Ein Highspeed Steckverbinder im PCI-Standard für alle Branchen
PCIe – Eine Schnittstelle mit Zukunft
Technologischer Fortschritt, Herausforderungen im Design und Lösungsansätze für Embedded Systeme.
PCI, Peripheral Component Interconnect, ist ein Busprotokoll für die Chip-to-Chip Kommunikation und den Anschluss von externen Peripheriegeräten.
Seit der Einführung des PCI-Standards in den frühen 1990er-Jahren hat sich die Datenkommunikation in Computersystemen grundlegend verändert. Mit PCI steht heute ein hochskalierbares und leistungsstarkes Interface zur Verfügung, das in nahezu allen Bereichen moderner Elektronikanwendung findet – von High-End-Grafikkarten bis hin zu Servern und Embedded-Systemen. Doch mit zunehmender Performance steigen auch die Anforderungen an Leiterplatten, Signalqualität und elektromagnetischer Verträglichkeit. Der folgende Beitrag beleuchtet den technologischen Fortschritt von PCI, die damit verbundenen Herausforderungen im Leiterplattendesign und zeigt Lösungsansätze durch Board-to-Board Steckverbindersysteme für zukünftige Hochgeschwindigkeitsanwendungen.
PCI, Peripheral Component Interconnect, ist ein Busprotokoll für die Chip-to-Chip Kommunikation und den Anschluss von externen Peripheriegeräten.
Seit der Einführung des PCI-Standards in den frühen 1990er-Jahren hat sich die Datenkommunikation in Computersystemen grundlegend verändert. Mit PCI steht heute ein hochskalierbares und leistungsstarkes Interface zur Verfügung, das in nahezu allen Bereichen moderner Elektronikanwendung findet – von High-End-Grafikkarten bis hin zu Servern und Embedded-Systemen. Doch mit zunehmender Performance steigen auch die Anforderungen an Leiterplatten, Signalqualität und elektromagnetischer Verträglichkeit. Der folgende Beitrag beleuchtet den technologischen Fortschritt von PCI, die damit verbundenen Herausforderungen im Leiterplattendesign und zeigt Lösungsansätze durch Board-to-Board Steckverbindersysteme für zukünftige Hochgeschwindigkeitsanwendungen.
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Die Entwicklung von PCI zu PCIe
Mit dem Übergang von klassischem PCI zu PCI Express (PCIe) um das Jahr 2004 wurde eine neue Ära in der Datenübertragung eingeleitet. Während PCI 2.2 mit maximal 133 MB/s vergleichsweise begrenzt war, erlaubt PCIe 6.0 in der (x8)-Konfiguration theoretisch bis zu 64 GB/s – eine nahezu tausendfache Steigerung. Besonders bemerkenswert ist dabei die Innovationsgeschwindigkeit: Etwa alle drei Jahre verdoppelt sich die Highspeed-Bandbreite der PCIe-Protokolle.
Diese enorme Entwicklung zeigt sich vor allem in datenintensiven Anwendungsfeldern wie künstlicher Intelligenz, autonomen Fahren oder High-Performance-Computing. Während PCIe 5.0-Systeme in Rechenzentren aktuell schon 32 GB/s ermöglichen, kommen im traditionellem Embedded-Markt derzeit noch hauptsächlich PCIe 3.0-Anwendungen mit 8 GB/s zum Einsatz. Erste PCIe 4.0-Module befinden sich hierzu erst in der Einführung, der breitere Marktanlauf wird jedoch erst in etwa fünf Jahren erwartet. Für Steuerungssysteme für das teilautomatiserte Fahren gemäß SEA Level 3 werden aktuell PCIe 4.0 Protokolle eingesetzt, für das vollautomatisierte Fahren gemäß Level 4 & 5 ist das PCIe 5.0 System notwendig.
Warum ist PCIe der Zeit voraus?
Es fällt auf, dass die Entwicklung der PCIe-Schnittstellen oft deutlich schneller voranschreitet als die reale Nutzung. Dafür gibt es mehrere Gründe:
- Zukunftssicherheit: Hersteller entwickeln Schnittstellen mit Blick auf zukünftige Anforderungen – sie sollen auch in Jahren noch genügend Leistungsreserven bieten.
- Technologische Innovationen: Fortschritte in Material- und Fertigungstechniken erlauben kontinuierlich höhere Datenraten.
- Skalierbarkeit: PCIe ist modular und kann an zukünftige Anforderungen flexibel angepasst werden.
- Marktdruck: Hersteller stehen im Wettbewerb und wollen stets die neueste Technik anbieten – auch wenn diese noch nicht voll genutzt wird.
Der PCIe Technologietransfer erfolgt von den Serveranwendungen für künstliche Intelligenz zum autonomen Fahren bis hin zu Embedded Anwendungen in der Industrieautomatisierung.
Herausforderungen im Design moderner PCIe-Systeme
Die immer weiter steigenden Datenmengen stellen Entwickler vor zahlreiche Herausforderungen. Viele neue Anwendungen haben die Vorgabe, doppelt so hohe Datenmengen zu verarbeiten, sollen aber gleichzeitig gleich großen Bauraum nutzen wie ältere Versionen. Dies führt früher oder später unweigerlich zu immer komplexeren Designs und teilweise zur Miniaturisierung von einzelnen Komponenten, was wiederum zu höheren Preisen führt.
