Fpga con interfacce ottiche

LOGICHE PROGRAMMABILI –

Altera preannuncia l’intenzione di realizzare logiche programmabili dotate di interfacce per il collegamento diretto alle fibre ottiche. Obiettivo: eliminare i vincoli posti dal rame nei collegamenti a larga banda, anche tra chip montati su una stessa scheda.

È certo che nei prossimi anni le velocità di trasmissione sulle reti di comunicazione - sia in campo telecom, sia all'interno dei data center - continueranno ad aumentare, sotto la spinta di applicazioni sempre più avide di “banda”. L'aumento delle velocità di trasmissione non rappresenta un problema per i cavi in fibra ottica, ma si scontra con i limiti fisici delle numerose tratte in rame che i segnali devono tuttora percorrere: le piste dei circuiti stampati e i collegamenti tra le schede nell'ambito del sistema, siano essi realizzati tramite un backplane o per mezzo di cavi. Le moderne tecniche di equalizzazione dei segnali - ad esempio Ffe (Feed-forward equalizer), Ctle (Continuous time linear equalizer) e Dfe (Decision feedback equalizer) - rendono possibile raggiungere velocità di trasmissione molto alte anche sul rame, ma al prezzo di un notevole aumento della complessità, dei costi e dei consumi energetici. Spesso, inoltre, le schede e i backplane devono essere realizzati con materiali più costosi rispetto al tradizionale FR4. Un maggiore impiego delle comunicazioni ottiche a tutti i livelli porterebbe quindi vantaggi significativi, ma attualmente questa opzione si scontra con complicazioni di altro genere: la trasduzione dal dominio elettrico al dominio ottico, e viceversa, richiede infatti moduli discreti (tipicamente i moduli Cfp, C Form-factor Pluggable) che occupano spazio e consumano energia. L'ideale sarebbe dotare i chip di interfacce ottiche, renderli capaci cioè di comunicare direttamente per mezzo della luce, senza necessità di ulteriori componenti. Questo deve essere, più o meno, ciò che hanno pensato i tecnici di Altera quando hanno deciso di sviluppare nuovi Fpga dotati di interfacce ottiche. L'annuncio di Altera - piuttosto povero di dettagli tecnici, presumibilmente per motivi di protezione della proprietà intellettuale - riguarda una direzione di sviluppo tecnologico, non ancora la realizzazione di prodotti veri e propri; le prime demo degli Fpga con inferaccia ottica, tuttavia, sono attese entro il 2011 e in ogni caso la notizia indica una tendenza importante. I Field Programmable Gate Array, infatti, sono ampiamente utilizzati nelle diverse parti delle infrastrutture di rete e nei data center, pertanto l'innovazione potrebbe avere effetti significativi.

Tosa e Rosa nel contenitore dell'Fpga
In sostanza Altera prevede di integrare all'interno del contenitore dell'Fpga gli elementi funzionali che, nel gergo delle reti ottiche, sono denominati rispettivamente Tosa (Transmitter optical sub-assembly) e Rosa (Receiver optical sub-assembly), cioè i blocchi che realizzano la trasduzione dal dominio elettrico al dominio ottico (laser) e viceversa (rivelatore fotonico). In questo modo sarà possibile fare entrare e uscire segnali di tipo ottico dal package del dispositivo. Concretamente, il contenitore che ospita il chip sarà dotato di piccoli connettori simili allo standard Mpo (Multiple-fibre push-on), in cui si innesteranno sottili cavi in fibra ottica. Secondo Altera l'integrazione di Tosa e Rosa risulterà relativamente semplice poiché potrà trarre vantaggio dagli avanzati transceiver degli Fpga Altera a 28 nanometri, ideali anche per pilotare le fibre ottiche. Questi blocchi funzionali, che raggiungono la velocità di 28 Gbps, offrono infatti funzioni avanzate di generazione e recupero del clock ed equalizzazione (Ffe, Ctle e Dfe); comprendono inoltre una sorta di strumento di misura integrato che monitora il bit error rate e la forma del diagramma ad occhio.

I vantaggi delle fibre ottiche
Nella visione di Altera, le fibre ottiche saranno utilizzate per collegamenti tra chip e chip, tra scheda e scheda, tra rack e rack, tra sistema e sistema, per lunghezze comprese tra pochi centimetri e cento metri, a velocità che - con i nuovi transceiver - potranno raggiungere 28 Gbps. Le fibre ottiche, però, saranno sfruttate solo per i collegamenti a larga banda; le altre connessioni continueranno a essere realizzate in rame. Lo sdoppiamento delle tecnologie di interconnessione nell'ambito dei sistemi (rame per le basse velocità, fibra ottica per le alte velocità) offrirà due ordini di vantaggi: oltre ad assicurare l'integrità dei segnali veloci, libererà le interconnessioni tradizionali dall'obbligo di mantenere il passo con velocità sempre crescenti. Sarà quindi possibile prolungare la vita dei backplane tradizionali realizzati con materiali economici. A livello di scheda, inoltre, sarà possibile anche semplificare il posizionamento dei componenti e lo sbroglio delle piste, poiché un singolo cavetto in fibra ottica consentirà di eliminare le numerose tracce parallele oggi necessarie per i collegamenti veloci. Interessante anche il confronto con le soluzioni ottiche convenzionali, poiché l'eliminazione dei moduli ottici “pluggable” permetterà di ridurre i consumi e gli ingombri. Altera ha portato l'esempio delle connessioni tra chassis diversi in una centrale di telecomunicazioni: sostituendo i moduli ottici “pluggable” con interconnessioni passive per i collegamenti di lunghezza inferiore a centro metri diviene possibile ridurre del 70-80% il consumo delle schede di linea (line card). La densità delle porte può inoltre essere drasticamente aumentata adottando il connettore Mpo da 72 fibre, contro le due fibre del modulo Cfp.

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