采 用 光 接 口 克 服 铜 线 限 制 WP-01161-1.1 白 皮 书 本 文 档 讨 论 怎 样 通 过 嵌 入 在 FPGA 中 的 光 接 口 技 术 来 克 服 铜 线 互 连 相 关 的 传 输 距 离 功 耗 端 口 密 度 成 本 以 及 复 杂 的 电 路 板 等 难 题 芯 片 至 芯 片 芯 片 至 模 块 机 架 至 机 架 以 及 系 统 至 系 统 接 口 等 各 种 传 输 距 离 数 据 速 率 已 经 超 过 了 10 Gbps, 设 计 人 员 利 用 这 一 技 术 能 够 克 服 这 些 难 题, 与 传 统 的 分 立 电 光 技 术 相 比, 具 有 很 大 的 优 势 引 言 面 对 当 今 的 宽 带 低 延 时 器 件 以 及 智 能 电 话 平 板 电 脑 HDTV 和 3DTV 等 相 关 应 用, 计 算 机 和 网 络 系 统 供 应 商 致 力 于 实 现 不 会 显 著 增 加 网 络 或 者 互 联 网 数 据 流 拥 塞 和 延 时 的 系 统 I/O 数 据 速 率 和 密 度 之 所 以 不 断 提 高, 是 因 为 服 务 器 局 域 网 (LAN) 路 由 器 和 交 换 机 存 储 区 域 网 (SAN) 交 换 机 和 RAID 广 域 网 (WAN) 光 交 换 机 以 及 传 送 系 统 的 广 泛 应 用 例 如,PCIe 接 口 每 个 通 路 的 数 据 速 率 从 Gen 1.0 的 2.5 Gbps 增 加 到 当 前 Gen 3.0 的 8.0 Gbps, 今 后 的 Gen 4.0 将 增 加 到 16 Gbps 图 1 显 示 了 互 联 网 和 IP 数 据 流 的 需 求 发 展 趋 势 图 1. 互 联 网 带 宽 和 IP 数 据 流 发 展 趋 势 (CISCO VNI, 2010) FPGA 在 当 今 的 网 络 计 算 机 数 据 中 心 和 通 信 辅 助 系 统 中 扮 演 了 重 要 角 色 Altera 的 FPGA 光 接 口 在 FPGA 封 装 中 集 成 了 最 新 的 FPGA 以 及 最 先 进 的 激 光 源 和 光 探 测 器, 从 而 克 服 了 铜 线 互 连 的 限 制 光 FPGA 接 口 在 传 输 距 离 功 耗 成 本 密 度 外 形 封 装 等 方 面 有 很 大 的 优 势, 远 远 超 过 了 传 统 的 电 信 号 和 互 连 以 及 分 立 电 光 信 号 和 互 连 铜 线 互 连 的 局 限 在 实 现 新 系 统 时, 与 前 几 代 系 统 相 比, 网 络 和 数 据 中 心 工 作 人 员 希 望 能 够 避 免 功 耗 和 成 本 代 价 其 需 求 是, 应 逐 步 减 小 每 一 代 系 统 与 pj/bit 指 标 相 关 的 功 耗 和 数 据 传 送 参 数 图 2 显 示 了 每 个 通 路 数 据 速 率 的 发 展 趋 势, 数 据 来 自 半 导 体 国 际 技 术 发 展 路 线 图 (ITRS,2009 版 ) 101 Innovation Drive San Jose, CA 95134 www.altera.com 版 权 2011 Altera 公 司 保 留 所 有 权 利 ALTERA ARRIA CYCLONE HARDCOPY MAX MEGACORE NIOS QUARTUS 以 及 STRATIX 均 在 美 国 专 利 和 商 标 事 务 所 进 行 了 注 册, 是 Altera 公 司 在 美 国 和 其 他 国 家 的 商 标 所 有 其 他 商 标 或 者 服 务 标 记 的 所 有 权 属 于 其 各 自 持 有 人, www.altera.com/common/legal.html 对 此 进 行 了 解 释 Altera 保 证 当 前 规 范 下 的 半 导 体 产 品 性 能 与 Altera 标 准 质 保 