具有表面安装电容性耦合器 以用于互通信的可缩放计算机系统 【技术领域】
本发明与计算机系统有关，具体地说，涉及由各具有一些电容性耦合器(capacitive coupler)的子系统构成的可缩放计算机，所述电容性耦合器安装在子系统表面上以与相邻的子系统进行通信。
背景技术
现代的计算机和通信系统通常包括一些各实现一个或多个计算或通信功能的子系统。例子有计算服务器、因特网web服务器、存储服务器和基于分组的通信交换机。每个子系统包括它的独特的电的和机械的部件，这些部件包括印刷线路板组件、内部布线和连接器等。每个子系统装有外部连接器插座，用来与其他子系统通信和获得电源。这些子系统相互接近地安装在呈现为工业标准规格的机箱或自定义规格地机架的机械结构内。
图1例示了一个具有两个服务器10和数据存储装置11的典型现代计算中心。服务器10包括一些子系统12，分别安装在一些工业标准的19英寸机箱内。存储装置11的子系统13安装在一个自定义规格的机架内。服务器10和存储装置11通常处在一个环境受控的数据中心或服务器机房内。子系统12-13相互连接，而且还通过电缆或光缆与外部通信链路连接。AC或DC功率也必须提供给子系统12-13，通常从一个电源通过楼面下的电缆15分配。
图1这种基于机柜/机架的结构具有以下一些优点：(1)子系统可以任意布置在机房内，受到的只是冷却和电缆铺设的限制，以及(2)子系统可以具有不同的形状因子。然而，这种封装结构在操作上有以下一些缺点：(1)升级困难；(2)电缆需要管理；(3)连接器不可靠；以及(4)布线和电缆组件不可靠。这些问题会使今天的高性能的计算机和通信系统的总体不可靠，从而导致增大拥有、维护和升级这种系统的成本。
当前的计算机和通信系统的第一个缺点是在需要扩展系统的容量或功能时会遇到困难。即使系统设计成能适应一定程度的发展，也会出现这种情况。例如，为了将一个新的服务器接入网络，需要将一些附加的通信电缆接到一个网络交换机上。然而，如果这个交换机的容量已完全分配，自由网络端口不足，升级就会相当困难和昂贵，特别是在进行扩展的同时系统必须仍然运行的情况下。
当前计算机和通信系统的第二个缺点是对互连电缆铺设和布线的管理。如果一个计算机设施内有大量的线和电缆，维修和支持员工错误地连接或断开电缆的事情并不罕见。也可能出现其他的错误，诸如将电缆插入错误的子系统和留下电缆没有连接之类，特别是在必须迅速恢复系统运行时。对于光缆来说，还必须选择适当的速度、波长和距离参数。
当前计算机和通信系统的第三个缺点是连接器不可靠。电连接器可能由于可能导致磨蚀的微摩擦磨损而随时间恶化。随着金属连接器的侵蚀，它的电阻增大，导致系统内出现间歇性故障或硬故障。光连接器可以由于受到处置不当、震动或被手指油腻或灰尘污染而在系统内间歇性地开路。此外，光电收发器也可能失灵。这些危险和故障导致系统的维护费用增大。
当前计算机系统的第四个缺点是电缆不可靠和成本高。电缆和光缆都可能被断开、裂缝、弯曲、挤压或受到其他不当的处置。基于玻璃的光缆还可能由于被踩或超过弯曲半径而损坏。虽然电缆通常设计成能满足一定的系统参数，但它们并不总是制造成满足这样的容差。
电缆也可能载有不合需要的在机架地或信号地处于不同电位的各子系统之间的屏蔽电流或地电流，特别是在这些子系统由不同的AC分支电路供电时。电缆也可能不希望地捡取外部电磁干扰或静电放电。这些不需要的屏蔽、地或信号电流可能在子系统之间的通信中引起间歇性错误或硬错误，导致在整个系统内出现暂时性的故障或硬故障。
以上这些缺点都会增加现有计算机和通信系统的不可靠性、不灵活性和成本。因此，有必要开发一种互连可靠而简单的、扩展和维修容易的模块化计算机系统。
【发明内容】
本发明的一个目的是提供一种在子系统通信中不用传统的连接器和电缆的可靠的计算机系统设计。
本发明的另一个目的是提供一种功能和容量很容易扩展而对运行影响很小的计算机系统。
