Sistemas de Comunicaciones de Alta Velocidad en CI CMOS Hugo Carrer Marzo 2011 Temario 1. Tecnico Comunicaciones Digitales, un pantallazo Problema a resolver Esquema del flujo de diseño Ciclo de vida 2. No tan tecnico Donde se desarrolla esta tecnologia Quienes son los clientes para esta tecnologia ¿Que se hace en Argentina? SASE Marzo 2011 Pag. 1 ¿Que son las CD? Transmitir informacion digital de manera confiable de un punto a otro del espacio o del tiempo TRANSMISOR SASE Marzo 2011 CANAL RECEPTOR Pag. 2 Algunos Ejemplos Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m] ▽ SASE Marzo 2011 Pag. 3 Algunos Ejemplos Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m] Bus SCSI ▽ SASE Marzo 2011 Pag. 3 Algunos Ejemplos Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m] Bus SCSI HDD y SSD ▽ SASE Marzo 2011 Pag. 3 Algunos Ejemplos Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m] Bus SCSI HDD y SSD Red LAN UTP ▽ SASE Marzo 2011 Pag. 3 Algunos Ejemplos Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m] Bus SCSI HDD y SSD Red LAN UTP CD/DVD ▽ SASE Marzo 2011 Pag. 3 Algunos Ejemplos Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m] Bus SCSI HDD y SSD Red LAN UTP CD/DVD WiFi ▽ SASE Marzo 2011 Pag. 3 Algunos Ejemplos Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m] Bus SCSI HDD y SSD Red LAN UTP CD/DVD WiFi ADSL ▽ SASE Marzo 2011 Pag. 3 Algunos Ejemplos Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m] Bus SCSI HDD y SSD Red LAN UTP CD/DVD WiFi ADSL Celulares ▽ SASE Marzo 2011 Pag. 3 Algunos Ejemplos Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m] Bus SCSI HDD y SSD Red LAN UTP CD/DVD WiFi ADSL Celulares Anillos Metro ▽ SASE Marzo 2011 Pag. 3 Algunos Ejemplos Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m] Bus SCSI HDD y SSD Red LAN UTP CD/DVD WiFi ADSL Celulares Anillos Metro Enlaces de Largo Aliento ▽ SASE Marzo 2011 Pag. 3 Algunos Ejemplos Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m] Bus SCSI HDD y SSD Red LAN UTP CD/DVD WiFi ADSL Celulares Anillos Metro Enlaces de Largo Aliento GPS ▽ SASE Marzo 2011 Pag. 3 Algunos Ejemplos Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m] Bus SCSI HDD y SSD Red LAN UTP CD/DVD WiFi ADSL Celulares Anillos Metro Enlaces de Largo Aliento GPS TV Satelital ▽ SASE Marzo 2011 Pag. 3 Algunos Ejemplos Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m] Bus SCSI HDD y SSD Red LAN UTP CD/DVD WiFi ADSL Celulares Anillos Metro Enlaces de Largo Aliento GPS TV Satelital Sondas de espacio profundo [1.5 × 1013 m] SASE Marzo 2011 Pag. 3 Un Ejemplo SASE Marzo 2011 Pag. 4 ¿Que cosas se busca mejorar? VELOCIDAD DESEMPEÑO CONFIABILIDAD SASE Marzo 2011 PRECIO Pag. 5 Velocidad, Confiabilidad, Precio La necesidad de los usuarios de mayores velocidades de transmision es permanente y no parece tener limites. Segun la revista Spectrum de la IEEE la demanda de BW global crecio un %65 el ultimo año. [Tb/s] Desde el punto de vista de los usuarios la confiabilidad debe ser del 100% [BER=1e-18] (HDD ≈ 1 error cada 3 años) La necesidad de bajar el precio de los productos lleva a bajar el costo de los componentes La calidad de la señal recibida SIEMPRE empeora SASE Marzo 2011 Pag. 6 Problema a Resolver Fibra Optica 0km 1.5 0km 1 Amplitud 0.5 0 −0.5 −1 −1.5 SASE Marzo 2011 0 2000 4000 6000 Muestra nro. 8000 10000 Pag. 7 Problema a Resolver Fibra Optica 100km 3 100km 2 Amplitud 1 0 −1 −2 −3 SASE Marzo 2011 0 2000 4000 6000 Muestra nro. 8000 10000 Pag. 8 Problema a Resolver Fibra Optica 3000km 4 3000km 3 Amplitud 2 1 0 −1 −2 −3 SASE Marzo 2011 0 2000 4000 6000 Muestra nro. 8000 10000 Pag. 9 Herramientas Matematicas Equalizacion: FFE DFE MLSE FFT based etc. Codigos: Reed-Solomon BCH Convolucionales LDPC etc. Combinados: Turbo Codigos Iterativos SASE Marzo 2011 Pag. 10 Implementacion Todos estos algoritmos son complejos y de elevada carga numerica Dependiendo de la velocidad de transmision pueden implementarse como: Programas en un µP Logica digital en una FPGA Logica digital en un ASIC Combinaciones de lo anterior SASE Marzo 2011 Pag. 11 Fujo de Diseño SASE Marzo 2011 Pag. 12 Diseño del Sistema Pasos a