一 致, 但 是 保 留 对 产 品 和 服 务 在 没 有 事 先 通 知 时 的 升 级 变 更 权 利 除 非 与 Altera 公 司 的 书 面 条 款 完 全 一 致, 否 则 Altera 不 承 担 由 此 处 所 述 信 息 产 品 或 者 服 务 导 致 的 责 任 Altera 建 议 客 户 在 决 定 购 买 产 品 或 者 服 务, 以 及 确 信 任 何 公 开 信 息 之 前, 阅 读 Altera 最 新 版 的 器 件 规 范 说 明 2011 年 4 月 Altera 公 司 反 馈 订 阅
第 2 页 图 2.ITRS 的 高 速 I/O 数 据 发 展 趋 势 设 计 人 员 通 过 印 刷 电 路 板 (PCB) 走 线, 在 芯 片 至 芯 片 芯 片 至 模 块 接 口, 以 及 背 板 芯 片 至 芯 片 和 铜 缆 组 件 芯 片 至 芯 片 接 口 上 广 泛 使 用 了 铜 线 互 连 10 Gbps 时, 芯 片 至 芯 片 以 及 芯 片 至 模 块 接 口 的 传 输 距 离 大 约 是 0.3 米, 背 板 芯 片 至 芯 片 传 输 距 离 是 1 米, 铜 缆 组 件 芯 片 至 芯 片 传 输 距 离 是 7 米 铜 线 互 连 遇 到 的 难 题 是 由 于 频 率 相 关 损 耗 问 题, 它 无 法 适 应 数 据 速 率 的 变 化 例 如, 应 用 最 广 泛 的 FR-4 铜 走 线 材 料 在 5 GHz 时 的 损 耗 是 0.5-1.5 db/in (10 Gbps 速 率 奈 科 斯 特 定 律 ), 而 在 12.5 GHz 时 损 耗 增 加 到 2.0-3.0 db/in (25 Gbps 速 率 奈 科 斯 特 定 律 ) 回 损 和 交 叉 串 扰 也 随 着 频 率 的 增 大 而 增 大 图 3 显 示 了 PCI Express 服 务 器 通 道 的 插 入 损 耗 回 损 以 及 交 叉 串 扰 这 一 实 例 表 明, 插 入 损 耗 和 回 损 随 着 数 据 速 率 的 增 大 而 增 大 在 8 GHz (16 Gbps) 时, 插 入 损 耗 大 约 是 -60 db, 远 远 超 出 NRZ 信 号 的 均 衡 动 态 范 围 (~40 db) 这 一 实 例 说 明, 目 前 的 技 术 除 非 缩 短 通 道 长 度, 否 则 不 能 适 应 16 Gbps 速 率, 这 限 制 了 实 际 应 用, 不 具 有 灵 活 性 而 且, 这 一 方 法 需 要 其 他 元 件, 例 如, 中 继 器 等, 增 大 了 功 耗 成 本 和 复 杂 度
第 3 页 图 3.PCI Express 服 务 器 通 道 的 插 入 损 耗 回 损 和 交 叉 串 扰 在 这 些 基 于 铜 线 的 系 统 中, 设 计 人 员 一 般 必 须 要 补 偿 信 号 插 入 损 耗, 例 如, 符 号 间 干 扰 (ISI), 或 者 数 据 相 关 抖 动 (DDJ) 回 损 和 交 叉 串 扰 等 设 计 人 员 通 过 使 用 各 种 均 衡 器 来 处 理 这 些 信 号 损 伤, 例 如, 前 馈 均 衡 器 (FFE) 连 续 时 间 线 性 均 衡 器 (CTLE), 或 者 判 决 反 馈 均 衡 器 (DFE) 等, 在 铜 材 料 构 成 的 通 道 上 实 现 这 些 发 射 器 或 者 接 收 器, 以 保 证 能 够 满 足 链 路 性 能 ( 即, 误 码 率 (BER) < 10-12 ) 但 是, 均 衡 器 增 大 了 功 耗, 需 要 付 出 代 价, 特 别 是 DFE 随 着 数 据 速 率 的 提 高, 插 入 损 耗 回 损 和 交 叉 串 扰 也 随 之 增 大, 需 要 更 强 的 均 衡 器 ( 即, 更 多 的 抽 头 或 者 更 大 的 DC/AC 增 益 ) 来 补 偿 最 终 的 信 