本发明的再一个目的是提供一种可以降低支持、维护、空间和拥有成本的高度紧凑的计算机系统设计。
本发明的又一个目的是提供仅以直线滑动就可将子系统物理插入计算机系统和从计算机系统取下子系统的能力。
为了达到这些及其他一些目的，本发明提供了一种由一些子系统或者“模块”构成的计算机系统，这些子系统排列在一起，使得相邻子系统可以通过位于子系统表面的表面安装电容性耦合器相互通信。这些子系统可以排列成两维或三维结构，以执行通用计算、数据存储和网络通信功能或这样一些功能的组合。在本发明的一个优选实施例中，用一些立方形子系统来实现计算机系统。
每个电容性耦合器包括两个半耦合器，每个半耦合器处在一个子系统的一个外表面上。每个半耦合器包括一个不导电的基片、一个或多个配置在基片上的导电垫片(pad)，这些垫片通过导电引线接到承载子系统的电路上。为了改善电信号的传输和提供子系统之间的DC隔离，垫片用具有高介电常数的低损耗介电材料覆盖。此外，优选的是，信号是一个包括正信号和负(补)信号的差动信号(differential signal)。每个子系统用两个垫片(在一个半耦合器上)来传送正、负信号。这两个垫片称为一个差动垫片对。
差动发送和接收电路通常分别接到每个子系统的发送和接收半耦合器上，以支持子系统发送和接收的差动信号。发送和接收电路再接到子系统内的其余电子设备上。信号可以是一个双向信号。
在本发明的一个优选实施例中，系统是一个由一些立方形子系统构成的三维计算机系统。每个子系统包括一个8端口、基于分组的交换机芯片，它与六个半耦合器双向连接和通过一个网络接口芯片与一个内部处理器双向连接。此外，交换机通过一个媒体访问控制器(MAC)和一个编码器/解码器(ENDEC)和串行器/解串行器(SERDES)芯片接到一个外部网上。子系统提供每秒20吉字节的进出子系统的总带宽。
为了在两个相邻子系统之间具有有效的电容耦合，优选的是用一个弹簧机构提供轻微压力，以将相对的半耦合器保持在一起。此外，半耦合器通常安装在具有一些凸起和凹陷的不导电的承载件上，使得导电垫片可以跨相对的半耦合器有效地正确对准。
本发明的其他目的和优点将在随后的说明中阐述，部分在说明和附图中是显而易见的，或者在实施本发明中可以体会到的。
【附图说明】
图1例示了现有技术的计算机和通信系统的典型配置。
图2示出了按照本发明设计的一种可缩放的三维计算机系统。
图3示出了本发明的壁装式可缩放的两维计算机或通信系统的优选实施例。
图4示出了按照本发明设计的两个相邻的带有被对准的相对电容性半耦合器的子系统模块的例子。
图5例示了本发明的电容性耦合器的导电垫片的例子。
图6示出了按照本发明设计的一个差动电容性半耦合器的侧视图。
图7示出了按照本发明设计的一个差动电容性半耦合器的顶视图。
图8例示了按照本发明设计的导电差动垫片与子系统电子设备之间的例示性布线情况。
图9为示出按照本发明设计的立方形子系统的一个优选实施例的子系统电路功能的方框图。
图10例示了本发明的半耦合器的对准和固定装置的一个例子。
【具体实施方式】
本发明提出了一种用于计算机或通信系统的高度可缩放和紧凑的结构。这些系统由一些外形相同的子系统(也称为“模块(brick)”)构成，每个子系统在它的外表面上有一些电容性的半耦合器，用来与周围的子系统通信。虽然用电容性耦合器来对本发明进行说明，但本发明的系统也可以用其他类型的耦合器，如光耦合器。图2示出了本发明的一个可缩放的三维计算机系统的优选实施例。这个系统包括多个叠在一起的子系统20，每个子系统具有至少一个表面与另一个子系统的至少一个表面紧邻或接触。例如，在图2中，子系统20与子系统21至23接触。每个子系统表面包括一个或多个下面要详细说明的电容性半耦合器25。每个子系统20可以是一个数据处理单元(服务器)、数据存储单元、联网单元或其他与计算机有关的功能部件。通过将电容性半耦合器25对准(alignment)，这些子系统20一起执行整个系统的计算各或通信功能，而不需要在它们之间用传统的电缆和连接器。