Teures Leiterplattendesign
Mit steigenden Datenraten wachsen auch die Anforderungen an die physikalische Signalführung. Hochfrequente Signale über 16 Gbit/s (z. B. bei PCIe 4.0) erfordern aufwendige Leiterplattendesigns mit mehreren Lagen, speziellen Materialien und präzise kontrollierter Impedanz. Microvias, spezielle Dielektrika und High-Density Interconnects (HDI) treiben die Herstellungskosten zusätzlich in die Höhe.
Begrenzungen bei 25 Gbit/s Ethernet auf COM Express
Trotz ausreichender Bandbreite durch PCIe 4.0 (16 Gbit/s pro Lane) ist die Implementierung von 25 Gbit/s Ethernet auf COM-Express (Computer on Module) aktuell noch nicht durchgängig realisiert. Hauptgründe:
- Fehlende Integration von 25 Gbit/s-Ethernet-Controllern in COM-Modulen
- Unzureichende Treiber- und Firmware-Unterstützung
- Begrenzte Signalqualität durch bestehende Komponenten
- Inkompatible Kabel- und Stecksysteme
Platzbedarf auf der Leiterplatte bei 440 Signalen
Ein weiterer Engpass ist der physikalische Platz auf der Leiterplatte. Anwendungen mit bis zu 400 Signalen – z. B. bei FPGAs oder COM-Express-Modulen – benötigen ein komplexes Multilayer-Routing (häufig 10–16 Lagen), kontrollierte Impedanz, differenzielle Paare und ein EMV-optimiertes Layout. Die Miniaturisierung solcher Systeme verschärft dieses Problem zusätzlich.
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
Höhere Frequenzen führen zu stärkeren elektromagnetischen Abstrahlungen. In hochintegrierten Designs mit engem Signalabstand entstehen Reflexionen, Crosstalk und Störungen – was robuste Schirmkonzepte und Masseführungen erfordert.
High-Speed Steckverbinder für optimalen Datentransport
Die beschriebenen Herausforderungen – vom kostspieligen Leiterplattendesign über Platzmangel bei hoher Signaldichte bis hin zu EMV-Problemen – machen deutlich, dass klassische Designansätze bei modernen PCIe-Anwendungen zunehmend an ihre Grenzen stoßen. Insbesondere im Embedded-Bereich sind innovative Verbindungslösungen gefragt, die hohe Datenraten zuverlässig, platzsparend und kostenoptimiert ermöglichen.
Mit dem neuen Colibri-Interface in drei Varianten, steht eine Lösung zur Verfügung, die speziell für Hochgeschwindigkeitsanwendungen im Embedded-Bereich konzipiert wurde:
- 10+: Für COM Express Module gemäß Revision 2.1
- 16+ Für COM Express Module gemäß Revision 3.1
- 25+ Für COM Express Module gemäß Revision 3.1 und 25 Gbit/s Ethernet Anwendungen
Der Grenzwert für eine Steckverbindung für PCIe 4.0 Anwendungen liegt für die Einfügedämpfung bei – 1,8 dB bei einer Frequenz von 8 GHz.
Der Colibri 25+ Steckverbinder übertrifft die PCIe Anforderungen, so können Verluste beim Highspeed Design der kostenoptimierten Leiterplatte durch den Steckverbinder kompensiert werden.
Mit dem neuen Colibri-Interface in drei Varianten, steht eine Lösung zur Verfügung, die speziell für Hochgeschwindigkeitsanwendungen im Embedded-Bereich konzipiert wurde:
- 10+: Für COM Express Module gemäß Revision 2.1
- 16+ Für COM Express Module gemäß Revision 3.1
- 25+ Für COM Express Module gemäß Revision 3.1 und 25 Gbit/s Ethernet Anwendungen
Der Grenzwert für eine Steckverbindung für PCIe 4.0 Anwendungen liegt für die Einfügedämpfung bei – 1,8 dB bei einer Frequenz von 8 GHz.
Der Colibri 25+ Steckverbinder übertrifft die PCIe Anforderungen, so können Verluste beim Highspeed Design der kostenoptimierten Leiterplatte durch den Steckverbinder kompensiert werden.
Die Vorteile von Colibri:
- Günstigeres PCB-Design durch optimierte Layoutstruktur
- Unterstützt 25 Gbit/s Ethernet erstmals auf COM-Express-Basis
- Miniaturisierung & EMV-Optimierung durch integrierte Schirmung
- Zukunftssicher für PCIe 4.0 Anwendungen
Damit ermöglicht Colibri eine zuverlässige und skalierbare Signalübertragung bei Board to-Board-Anwendungen, selbst bei engen Platzverhältnissen, hohen Datenraten - und ist damit eine wichtige Grundlage für die nächste Generation modularer Embedded-Systeme sowie Anwendungen in PCI-Schnittstellen.
Fazit
Schaut man in die Zukunft, so wird das Autonome Fahren eng mit der Weiterentwicklung von Datentransfer- und Kommunikationstechnologien verbunden sein. Schlüsselaspekte wie 5G-Konnektivität, Cybersicherheit, V2X-Kommunikation sowie Edge Computing und Blockchain-Technologie werden die Datenübertragung maßgeblich prägen, aber sicher bleibt die Koexistenz von Bordnetzen und Steckverbindern, die irgendwann einmal ein Auto ohne Lenkrad real werden lassen.
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