号 损 伤, 以 保 证 性 能 不 变 这 一 方 法 同 样 增 大 了 功 耗 在 目 前 的 互 连 辅 助 系 统 中, 设 计 人 员 在 10 米 以 内 主 要 使 用 铜 材 料 传 输 电 信 号, 在 10 米 以 上 使 用 光 纤 传 输 光 信 号, 这 是 由 铜 材 料 电 子 元 件 以 及 光 纤 元 件 的 特 性 和 成 本 结 构 所 决 定 的 设 计 人 员 希 望 在 10 米 以 内 也 采 用 光 纤 来 传 输 信 号, 从 而 克 服 铜 材 料 电 信 号 的 损 耗 信 号 完 整 性, 以 及 功 耗 等 难 题 随 着 数 据 速 率 的 提 高, 分 立 的 电 子 元 器 件 和 光 学 元 件 以 及 相 关 的 成 本 和 功 耗 导 致 很 难 实 现 这 一 愿 望
光 FPGA 接 口 的 优 势 第 4 页 光 FPGA 接 口 的 优 势 与 铜 接 口 相 比, 光 纤 几 乎 没 有 损 耗 多 模 光 纤 (MMF) 在 850-nm 和 1300-nm 波 长 的 损 耗 大 约 分 别 为 3 db/km 和 1 db/km 单 模 光 纤 (SMF) 在 1300-nm 和 1550-nm 波 长 的 损 耗 大 约 分 别 为 0.4 db/km 和 0.25 db/km MFF 的 芯 径 较 大 ( 大 约 50 微 米 ), 带 宽 大 约 为 2 GHz km, 因 此, 成 本 较 低 ; 而 SMF 芯 径 较 小 ( 大 约 9 微 米 ), 实 际 带 宽 达 到 100 THz, 成 本 相 对 要 高 一 些 通 过 MMF 驱 动 光 信 号 的 激 光 器 件 一 般 是 发 光 辐 射 二 极 管 (LED) 或 者 垂 直 腔 面 辐 射 激 光 器 (VCSEL) MMF 通 常 用 在 1 公 里 以 内, 而 SMF 的 传 输 距 离 在 1 公 里 至 几 千 公 里 10 Gbps 时,MMF 的 传 输 距 离 大 约 是 300 米 与 铜 材 料 的 电 路 链 接 不 同, 光 链 路 的 功 耗 和 代 价 几 乎 与 传 输 距 离 无 关 而 且, 光 信 号 与 电 信 号 不 同, 它 不 受 电 磁 干 扰 (EMI) 的 影 响, 没 有 幅 度 交 叉 串 扰, 具 有 更 好 的 信 号 完 整 性 通 过 波 分 复 用 (WDM) 技 术, 同 一 根 光 纤 能 够 支 持 多 个 通 道, 从 而 节 省 了 通 道 材 料 FPGA 在 当 今 的 网 络 计 算 机 数 据 中 心 和 通 信 辅 助 系 统 中 扮 演 了 重 要 角 色 FPGA 提 供 关 键 重 新 配 置 和 芯 片 系 统 (SoC) 功 能, 以 支 持 数 据 处 理 和 传 送, 实 现 计 算 DSP 数 据 包 处 理 帧 处 理 路 由 交 换 以 及 桥 接 MAC/FEC 等 功 能 图 4 显 示 了 Altera FPGA 和 高 级 收 发 器 电 路 提 供 的 芯 片 至 芯 片 芯 片 至 模 块 以 及 系 统 至 系 统 的 网 络 辅 助 系 统 I/O 链 路 和 数 据 处 理 功 能 图 4.Altera FPGA 应 用 于 互 联 网 / 网 络 辅 助 系 统 Altera 高 级 收 发 器 技 术 十 余 年 来,Altera 的 收 发 器 技 术 发 展 非 常 迅 速, 提 供 电 信 号 传 输 和 接 收 功 能, 目 前 28-nm 工 艺 节 点 的 数 据 速 率 高 达 28 Gbps 这 些 收 发 器 还 支 持 高 级 时 钟 产 生 时 钟 恢 复 以 及 均 衡 功 能 ( 即,FFE CTLE 和 DFE) 图 5 显 示 了 FPGA 收 发 器 以 及 数 据 速 率 和 工 艺 节 点 的 发 展 高 级 收 发 器 技 术 无 缝 集 成 了 FPGA 以 及 激 光 器 和 接 收 器