在本发明的一个优选实施例中，子系统20装在一个底座24上，底座24为这些子系统提供机械结构支撑和提供来自电源连接26的功率。底座24也可以接受对其他系统或外部通信网络的连接27。通常，还有一些机构(未示出)用来散发子系统所产生的热。
本发明的这些子系统安排在这样的结构中，使得它们在物理上相互非常靠近，以在它们之间形成切实可行的电容性耦合器。此外，为了形成有用的计算机或通信系统，这些子系统模块排列成两维或三维结构，以便有尽量多的子系统表面与其他子系统表面接触。虽然图2所示的本发明的优选实施例由一些各具有六个表面的立方形子系统20构成，但模块也可以是其他形状的。例如，子系统的形状可以是三棱形(具有五个表面)、六棱形(具有八个表面)或十二面形(具有十二个表面)。图3例示了一个具有一些立方形子系统的二维结构的例子，这些子系统31装在一个支承墙30上。支承墙30具有为各子系统供电的电源连接33。每个子系统31通过耦合器32与它相邻的子系统通信。为了使相对的半耦合器充分对准，可用如螺钉之类的机械装置将子系统31固定到支承墙30上，使这些子系统31保持在一起。此外，可用诸如表面凸起和凹陷之类的联锁或对准装置来保证相对的半耦合器适当定位、相互对准和接触。
图4示出了两个相邻的分别具有各自的半耦合器42和43的子系统40和41(为了清晰起见，将它们示为分开的)。半耦合器42和43分别处在子系统表面48和49上，与各自的子系统电路电连接。为了清晰起见，图中没有示出子系统电路。子系统48-49装在一起适当对准后，半耦合器42-43形成一个在这两个子系统之间支持通信的电容性耦合器。
一个电容性耦合器包括一个半耦合器42和一个半耦合器43两个部分。虽然每个半耦合器既可以包括发送器和又可以包括接收器，但为了清晰起见图4中只示出了一个在半耦合器42上的发送器垫片44和一个在半耦合器43上的接收器垫片45。发送半耦合器42处在子系统40的表面48上。接收半耦合器43处在子系统41的表面49上。半耦合器42将电信号传送给半耦合器43。这些信号是时变的，用来对在子系统40和41之间传送的信息编码。
为了改善性能，子系统通常发送和接收差动形式的电信号，即正信号和负信号的互补对。因此，需要两个垫片对在两个子系统上的相对半耦合器之间传送一个差动信号。图5例示了一个支持差动传信的差动电容性耦合器。这个差动电容性耦合器包括半耦合器52和53。半耦合器52包括差动垫片对54和55，分别与子系统引线50和51连接。半耦合器53包括相对的差动垫片对56和57，分别与子系统引线58和59连接。垫片55和57传送差动信号的正信号。垫片54和56传送差动信号的负信号。
图6示出了一个支持一个差动信号的差动垫片对(如图5中的差动垫片对54-55)的侧视图。它包括一个不导电的基片60，上面淀积或贴有金属垫片61和62。金属垫片61和62被一个非常薄的绝缘介电材料层65覆盖，而分别通过导电引线63和64与子系统电路(未示出)连接。优选的是，引线63-64通过基片内的小通路66接到金属垫片61-62上。
在本发明的一个优选实施例中，半耦合器用标准的多层厚膜丝网印刷过程陶瓷模块技术设计制造。图6中的基片60用氧化铝制成，厚度为1毫米。金属垫片61-62优选的是用7微米厚的银钯合金构成。电介质涂层65优选的是用相对电容率或介电常数为8至10的7微米厚的标准可结晶丝网印刷厚膜介电材料制成。一种优选的介电材料是DuPontElectrics QM44。垫片上的电介质涂层可以提供每个垫片大约500V的静电放电(ESD)隔离(或者在差动对垫片之间1000V的ESD隔离)和1兆欧的电阻。假设子系统电子设备提供了附加的ESD输入串联保护。
