعايير الرئيسية لسلامة الإشارة: فقد الإدخال، والتشويش المتبادل بين الطرفين القريب والبعيد، وفقد العودة، والتشويه الداخلي للزوج التفاضلي، وسعة الفرق بين الوضع التفاضلي والوضع المشترك. ورغم أن هذه العوامل مترابطة وتؤثر على بعضها البعض، إلا أنه يمكننا دراسة كل عامل على حدة لفهم تأثيره الرئيسي.

فقد الإدخال (أساسيات معلمات التردد العالي 01- معلمات التوهين)

يُعرف فقد الإدخال بأنه فقدان سعة الإشارة من طرف الإرسال في الكابل إلى طرف الاستقبال، وهو يتناسب طرديًا مع التردد. كما يعتمد فقد الإدخال على عدد الأسلاك، كما هو موضح في مخطط التوهين أدناه. بالنسبة للمكونات الداخلية قصيرة المدى في كابل 30 أو 28 AWG، يجب ألا يتجاوز توهين الكابل عالي الجودة 2 ديسيبل/متر عند تردد 1.5 جيجاهرتز. أما بالنسبة لتقنية SAS الخارجية بسرعة 6 جيجابت/ثانية باستخدام كابلات بطول 10 أمتار، فيُنصح باستخدام كابل بمتوسط ​​قياس 24، والذي لا يتجاوز توهينه 13 ديسيبل عند تردد 3 جيجاهرتز. وللحصول على هامش إشارة أكبر عند معدلات نقل بيانات أعلى، يُنصح باختيار كابل ذي توهين أقل عند الترددات العالية للكابلات الأطول.

التداخل (أساسيات معلمات الترددات العالية 03- معلمات التداخل)

كمية الطاقة المنقولة من زوج إشارات أو زوج فرق إلى آخر. بالنسبة لكابلات SAS، إذا لم يكن التشويش القريب (NEXT) منخفضًا بما يكفي، فسيؤدي ذلك إلى معظم مشاكل الاتصال. يُقاس التشويش القريب عند أحد طرفي الكابل فقط، وهو مقدار الطاقة المنقولة من زوج إشارات الإرسال إلى زوج إشارات الاستقبال. أما التشويش البعيد (FEXT) فيُقاس بحقن إشارة لزوج الإرسال عند أحد طرفي الكابل ومراقبة مقدار الطاقة المتبقية في إشارة الإرسال عند الطرف الآخر.

عادةً ما ينتج العطل التالي في مجموعة الكابلات والموصلات عن ضعف عزل أزواج الإشارات التفاضلية، والذي قد يكون سببه المقابس والمنافذ، أو عدم اكتمال التأريض، أو سوء التعامل مع منطقة إنهاء الكابل. يجب على مصمم النظام التأكد من أن مُجمِّع الكابلات قد عالج هذه المشكلات الثلاث.

منحنيات الفقد لكابلات 100Ω الشائعة ذات 24 و26 و28

يجب أن تكون قيمة NEXT المقاسة في تجميعات الكابلات عالية الجودة، وفقًا لمعيار "SFF-8410 - مواصفات اختبار وأداء النحاس عالي القوة"، أقل من 3%. أما بالنسبة لمعامل S، فيجب أن تكون قيمة NEXT أكبر من 28 ديسيبل.

فقدان العودة (أساسيات معلمات التردد العالي 06- فقدان العودة)

يقيس فقدان العودة كمية الطاقة المنعكسة من النظام أو الكابل عند إدخال إشارة. يمكن أن تتسبب هذه الطاقة المنعكسة في انخفاض سعة الإشارة عند طرف الاستقبال في الكابل، وقد تُسبب مشاكل في سلامة الإشارة عند طرف الإرسال، مما قد يؤدي إلى مشاكل تداخل كهرومغناطيسي للنظام ومصمميه.

ينتج فقدان الإشارة العائدة عن عدم تطابق المعاوقة في مجموعة الكابلات. ولا يمكن ضمان عدم تغير معاوقة الإشارة عند مرورها عبر المقبس والقابس وطرف السلك إلا بمعالجة هذه المشكلة بعناية فائقة، مما يقلل من تغير المعاوقة إلى أدنى حد. تم تحديث معيار SAS-4 الحالي إلى قيمة معاوقة ±3 أوم مقارنةً بـ ±10 أوم في معيار SAS-2، ويجب أن تلتزم متطلبات الكابلات عالية الجودة بالتفاوت الاسمي البالغ 85 أو 100 ±3 أوم.

تشوه الانحراف

في كابلات SAS، يوجد نوعان من تشوهات الانحراف: بين أزواج التفاضل وداخل أزواج التفاضل (إشارة التفاضل في نظرية سلامة الإشارة). نظريًا، إذا دخلت إشارات متعددة من أحد طرفي الكابل، فيجب أن تصل إلى الطرف الآخر في وقت واحد. إذا لم تصل هذه الإشارات في الوقت نفسه، تُسمى هذه الظاهرة تشوه انحراف الكابل، أو تشوه انحراف التأخير. بالنسبة لأزواج التفاضل، يُمثل تشوه الانحراف داخل زوج التفاضل التأخير بين سلكي زوج التفاضل، بينما يُمثل تشوه الانحراف بين أزواج التفاضل التأخير بين مجموعتي أزواج التفاضل. يؤدي تشوه الانحراف الكبير لزوج التفاضل إلى تدهور توازن التفاضل للإشارة المرسلة، وتقليل سعة الإشارة، وزيادة التذبذب الزمني، والتسبب في مشاكل التداخل الكهرومغناطيسي. يجب ألا يتجاوز فرق تشوه الانحراف الداخلي في الكابلات عالية الجودة 10 بيكو ثانية.