Seguir: Generar un modelo matematico del canal Estudiar la literatura Simular el canal y las diferentes arquitecturas posibles Seleccionar los mejores candidatos SASE Marzo 2011 Pag. 13 Seleccion de la Arquitectura Basados en: Los resultados de simulacion de alto nivel Implementabilidad de los algoritmos en la tecnologia seleccionada Literatura Experiencia previa Se selecciona y detalla la arquitectura a implementar Se generan las especificaciones analogicas SASE Marzo 2011 Pag. 14 Sistemas Analogicos Diseño de los circuitos a partir de las especificaciones Circuitos tipicos en estos sistemas: T&H Comparadores Fuentes de corriente y tension PLL Flip-Flops Osciladores Drivers Simulacion de los esquematicos Layout Simulacion de circuitos extracted Integracion SASE Marzo 2011 Pag. 15 Implementacion Modelo del DSP de gran precision (clock & bit) Generacion del codigo RTL (Verilog, VHDL) Verificacion del codigo RTL Sintesis por bloques Integracion Sintesis conjunta SASE Marzo 2011 Pag. 16 Implementacion (cont.) Floorplanning Place and Route Iteraciones Integracion con los sistemas analogicos Verificaciones de potencia Verificaciones de densidad de corriente Verificaciones de interferencia Verificaciones de funcionalidad Verificaciones formales Tape Out SASE Marzo 2011 Pag. 17 Verificacion del Dispositivo Diseño de los tests de verificacion Diseño de la placa de evaluacion Bring up Analogico Bring up Digital SASE Marzo 2011 Pag. 18 Lo Peor que Puede Pasar ▽ SASE Marzo 2011 Pag. 19 Lo Peor que Puede Pasar Dead Silicon SASE Marzo 2011 Pag. 19 Caracterizacion ¿Cumple con las especificaciones y con los requerimientos del cliente? Performance Potencia Normas Confiabilidad Compatibilidad SASE Marzo 2011 Pag. 20 ¿Como Seguimos? ▽ SASE Marzo 2011 Pag. 21 ¿Como Seguimos? ¿Todo Bien? Mascaras de produccion Diseño de tests para AT ▽ SASE Marzo 2011 Pag. 21 ¿Como Seguimos? ¿Todo Bien? Mascaras de produccion Diseño de tests para AT ¿Algun Problema? Metal Fix Respin Mas drastico SASE Marzo 2011 Pag. 21 Herramientas Necesarias Comunicaciones digitales DSP Circuitos digitales Circuitos analogicos Circuitos CMOS Manejo de las herramientas de CAD Acceso al kit de proceso Equipos de medicion Un cliente o inversor SASE Marzo 2011 Pag. 22 Caso Testigo: 40Gbps ASIC Hasta hace muy poco tiempo, los receptores para comunicaciones opticas se limitaban a detectar pulsos y recuperar reloj Circuitos analogicos de alta velocidad pero muy simples Ausencia de funciones de procesamiento electronico de señales En los ultimos 5 años las comunicaciones opticas han comenzado a usar complejos receptores basados en Procesamiento Digital de Señales para compensar las imperfecciones del canal optico, tales como dispersion cromatica, ruido, etc. SASE Marzo 2011 Pag. 23 Modulacion El metodo mas comun consiste en modular la intensidad de la luz transmitida El receptor detecta la potencia optica recibida y la convierte en una corriente mediante un fotodetector No se puede transmitir informacion de fase ni de polarizacion, lo cual hace que este metodo sea suboptimo Un metodo alternativo es el de la modulacion coherente En este metodo se modula la amplitud, fase y polarizacion de la señal optica Al tener mas informacion sobre la señal, no solamente se puede transmitir mas informacion, sino que se pueden compensar mejor las imperfecciones del canal de transmision SASE Marzo 2011 Pag. 24 Imperfecciones del Canal SASE Marzo 2011 Pag. 25 Imperfecciones del Canal Dispersion cromatica: Causada por la dependencia del indice de refraccion con respecto a la longitud de onda. Depende del ancho de linea del laser. Por ejemplo, para 300km de fibra y un laser de 1550nm con un ancho de linea de 0.1nm, la dispersion es 17x0.1x300=510ps (aproximadamente 5 simbolos a 10Gbaudios) Dispersion modal de polarizacion: Causada por la birrenfringencia. Si el pulso de entrada exita ambas componentes de polarizacion, el mismo se ensancha debido a que las componentes tienen diferentes velocidades de grupo. La birrenfringencia varia aleatoriamente a lo largo de la fibra. Ambos efectos, la PMD y el estado de polarizacion del laser son no