在两个电容性半耦合器适当对准以形成一个电容性耦合器时，电介质涂层65优选的是与相对的半耦合器的电介质涂层轻微物理接触。紧邻的差动金属垫片和电介质涂层以及任何不希望的插入空气隙形成了一个平行板电容器。由于电容器的位移电流，时变信号在两个相对的半耦合器之间以电磁方式传送。
图7示出了图6的差动电容性半耦合器的顶视图。金属垫片71和72配置在基片70上，被一层介电材料(未示出)覆盖。电引线74和75分别将垫片71和72连接到子系统的电子设备上。垫片71-72的外尺寸通常是每个边为5至9毫米。正垫片71和负垫片72之间的间距通常在2至6毫米范围内。
图8并列例示了两个子系统A和B之间的多个差动电容性耦合器的优选实施例。子系统A和B通常分别包括内部电子电路86和84，提供如前面所说明的计算和通信功能。子系统A的差动垫片对处在半耦合器80上。子系统B的差动垫片对处在半耦合器81上。子系统A的发送半耦合器通过发送电路88接到子系统电子设备86上。子系统A的接收差动垫片对通过接收电路87接到子系统电子设备86上。类似，子系统B的发送和接收差动垫片对分别通过发送电路85和接收电路89接到它的电子设备84上。注意，子系统A的接收垫片对82子系统B的发送垫片对83相对。
由于有四个差动垫片对连接到子系统A的发送器88上和有四个差动垫片对连接到子系统B的接收器89上，因此有四个信道可以用来同时将数据从子系统A传送给子系统B。在相反方向上，四个信道可以用剩下的那些差动垫片对将数据从子系统B传送给子系统A。
每个子系统的发送和接收耦合器的数目取决于子系统电子设备需要的所需子系统互连通信带宽。例如，如果每个垫片或线对具有3.125吉比特/秒的能力，那么每个耦合器的四个单向差动线路的总带宽就为12.5吉比特/秒。就双向来说，也就是12.5吉比特/秒进入子系统和12.5吉比特/秒送出子系统。如果每个差动线路是8B/10B编码的，一对具有这四个双向信道的子系统之间的总可用带宽为20吉比特/秒，或2.5吉字节/秒。
半耦合器80可以按照基于分组的通信数据链路物理层标准(如Ethernet、Fibre Channel或InfiniBand)将一个或多个独立的比特串行数据信道传送给图8的半耦合器81。
在本发明的优选实施例中，假设物理层是基于比特串行的8B/10B数据编码、不归零和差动电压电平的。8B/10B编码例如可参见美国专利4,486,739“Byte-oriented DC-balanced(0，4)8B/10B PartitionedBlock Transsmission Code”。接收时钟可以由子系统电子设备从所接收的串行数据流得出。也可以采用其他数据链路和物理层协议，虽然一般说来电容性耦合器需要足够的带宽来传送数据链路码的最低频率分量。
图9例示地示出一个典型的立方形子系统模块的优选实施例的主要功能的方框图。这个子系统包括一个8端口、低等待时间的基于分组的交换机芯片90，它与六个半耦合器91-96连接和通过网络接口芯片(NIC)98与内部处理器97连接。此外，交换机90还通过媒体访问控制器(MAC)91和编码器/解码器(ENDEC)和串行器/解串行器(SERDES)芯片92接到一个外部网上。这个连接通常位于在一个系统内的一个外部子系统的外表面，以便于接入。以上面所举耦合器的参数为例，这个立方形子系统将提供为20吉字节/秒(8×2.5)的进出子系统的总带宽。
在本发明的优选实施例中，低损耗差动耦合器的特性阻抗应该从子系统电子设备经过线对传输线直到差动半耦合器接近于某个固定值，如100欧姆。传输线可以是两根分开的50欧姆同轴电缆；100欧姆差动对同轴电缆；100欧姆双绞线；或者双轴同轴电缆。差动传信线对是优选的，因为它在两根线上传送电磁信号，以电磁波传播的方式通过耦合器，而不传送任何显著的返地电流或其他可能引起不希望的噪声干扰的共模电流。优选的差动信号电压电平通常是峰-峰值在1V以下。
