Чтобы справиться с растущим спросом на потребление информации, в течение следующих лет центры обработки данных будут модернизировать свои сети. Прежде всего, это волоконно-оптические каналы, скорость которых должна расти, а потребление, в пересчёте на единицу переданных данных, снижаться.

Необходимого результата поможет добиться новая разработка Imec.

SiGe BiCMOS ЦАП (Imec)

Бельгийский исследовательский центр Imec совместно с Гентским университетом для демонстрации на конференции ISSCC2020 представили первый в своём роде высокоскоростной кремниевый аналоговый временной перемежитель (интерливер) сигнала, решение для временного уплотнения импульсов. Разработка обеспечивает скорость передачи сигналов в канале до 100 ГБод (200 Гбит/с) при потребляемой мощности всего 700 мВт с использованием модуляции PAM-4 (амплитудно-импульсная модуляция с 4-уровневым кодированием).

Будущие линии оптической связи должны быть недорогими, ёмкими и иметь низкое потребление энергии. Согласно современным представлениям, добиться высочайших скоростей можно только с помощью оптических трансиверов на полупроводниках на основе фосфида индия (InP).

К сожалению, техпроцессы с использованием этого соединения достаточно затратные и подвержены высокому уровню брака при массовом производстве. Хорошо освоенные промышленностью техпроцессы КМОП отлично масштабируются, но сильно ограничивают полосу пропускания. Например, ЦАП в рамках техпроцессов КМОП с трудом преодолевает 50-ГГц барьер.

Учёные из Imec и Университета Гента смогли достичь внушительной пропускной способности ЦАП (цифро-аналоговых преобразователей) с помощью кремний-германиевого БиКМОП техпроцесса (SiGe BiCMOS). Они создали 55-нм чип, который объединил выходы четырех ЦАП.

С помощью технологии чередования во времени четырех потоков по 25 Гбод получилось создать решение с общей ёмкостью канала 100 Гбод. Это эквивалентно одному ЦАП, работающему со скоростью 100 гига-выборок в секунду. Используя модуляцию PAM-4, скорость передачи сигнала достигает 200 Гбит/с. Потребление, как сказано выше, осталось сравнительно низким ― на уровне 700 мВт, хотя частота дискретизации выросла значительно.

Поскольку технология SiGe BiCMOS может быть реализована при большом объеме производства с допустимым уровнем брака, центры обработки данных могут получить новые оптические трансиверы с превосходными характеристиками уже в обозримом будущем.

Как справедливо подметили в бельгийском исследовательском центре Imec, требования к пропускной способности между узлами в ЦОД растут экспоненциально. При этом необходимо если не снижать потребление интерфейсов, то хотя бы сдерживать его рост. Выходом из этого противоречия может стать так называемая кремниевая фотоника, когда на одном чипе с контроллером или процессором располагаются приёмопередающие модули оптической связи. Желательно также, чтобы всё выполнялось в одном техпроцессе, а также, чтобы этот техпроцесс был привычным и уже обкатанным на производстве.

Совместить все требования в одной разработке взялись специалисты всё того же центра Imec. Так, на днях на форуме Imec Technology Forum USA в Сан-Франциско был продемонстрирован гибридный чип, сочетающий CMOS-процесс с использованием FinFET-транзисторов и элементы оптических приёмопередатчиков с германиевыми фотодиодами. Опытное решение, выпущенное на «классическом» 300-мм производственном оборудовании Imec, продемонстрировало рекордные значения по минимальному потреблению при передаче данных по оптическому каналу на уровне 40 Гбит/с. В процессе передачи динамическое потребление чипа составило 230 фемтоджоулей/бит (фмДж/бит), а площадь интегральной схемы на кристалле составила всего 0,025 мм². В перспективе, уверены в Imec, можно будет создавать сверхминиатюрные гибридные решения для передачи данных на скоростях в несколько Тбит/с на дальности от 1 до 500 и больше метров.

В представленной разработке дифференциальный драйвер с использованием FinFET спроектирован вместе с цепями и элементами кремниевой фотоники. В частности, с кольцевым модулятором передатчика 40 Гбит/с с оптической модуляцией NRZ (код без возвращения к нулю, максимально простое кодирование без синхронизации), динамическое потребление которого составило 154 фмДж/бит. Приёмник представлен схемой в виде трансимпедансного усилителя (trans-impedance amplifier, TIA) из элементов FinFET, согласованного с германиевым фотодиодом. Схема позволяет улавливать и определять оптический сигнал с последовательностью 40 Гбит/с с ожидаемой чувствительностью –10 дБм при потреблении 75 фмДж/бит.

Реализация гибридного чипа кремниевой фотоники Imec

В качестве эксперимента была продемонстрирована петля связи с использованием излучения 1330 нм по стандартному одномодовому волноводу с энергетическим запасом 2 дБ. В конечном итоге решение позволяет создать на кристалле гибридный модуль площадью 0,1 мм² в конфигурации 4 × 40 Гбит/с со встроенной поддержкой температурной коррекции, что показывает возможность масштабировать решение до пропускной способности свыше 100 Гбит/с на одно волокно.

Бельгийский центр прикладных разработок в сфере микро- и наноэлектроники IMEC (Interuniversity Microelectronics Centre) и нанотехнологический центр «ТехноСпарк» подписали контракт о разработке центра разработок и приложений новой электроники в Троицке.

Представить концепцию проекта участники рабочей группы планируют в августе 2013 года. За это время объединенная рабочая группа разработает план создания и работы центра на первом этапе сроком 2013-2015 гг. Будет разработана бизнес-модель площадки, определен объем необходимых инвестиций, структурированы первые пилотные проекты в кооперации с IMEC и его отраслевыми партнерами.

«IMEC — это интерфейс для глобального бизнеса по постановке задач разработчикам. Мы умеем слышать задачи и проблемы бизнеса и переводить их на язык разработчиков и находить лучших исполнителей. Наша сеть объединяет самые разные исследовательские лаборатории и специалистов в 72 странах, и мы уверены, что Россия может стать частью этой сети», — прокомментировал подписанное соглашение Людо Деферм (Ludo Deferm), исполнительный вице-президент по развитию бизнеса IMEC.

Помимо Троицка, в РФ есть и другие научные центры в области микроэлектроники, которые также могут войти в сеть IMEC. Партнеры выразили надежду, что на следующем шаге после пилотного проекта в Троицке площадки и филиалы нового центра могут появиться и в других регионах страны. Представители российского инновационного бизнеса также выразили серьезную заинтересованность в сотрудничестве с крупнейшим в мире R&D-центром в сфере микроэлектроники.

Материалы по теме:

• Российский IT-рынок: факты и тенденции развития в корпоративном сегменте;
• DataLine сфокусируется на расширении облачной инфраструктуры;
• Oracle анонсировала сетевую архитектуру ЦОД Virtual Networking.

Источник:

• rusnano.com