Altera在FPGA上導入光傳輸

　　LSI接口終于要實(shí)現“光纖”化了。美國阿爾特拉(Altera)公布了在FPGA中導入光纖接口的計劃。預定在2011年內采用試制芯片進(jìn)行演示，2012年以后產(chǎn)品化。產(chǎn)品主要面向高清視頻傳輸、云計算、三維游戲以及高性能視頻監控等用途。在這些產(chǎn)品中，除了主板上的LSI間布線(xiàn)外，還可廣泛地用于機殼內布線(xiàn)等用途。

　　美國英特爾等也正在探索LSI傳輸的光纖化。英特爾很早就在推進(jìn)開(kāi)發(fā)通過(guò)光信號來(lái)交換數據的技術(shù)“Light Peak”。不過(guò)，在該公司于2011年2月發(fā)布的最大數據傳輸速度為10Gbit/秒的高速接口“Thunderbolt”中，卻采用了原來(lái)的電信號而非光纖傳輸。雖然預計英特爾最終也會(huì )在Thunderbolt中導入光布線(xiàn)，不過(guò)阿爾特拉率先實(shí)現光纖化的可能性增高。

　　從“對癥療法”到“根治療法”

　　美國阿爾特拉迅速決定向LSI導入光纖接口的原因是，該公司強烈希望打破高速化的極限。據該公司介紹，在傳輸距離為40cm左右的背板連接方面，利用老式電布線(xiàn)的FPGA的高速化已經(jīng)面臨極限。因為隨著(zhù)信號高速化的發(fā)展，電布線(xiàn)部分產(chǎn)生的損耗越來(lái)越大。

　　在傳統的電布線(xiàn)中，隨著(zhù)高速化的實(shí)現，傳輸損耗越來(lái)越大。為了彌補因傳輸損耗產(chǎn)生的信號劣化，美國阿爾特拉采取了在LSI中配備均衡器等有源電路的對策。隨著(zhù)頻率的提高，該對策越來(lái)越難以實(shí)施。

　　目前已經(jīng)供貨的高性能FPGA產(chǎn)品中，配備了速度為每通道28Gbit/秒的接口。日本阿爾特拉表示，“如果將速度為每通道28Gbit/秒的信號直接發(fā)送出去，那么接收端的波形大部分會(huì )失真。因此，目前的應對措施是在FPGA中嵌入在發(fā)送端預先對波形進(jìn)行強化然后再傳輸的‘預加權 (Preemphasis)’、以及在接收端調整波形的‘均衡器’等復雜電路。不過(guò)，就算利用這些方法，也難以實(shí)現超過(guò)28Gbit/秒的高速化。所以我們決定通過(guò)光纖傳輸來(lái)打破這個(gè)極限”。

　　也就是說(shuō)，美國阿爾特拉選擇了迅速導入光布線(xiàn)的“根治療法”，而不是費力延長(cháng)電布線(xiàn)壽命的“對癥療法”。由此，在實(shí)現總數據傳輸速度為 100Gbit/秒的LSI間接口時(shí)，原來(lái)需要使用4通道每通道速度為25Gbit/秒的電布線(xiàn)，而在光布線(xiàn)中卻只需一根速度為100Gbit/秒的光纖線(xiàn)纜即可。

　　導入光布線(xiàn)后，可以獲得除高速化之外的許多好處。據美國阿爾特拉介紹，在數據中心等要求具備出色運算性能的用途中，向LSI中導入光纖接口后，與采用傳統的電布線(xiàn)相比可將耗電量削減70～80%，同時(shí)還可以大幅提高接口密度和帶寬。

　　在通信基礎設施和廣播電視設備等背板用途中，也無(wú)需使用高價(jià)位板卡材料和連接器，使用光布線(xiàn)可在迅速提高帶寬的同時(shí)，還可以避免出現因使用電布線(xiàn)而產(chǎn)生的信號完整性(Signal Integrity)問(wèn)題。

　　將光纜直接連接到封裝上

　　對于決定向FPGA導入光布線(xiàn)的美國阿爾特拉來(lái)說(shuō)，最大的課題是低成本化。原因是如果不能將設備廠(chǎng)商所負擔的系統成本，降至與電布線(xiàn)同等以下的水平，那么就沒(méi)有把握實(shí)現普及。

　　美國阿爾特拉的系統成本降低措施之一是FPGA封裝和光布線(xiàn)之間的連接方法。具體而言，是經(jīng)由連接器直接將光纖線(xiàn)纜連接到半導體封裝上。此時(shí)不會(huì )使所有布線(xiàn)均實(shí)現光纖化，只有需要超高速傳輸的布線(xiàn)部分才采用光纖傳輸，其余的信號等仍采用傳統的電布線(xiàn)進(jìn)行傳輸。

　　采用這種方法的原因是主板中無(wú)需使用特殊的印刷基板和材料。阿爾特拉(日本)表示，“如果想利用印刷基板布線(xiàn)來(lái)封裝光纖傳輸，就需要大幅改變傳統電布線(xiàn)使用的基板構造，或采用特殊的基板材料。而我們的方法只有光纖接口部分采用光纖線(xiàn)纜進(jìn)行傳輸，因此不存在這種擔心，可將成本抑制在最小限度”。

　　美國阿爾特拉今后將會(huì )在業(yè)界廣泛倡導LSI用光布線(xiàn)。原因是要想大力發(fā)展配備光纖接口的FPGA，就必須切實(shí)準備好連接器等支持部件。阿爾特拉(日本)表示，“我們已經(jīng)開(kāi)始與連接器廠(chǎng)商等就光布線(xiàn)進(jìn)行業(yè)務(wù)合作”。

　　針對記者提出的、FPGA封裝內部配備的光電轉換電路是由美國阿爾特拉自己開(kāi)發(fā)、與其他公司共同開(kāi)發(fā)，還是由其他公司提供技術(shù)的提問(wèn)，阿爾特拉(日本)表示“現在不便透露”。