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LSI接口终于要实现“光纤”化了。美国阿尔特拉(Altera)公布了在FPGA中导入光纤接口的计划。预定在2011年内采用试制芯片进行演示,2012年以后产品化。产品主要面向高清视频传输、云计算、三维游戏以及高性能视频监控等用途。在这些产品中,除了主板上的LSI间布线外,还可广泛地用于机壳内布线等用途。

美国英特尔等也正在探索LSI传输的光纤化。英特尔很早就在推进开发通过光信号来交换数据的技术“Light Peak”。不过,在该公司于2011年2月发布的最大数据传输速度为10Gbit/秒的高速接口“Thunderbolt”中,却采用了原来的电信号而非光纤传输。虽然预计英特尔最终也会在Thunderbolt中导入光布线,不过阿尔特拉率先实现光纤化的可能性增高。

从“对症疗法”到“根治疗法”

美国阿尔特拉迅速决定向LSI导入光纤接口的原因是,该公司强烈希望打破高速化的极限。据该公司介绍,在传输距离为40cm左右的背板连接方面,利用老式电布线的FPGA的高速化已经面临极限。因为随着信号高速化的发展,电布线部分产生的损耗越来越大。

在传统的电布线中,随着高速化的实现,传输损耗越来越大。为了弥补因传输损耗产生的信号劣化,美国阿尔特拉采取了在LSI中配备均衡器等有源电路的对策。随着频率的提高,该对策越来越难以实施。

目前已经供货的高性能FPGA产品中,配备了速度为每通道28Gbit/秒的接口。日本阿尔特拉表示,“如果将速度为每通道28Gbit/秒的信号直接发送出去,那么接收端的波形大部分会失真。因此,目前的应对措施是在FPGA中嵌入在发送端预先对波形进行强化然后再传输的‘预加权 (Preemphasis)’、以及在接收端调整波形的‘均衡器’等复杂电路。不过,就算利用这些方法,也难以实现超过28Gbit/秒的高速化。所以我们决定通过光纤传输来打破这个极限”。

也就是说,美国阿尔特拉选择了迅速导入光布线的“根治疗法”,而不是费力延长电布线寿命的“对症疗法”。由此,在实现总数据传输速度为 100Gbit/秒的LSI间接口时,原来需要使用4通道每通道速度为25Gbit/秒的电布线,而在光布线中却只需一根速度为100Gbit/秒的光纤线缆即可。

导入光布线后,可以获得除高速化之外的许多好处。据美国阿尔特拉介绍,在数据中心等要求具备出色运算性能的用途中,向LSI中导入光纤接口后,与采用传统的电布线相比可将耗电量削减70~80%,同时还可以大幅提高接口密度和带宽。

在通信基础设施和广播电视设备等背板用途中,也无需使用高价位板卡材料和连接器,使用光布线可在迅速提高带宽的同时,还可以避免出现因使用电布线而产生的信号完整性(Signal Integrity)问题。

将光缆直接连接到封装

对于决定向FPGA导入光布线的美国阿尔特拉来说,最大的课题是低成本化。原因是如果不能将设备厂商所负担的系统成本,降至与电布线同等以下的水平,那么就没有把握实现普及。

美国阿尔特拉的系统成本降低措施之一是FPGA封装和光布线之间的连接方法。具体而言,是经由连接器直接将光纤线缆连接到半导体封装上。此时不会使所有布线均实现光纤化,只有需要超高速传输的布线部分才采用光纤传输,其余的信号等仍采用传统的电布线进行传输。

采用这种方法的原因是主板中无需使用特殊的印刷基板和材料。阿尔特拉(日本)表示,“如果想利用印刷基板布线来封装光纤传输,就需要大幅改变传统电布线使用的基板构造,或采用特殊的基板材料。而我们的方法只有光纤接口部分采用光纤线缆进行传输,因此不存在这种担心,可将成本抑制在最小限度”。

美国阿尔特拉今后将会在业界广泛倡导LSI用光布线。原因是要想大力发展配备光纤接口的FPGA,就必须切实准备好连接器等支持部件。阿尔特拉(日本)表示,“我们已经开始与连接器厂商等就光布线进行业务合作”。

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