Оптическая подсистема ввода-вывода (оптические межкомпонентные соединения).
Технология оптоволоконных соединений в последние годы стала все активнее применяться при развертывании коммуникационных сетей на коротких расстояниях, в частности, для соединения серверов в центрах обработки данных. В настоящее время оптические проводники уже готовы покорять сверхкороткие расстояния микроэлектронного мира. Благодаря гораздо более высокой пропускной способности по сравнению с металлическими проводниками, оптоволоконные соединения более эффективны для передачи данных от платы к плате, от микросхемы к микросхеме и от элемента к элементу внутри самой микросхемы. Однако стоимость технологии оптических соединений на сверхкоротких расстояниях существенно возрастает из-за использования компонентов на основе арсенида галлия и германия - более дорогостоящих, чем кремний. Кроме того, технология оптических проводников по сравнению с традиционной методикой требует более тонкой юстировки (т. е. взаимного выравнивания интегральных компонентов оптической подсистемы), что значительно усложняет разработку и производство оптического оборудования. Текущие исследования в данной области главным образом сосредоточены на повышении экономической эффективности технологии, особенно с точки зрения производства.
Таким
образом, можно утверждать, что оптические межкомпонентные соединения вполне
смогут заменить электрические проводники (когда будет достигнут приемлемый
показатель цена/производительность, а также более высокий уровень
производственных возможностей). Разработчики из Intel Components Research Lab
объединили в рамках единого решения высокопроизводительные оптические
компоненты (плоскостные лазеры с вертикальным резонатором VCSEL), и
экономически эффективные и отвечающие промышленным стандартам технологии,
основанные на КМОП-трансиверах с низким энергопотреблением и на стандартных
методиках компоновки микропроцессоров.
Разработчики уже
продемонстрировали полнофункциональное устройство, обеспечивающее высочайшую
скорость передачи данных (12-канальная линия связи, восемь каналов для передачи
данных, объединенная в едином корпусе с параллельным оптическим
КМОП-трансивером). Оптическая подсистема ввода-вывода базируется на
оптоэлектронной интегральной микросборке в корпусе FCPGA. В числе других
базовых компонентов устройства - плоскостные лазеры с вертикальным резонатором
на базе арсенида галлия; кремниевые фотодиодные матрицы с трехслойной (P-I-N)
структурой; массивы волноводов из специального полимера; многоканальные
волоконно-оптические соединители; КМОП-микросхема трансивера. Эти компоненты
устанавливаются методом перевернутых кристаллов (flip-chip) на верхней части
органической подложки FCPGA-корпуса, обеспечивая параллельную оптическую
передачу сигнала по типу "точка-точка". В течение сеанса передачи
данных по оптической линии связи матрицы VCSEL-лазеров непосредственно
модулируются информационными сигналами с простейшим бинарным кодированием (NRZ)
и синхронизацией по источнику (source-synchronous clocking), формируемыми
КМОП-генераторами. VCSEL- лимерных волноводов с подсистемой приема данных,
состоящей из фотодиодных матриц на основе арсенида галлия и размещенных на том
же кристалле трансимпедансных (управляемых током) усилителей напряжения.
Интегрированные в КМОП-компонент схемы контроля обеспечивают тестирование
оптических коммуникационных линий посредством определения частоты появления
принятых при передаче сигнала ошибочных битов.
Кристалл оптоэлектронного
трансивера (часть проекта разработки оптической подсистемы ввода-вывода для
элементов сопряжения отдельных микросхем на уровене межкомпонентных соединений
"кристалл-кристалл") выполнен на базе 0,18-мкм полупроводниковой
технологии. Кристалл трансивера при размерах 3x3,25 мм занимает лишь третью
часть общей площади интегральной микросборки и содержит все электрические схемы
для реализации оптической линии связи. В числе основных модульных компонентов
кристалла - 12 лазерных (VCSEL) генераторов оптического сигнала и 12 приемников
сигнала в комбинации с трансимпедансными усилителями напряжения и
ограничивающими усилителями; блок синхронизации; блок контроля с цепью
сканирования. Два из 12 каналов несут управляющие сигналы для согласования
оптоэлектронных микросхем с массивами волноводов. По двум другим каналам
подаются синхроимпульсы. По остальным восьми передаются информационные сигналы
вида PRBS NRZ (Pseudo Random Bit Sequence Non-Return-to-Zero, псевдослучайная
битовая последовательность "без возврата к нулю"), предназначенные
для управления матрицами VCSEL-лазеров. PRBS-данные формируются управляемым
напряжением тактовым генератором, который, в свою очередь, управляет сдвиговым
регистром линейной обратной связи. Схема фотодиодной матрицы приемника сигнала
содержит трансимпедансные усилители напряжения (TIA) и ограничивающие усилители
(LIA). Каждый TIA, снабженный резистором обратной связи, обладает допустимым суммарным
емкостным сопротивлением не более 500 фемтофарад (фемто- обозначает 10-15). с
учетом узлов пайки, электростатического заряда и паразитной емкости фотодиодов.
Усилители TIA/LIA - это асимметричные системы с неинвертирующим выходом,
формирующие опорный входной сигнал для регулировки тока фотодиода. Входной
токовый сигнал на пути от фотодиодов к TIA проходит через три электронных
каскада: дифференцирующие цепи, усилитель и преобразователь. LIA формирует
дискретные логические уровни из аналогового сигнала, а устройство вывода
формирует цифровой сигнал, выводимый за пределы кристалла.
Проблема высокоскоростной
связи заключается не только в материале межкомпонентных соединений, но и в их
архитектуре. В дальнейшем потребуются новые
архитектуры межкомпонентных соединений, способные поддерживать сотни ядер.
Такие механизмы должны иметь способность к реконфигурированию, чтобы
обслуживать изменяющиеся потребности обработки и конфигурации ядер. Специалисты Intel полагают, что
архитектура процессоров и платформ должна двигаться именно в направлении
виртуализованной, реконфигурируемой архитектуры CMP с большим числом ядер,
богатым набором встроенных функций, большим объемом внутрикристальной памяти и
интеллектуальным микроядром.