光 FPGA 接 口 的 优 势 第 5 页 图 5.Altera FPGA 收 发 器 技 术 发 展 路 径 图 6 显 示 了 Altera 高 级 收 发 器 特 性 和 性 能 在 发 射 (TX) 端, 由 于 使 用 了 高 级 LC 振 荡 器, 因 此 28 Gbps 时 的 抖 动 产 生 非 常 低, 低 于 300 fs TX FFE 均 衡 器 能 够 提 供 四 个 可 编 程 抽 头 在 接 收 (RX) 侧, 有 多 级 CTLE, 提 供 12 db DC 增 益 和 20 db AC 增 益, 可 调 峰 值 频 率, 以 及 可 选 自 动 均 衡 系 数 发 现 等 功 能 RX DFE 提 供 5 抽 头, 能 够 补 偿 大 部 分 不 相 关 抖 动 和 噪 声 在 混 合 体 系 结 构 ( 可 以 锁 定 至 数 据 或 者 参 考 时 钟 ) 基 础 上, 每 一 抽 头 权 重 针 对 时 钟 恢 复 (CR) 进 行 了 功 耗 优 化 这 些 条 件 产 生 了 很 好 的 到 达 数 据 锁 定 时 间 / 范 围, 支 持 较 大 的 抖 动 容 限 收 发 器 具 有 较 好 的 运 行 长 度 处 理 ( 大 约 几 百 UI) 带 宽 ( 大 约 几 百 MHz), 以 及 抖 动 容 限 斜 率 ( 优 于 -40 db/ 十 倍 频 程 ) 收 发 器 具 有 内 置 管 芯 仪 表 (ODI) 功 能, 可 以 测 量 BER 曲 线 和 眼 图 图 6.Altera 高 级 FPGA 收 发 器 特 性 和 性 能 Altera 的 高 级 ODI 支 持 TX 自 适 应 均 衡 RX 最 优 采 样 点 发 现 等 功 能, 降 低 了 相 关 的 BER 而 且, 收 发 器 支 持 电 路 板 和 系 统 快 速 开 发 调 试 非 置 入 式 链 路 特 性, 以 及 数 据 流 性 能 监 控 等, 这 些 功 能 都 能 够 以 低 成 本 高 功 效 的 方 式 实 现 如 图 6 所 示,RX CTLE 或 者 DFE 很 容 易 打 开 已 经 闭 合 的 信 号 完 整 性 眼 图, 由 ODI 进 行 验 证 在 28 nm,altera 收 发 器 实 现 了 一 位 ( 大 约 8 pj/bit) 功 效
第 6 页 光 FPGA 接 口 的 优 势 FPGA 光 接 口 应 用 采 用 高 级 收 发 器 技 术, 很 容 易 集 成 Altera FPGA 和 光 器 件 图 7 所 示 的 例 子 是 一 片 具 有 光 接 口 的 FPGA 图 7 中 的 FPGA 集 成 了 光 接 口, 例 如, 发 射 器 光 学 组 件 (TOSA) 和 接 收 器 光 学 组 件 (ROSA) 等, 不 需 要 分 立 的 光 模 块, 能 够 支 持 光 信 号 传 输 和 接 收 图 7. 具 有 光 接 口 的 FPGA 设 计 人 员 可 以 采 用 光 接 口 FPGA 来 替 代 芯 片 至 模 块 链 路 系 统, 大 幅 度 降 低 功 耗 和 成 本, 减 少 对 资 源 的 占 用, 同 时 提 高 端 口 密 度, 如 图 8 所 示 之 所 以 能 够 实 现 这 些, 是 因 为 Altera 的 高 功 效 收 发 器 具 有 同 类 最 好 的 时 钟 产 生 和 时 钟 恢 复 信 号 调 理 和 均 衡 等 功 能, 并 且 通 过 ODI 内 置 了 测 试 和 测 量 功 能 图 8. 一 片 具 有 光 接 口 的 FPGA 替 代 了 芯 片 至 模 块 链 路 采 用 光 接 口 克 服 铜 线 限 制 2011 年 4 月 Altera 公 司
