在不断发展的技术世界中，对计算能力的需求是一个常态。随着工程师们不断突破可能的界限，对更强大、更高效系统的需求变得越来越明显。这在嵌入式设计领域尤其如此，在那里，不断提高的处理器性能、功率要求和连接器能力的挑战是永远存在的。嵌入式设计指的是在一个专门的系统中整合软件和硬件以执行专门功能的工艺。更简单地说，它就像你的智能手机中的大脑，使其能够执行所有的独特功能。

本文深入研究了这些挑战，探讨了行业领导者Samtec提供的解决方案，并阐明了连接器在嵌入式设计中的未来。我们将重点放在这些进展的实际意义上，旨在全面概述当前的情况和即将到来的令人兴奋的发展。

嵌入式设计的挑战

如果说自第一台计算机开发以来有一个事实一直存在，那就是对计算能力的需求不断增加。随着新计算平台的开发，工程师们迅速找到方法，不仅最大限度地提高这些系统的能力，而且开发出需要更多资源的应用，给计算行业带来了开发更好硬件的压力。

然而，随着处理器性能的提高，对功率的要求也随之提高。看看CPU的历史就可以清楚地看到这一点，最早的设备在兆赫范围内运行，功耗只有几瓦，而最新的设备在千兆赫范围内运行，功耗很容易达到100瓦或更高。

计算要求急剧上升的一个领域是汽车行业。过去的汽车会包含一些简单的电子模块，负责测量燃油、控制车窗，并通过交流电提供舒适的内部车厢环境。但随着自动驾驶系统的出现，这种情况已经发生了变化，它需要极其强大的系统，能够实时分析图像和运行机器学习算法。

虽然这种类型的处理在理论上可以转移到云环境中，但由于缺乏全球覆盖，再加上许多现实世界中的实际情况，意味着任何自驾车辆都不可能利用云计算的优势，当然也不可能用于实时处理。因此，这些嵌入式应用需要利用服务器级设备的能力，并将其缩减为一个可以移动的系统。

但不仅仅是汽车应用可以从智能边缘计算应用中受益。现在有无数的行业认识到了这种系统的优势。风力涡轮机等可再生能源平台正在将“数字双胞胎”集成到每个涡轮机中，以便工程师能够更好地了解每个涡轮机的行为方式，并在其表现出来之前预测潜在问题。在这些应用中，智能嵌入式系统可以在本地安装，以提供与传感器和其他时间关键型外设的低延迟连接。

缩小连接器的麻烦

无论应用或设计如何，一个系统的运行速度只能等同于它最薄弱的环节，这是在计算领域发现的一个普遍问题。例如，即使一个处理器能够以千兆赫的速度运行，而RAM的连接只能以数百兆赫的速度运行，这立即限制处理器的性能能力。这就是背板/微背板连接器发挥作用的地方。对于正在使用的外部存储设备、网络和外围端口也是如此。

事实上，嵌入式设计中的处理器技术的快速发展正在迅速超过这些应用中使用的连接器的能力，这给工程师带来了寻找新解决方案的压力。例如，增加数据带宽通常是通过增加数据通道来实现的，但这要么会增加连接器的尺寸，要么会提高其密度。如果增加连接器的密度，那么引脚的间距就会更大，这就带来了一系列的挑战，如制造公差。

同时，现代智能嵌入式计算应用的功率要求增加，也要求连接器能够处理更大的电压和电流。通过缩小连接器的尺寸，每个引脚的功率能力都会降低，这意味着提高连接器密度并不能完全帮助解决这个问题。这就是IDC和FFC连接器的优势所在。