此外，电容性耦合器设计成使得它的频率响应在预期的工作范围中可合理达到的前提下尽可能不衰减，通常频率通带从100兆赫到7吉赫。高频滚降要求由接收电子设备的能力确定，以从信号恢复编码数据，在接收电子设备给出接收“眼图”。这些信号处理电路可以包括在发送之前或在接收之后对编码信号执行反变换的能力，以便除去与频率有关的码间干扰。低频滚降要求由需要通过耦合器发送的最低频率给出，如由物理层代码和信道比特错误可靠性所规定的。随着所传送的数据速度和频率内容的增加，对最小电容的要求降低。例如，8B/10B码将代码规定成在链路上不能有连续五个以上的比特具有同样极性。例如，一个3.125吉比特/秒信号(具有320ps比特信元宽度)没有显著的在1/((5+5)×0.32ns)＝312兆赫以下的低频内容。
在本发明的优选实施例中，在构建期间和垫片淀积之前，用标准硅片研磨机将半耦合器氧化铝基片研磨到正负3微米的平坦容差或者在必要的垫片区域有更好的平坦容差。这样做可以大大减小在相对的电容性半耦合器之间形成不希望有的空气隙。由于耦合器可以模型化成两个电容器串联，第一个是由于任何空气电介质形成的Cair，第二个是由于垫片上的电介质涂层形成的Ccoating，因此电容性耦合器的总近似电容可通过1/(1/Cair+2/Ccoating)，接近于Cair，即使Ccoating无限增大也不能超过Cair。然而，优选采用高的介电膜电容率，因此是高的Ccoating，因为这会导致更接近由空气隙决定的电容Cair的总电容。典型的在接触的半耦合器之间形成的电容，取决于半耦合器的大小和陶瓷衬底的平坦度，在20至100皮法之间。
除了氧化铝之外，耦合器基片的另一种优选材料是柔性的聚酰亚胺膜而不是刚性的陶瓷板。聚酰亚胺膜基片的优点是它不需要是精确平坦的，而只需要与它的相对的柔性聚酰亚胺半耦合器一致。
至于金属垫片上的电介质涂层，除了Dupont QM44之外，也可以使用其他高介电的材料，如基于钛氧化物的钛酸钡，它的介电常数为30至60。
概括地说，电容性半耦合器安装在子系统的外表面上，使得它们刚好以轻微压力与相对的半耦合器接触，以便尽量减少任何插入的空气。在耦合器的承载件的表面上可以提供一些对准凸起和凹陷，使得发送垫片恰好与相对的接收垫片对准。图10示出了带有一个对准机构和在半耦合器之间提供轻微压力的承载件的电容性耦合器的一个优选实施例。垫片103安装在氧化铝基片1001上，而氧化铝基片1001安装在塑料承载件101上。塑料承载件101再安装在一个子系统表面的开口(未示出)内。有一个弹簧机构104缓和地将与基片100相连的承载件101从子系统的中央向外推。在两个子系统相互滑过时，用塑料承载件101将两个半耦合器的基片相互分开，相互移过。塑料承载件101具有凸起106，在移动时凸起106将相对的塑料承载件102推离，而在适当位置时凸起106进入相对的承载件102上的凹陷(类似承载件101上所示的凹陷108)内。半耦合器承载件上的凹陷108可以具有圆锥形状，以引导与它们相对的凸起更为准确地进入适当位置。塑料承载件101-102需要一些侧向运动的自由度，以适应子系统的对准误差。
重要的是应与相对的耦合器垫片对准，因为任何对准误差将减小耦合器的有效电容，从而降低它的性能。差动耦合器垫片在差动半耦合器的正、负垫片的方向上的对准误差不应该超过正、负垫片之间间距的若干分之一，否则会有不希望有的正与负垫片耦接的情况发生。在与差动半耦合器的这两个垫片垂直的方向上的对准误差不应该超过离任何周围垫片或基片边缘的距离的若干分之一，或者大到使耦合器的电容有明显降低并损害信号质量。
虽然以上是结合本发明的优选实施例对本发明进行具体说明的，但熟悉该技术领域的人员可以理解，在不背离本发明的精神实质和专利保护范围的情况下其中无论在形式上还是在细节上都可以作出种种改变。因此，应认为所说明的只是例示性的，而本发明的专利保护范围仅由所附权利要求书规定。