总 结 第 7 页 在 图 9 所 示 的 普 通 应 用 中 含 有 FPGA 光 接 口 设 计 人 员 可 以 在 光 背 板 电 路 板 至 电 路 板 机 架 至 机 架 以 及 系 统 至 系 统 互 连 上 使 用 具 有 光 接 口 的 FPGA,10 Gbps 线 路 速 率 时 传 输 距 离 达 到 100 米 通 道 最 大 数 据 速 率 取 决 于 FPGA 收 发 器 数 据 速 率, 目 前 28-nm 工 艺 节 点 达 到 28 Gbps 图 9. 光 FPGA 应 用 数 据 中 心 (DC) 使 用 具 有 光 接 口 FPGA 的 一 个 具 体 实 例 显 示 在 图 10 中 图 中 画 出 了 内 部 联 网 电 路 板 背 板 线 路 卡 电 路 板 至 电 路 板 机 架 至 机 架 以 及 系 统 至 系 统 互 连,LAN 交 换 机 路 由 器 SAN 交 换 机 和 磁 盘 阵 列 以 及 服 务 器 阵 列 使 用 了 新 FPGA 具 有 光 接 口 的 FPGA 支 持 0.3 米 至 100 米 的 信 号 处 理 和 光 互 连, 非 常 适 合 应 用 于 所 有 DC 互 连 与 传 统 技 术 相 比, 这 具 有 明 显 的 功 耗 密 度 和 成 本 优 势 在 采 用 该 技 术 之 前, 这 些 功 能 是 无 法 实 现 的, 特 别 是 传 输 距 离 在 10 米 以 上 的 情 况 图 10. 数 据 中 心 具 有 光 接 口 的 FPGA 总 结 铜 材 料 芯 片 至 芯 片 接 口 面 临 的 主 要 难 题 包 括 传 输 距 离 功 耗 成 本 电 路 板 材 料 以 及 复 杂 的 电 路 板 等 同 样 的, 成 本 端 口 密 度 功 耗 外 形 封 装 以 及 电 路 板 材 料 也 是 目 前 所 使 用 主 机 芯 片 和 分 立 光 模 块 解 决 方 案 遇 到 的 主 要 挑 战 数 据 速 率 达 到 10 Gbps 以 上 时,Altera 的 光 接 口 技 术 集 成 了 最 新 的 FPGA 以 及 最 先 进 的 激 光 光 源 和 光 探 测 器, 克 服 了 各 种 情 况 所 遇 到 的 难 题 与 传 统 的 电 信 号 和 互 连 以 及 电 光 信 号 和 互 连 技 术 相 比, 具 有 光 接 口 的 FPGA 在 传 输 距 离 功 耗 成 本 密 度 外 形 封 装 和 重 量 等 方 面 有 很 大 的 优 势 设 计 人 员 可 以 在 背 板 短 距 离 芯 片 至 芯 片 ( 或 者 大 于 1 米 ) 电 路 板 至 电 路 板, 以 及 传 输 距 离 在 100 米 的 机 架 至 机 架 系 统 至 系 统 互 连 上 使 用 FPGA 光 接 口
第 8 页 致 谢 不 难 想 象, 采 用 了 光 接 口 技 术 的 FPGA 具 有 传 输 距 离 功 耗 成 本 密 度 外 形 封 装 重 量 EMI 以 及 能 够 克 服 交 叉 串 扰 等 优 势, 将 广 泛 应 用 于 未 来 的 数 据 通 信 和 电 信 系 统 数 据 中 心 数 据 传 送 和 军 事 网 络 系 统 中, 还 可 以 用 在 测 试 测 量 医 疗 和 广 播 等 系 统 中 这 一 技 术 将 永 久 性 的 改 变 未 来 互 联 网 网 络 数 据 中 心 测 试 测 量 医 疗 和 广 播 辅 助 系 统 的 设 计 和 开 发 致 谢 Mike Peng Li, 博 士, 首 席 设 计 师, 产 品 工 程,Altera 公 司 文 档 修 订 历 史 表 1 列 出 了 本 文 档 修 订 历 史 表 1. 文 档 修 订 历 史 日 期 版 本 进 行 的 修 改 2011 年 4 月 1.1 纠 正 了 部 分 输 入 错 误 2011 年 3 月 1.0 初 次 发 布 采 用 光 接 口 克 服 铜 线 限 制 2011 年 4 月 Altera 公 司