工程师的设计选择

为了尝试解决这些挑战，工程师们在历史上能够依靠两种主要技术之一：飞越(Flyover)电缆和光缆。

飞越电缆，顾名思义，“飞越”电路板，允许信号直接从一个点移动到另一个点，而不需要在电路板的电路中穿梭。这可以显著提高数据传输速度，减少信号干扰。

光缆，也被称为光纤电缆，使用光来传输数据。这使它们能够在长距离内高速传输信息，而且与传统的铜缆相比，它们更不容易受到干扰和信号损失的影响。

使用Twinax电缆技术在PCB上路由信号，为工程师提供了一个非常高速的解决方案，可以在相当长的距离内轻松地在100+Gbps的范围内运行。这些电缆可用于将一块PCB的两个不同区域连接在一起，或连接两个不同的PCB，但尽管它们的传输距离远远超过了PCB的导线，但仍被限制在几米之内。

光缆为工程师们提供了一种几乎不受噪音影响的解决方案，提供了大量的信号完整性，并能在极远的距离(远远超过数百米)内运行。这些可以通过面板和I/O连接器连接。然而，光学系统通常实施起来很昂贵，而且难以集成，因为电子电路需要能够将光学信号转化为电信号的转换器。这也大大增加了成本，因为通常需要带有集成电子的独特连接器。

Samtec如何努力解决这些挑战

Samtec在互连方面有多年的经验，并认识到工程师在为智能嵌入式系统开发解决方案方面的挑战。因此，Samtec开发了一系列的解决方案，可以帮助工程师最大限度地提高复杂的计算平台的性能能力，同时提供出色的电力传输和最大的设计灵活性。

新的PICMG® COM-HPC®互连解决方案利用了一种工业格式，与现有的PICMG® COM Express®连接器相比，它提供了对大量I/O的访问，提供了更大的内存功能，并支持更高的功率。通过鼓励工程师开发在本地处理数据的计算模块，这些连接器可以帮助工程师保持嵌入式设计的性能，而对未来标准的支持可以帮助实现面向未来的设计(如PCIe 5.0、100Gbps以太网和USB 4.0)。

由于FPGA在智能嵌入式设计中也变得越来越流行，Samtec帮助开发了VITA 57.1 FMC和VITA 57.4 FMC+标准。这些标准为工程师提供了一个标准化的机电接口，为FPGA和其他相关硬件提供I/O扩展。这些连接器支持多达560个引脚，使它们高度适用于I/O密集型应用(如实时信号处理)，并且支持高达32Gbps的收发器。

FPGA，即现场可编程门阵列，是一种独特的计算机芯片类型，可以在制造之后进行编程，以执行广泛的任务。它们就像一张空白的画布，工程师可以对其进行配置以执行特定的任务，这使得它们在嵌入式设计中具有难以置信的多功能性。

对于空间有限的应用中的系统模块，Samtec AcceleRate® HD超密集夹层带为工程师提供了一个高密度的解决方案，而且外形小巧。这些连接器支持高达56Gbps的PAM4，提供240至400个I/O连接，并具有5毫米的宽度和堆叠高度，这有助于大大减少设计尺寸。这些连接器已经针对信号完整性进行了优化，还可以支持PCIe Gen 5.0。由于这些原因，AMD Kira自适应SoMs已经采用了AcceleRate HD Ultra-Dense连接器。

嵌入式设计中的连接器将走向何方?

毋庸置疑，随着应用的复杂性增加，对更高的处理器性能的需求将继续增长，增加来自此类应用的功率、内存和带宽要求。同时，FPGA形式的可重构硬件的使用也将增加，因为这种硬件允许未来的硬件更新而不需要更换物理组件(这对升级硬件协议特别重要)。

考虑到所有这些，毫无疑问，下一代连接器不仅需要能够处理这些应用，还需要提供一定程度的面向未来的功能。同时，连接器将不得不继续缩小尺寸，以考虑增加的I/O要求，但连接器密度的增加将带来物理定律所限制的功率限制。因此，未来嵌入式系统中的连接器将需要寻找新的方法来允许增加电源能力，无论是通过额外的电源连接器还是通过支持更高电压和电流的新材料科学。

最后，智能嵌入式设计对速度和带宽的要求越来越高，将需要看到服务器级的性能，这将使信号完整性成为未来设计的 “组成部分”。