estacionarios SASE Marzo 2011 Pag. 26 Imperfecciones del Canal SASE Marzo 2011 Pag. 27 Imperfecciones del Canal Los amplificadores opticos introducen un tipo de ruido conocido como Emision Espontanea Amplificada (Amplified Spontaneous Emission, o ASE) El ruido ASE se modela como ruido blanco Gaussiano complejo El ruido de fase del laser se modela como un proceso Wiener, la fase resultante es la integral de un proceso Gaussiano blanco de media cero con una densidad espectral de potencia 2π∆ν donde ∆ν es el parametro de ancho de linea del laser, tipicamente en el rango de 1MHz para laseres DFB y 10-100KHz para laseres de cavidad externa (ECL) SASE Marzo 2011 Pag. 28 Una solucion SASE Marzo 2011 Pag. 29 ROSA y TOSA SASE Marzo 2011 Pag. 30 Etapas Analogicas SASE Marzo 2011 Pag. 31 Etapas de DSP SASE Marzo 2011 Pag. 32 Bulk Chromatic Disp. Equalizer SASE Marzo 2011 Pag. 33 Bulk Chromatic Disp. Equalizer Suponiendo que la longitud de respuesta al Impulso es 128T (256 muestras a T/2) El bloque de entrada consiste en 256 muestras a T/2 El tamaño de la FFT es 512 El filtro se implementa en el dominio de la frecuencia utilizando el metodo overlap and save El tamaño del bloque es el doble del bloque de entrada, o 512 muestras complejas La mitad de estas muestras provienen de un nuevo bloque de entrada y la otra mitad son repeticion del bloque de entrada previo SASE Marzo 2011 Pag. 34 Feed Forward Equalizer SASE Marzo 2011 Pag. 35 Floorplan del CL4010 SASE Marzo 2011 Pag. 36 ¿Donde se Hacen estos ASIC? Diseño EEUU EUROPA ASIA ARGENTINA Fabricacion ASIA SASE Marzo 2011 Pag. 37 ¿Quienes son los Clientes? Integradores: CISCO Huawei NSN NEC Oclaro JDSU etc. Global Carriers: AT&T Telmex Nortel etc. SASE Marzo 2011 Pag. 38 ¿Que se puede hacer en la Argentina? ▽ SASE Marzo 2011 Pag. 39 ¿Que se puede hacer en la Argentina? Diseño ▽ SASE Marzo 2011 Pag. 39 ¿Que se puede hacer en la Argentina? Diseño Fabricacion ▽ SASE Marzo 2011 Pag. 39 ¿Que se puede hacer en la Argentina? Diseño Fabricacion Testing SASE Marzo 2011 Pag. 39 Clariphy Argentina S.A. CASA SASE Marzo 2011 Pag. 40 Algunos Temas Quienes somos Que hemos hecho Que podemos hacer Que planeamos hacer SASE Marzo 2011 Pag. 41 Quienes Somos ClariPhy Argentina S.A. (CASA) fué creada en el 2004 por un grupo de investigadores del Laboratorio de Comunicaciones Digitales de la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales de la UNC Si bien esta asociada con una empresa extranjera, CASA es una empresa netamente argentina CASA considera que una parte muy importante de su misión es contribuir al desarrollo tecnológico de nuestro país CASA cumple esa misión en base a acuerdos de colaboracion con entidades locales de investigación y desarrollo y en base a la creación de oportunidades técnicas para los ingenieros argentinos SASE Marzo 2011 Pag. 42 Quienes somos Empresa privada dedicada al diseño de CI para las telecomunicaciones Existencia formal desde el 3er. trimestre de 2006 (8 empleados) Certificacion ISO9001 del proceso productivo a finales de 2007 Estrecha relacion con las Universidades (UNC, UNS, UCC, etc.) Pasantias Becas Cursos de capacitacion Publicaciones A la fecha somos 33 Tecnicos 3 Administrativos SASE Marzo 2011 Pag. 43 Que hemos hecho Canales Opticos 6 tape outs exitosos de CI mixtos (Analogico/Digital) para enlaces de 10Gbps (90 y 65 nm TSMC) A 90nm CMOS DSP MLSD Transceiver with Integrated AFE for Electronic Dispersion Compensation of Multi-mode Optical Fibers at 10Gb/s (ISSCC 2008) Canal Magnetico 3Gbps Emulador de Read Channel en FPGA SASE Marzo 2011 Pag. 44 RT L Ba ck Dis .A na. Lay .A na. Bri ng up GU I As ist. Cli ent Ca es rac t. Ha rdw are w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w CL1010 (90nm) CL1011 (65nm) CL1161 (65nm) CL1011C (65nm) CL1040 (40nm) CL4010 (40nm) MaRP (FPGA) SASE Marzo 2011 En d tem as Sis Que Podemos Hacer Emulador de Read Channel en FPGA Pag. 45 Que Planeamos Hacer Diseño del Hardware Chip Lead (Ya tenemos el control del Top Level Digital) Un CI completo en CASA Continuar creciendo SASE Marzo 2011 Pag. 46 Contacto Hugo S. Carrer hugo.carrer@clariphy.com.ar http://www.clariphy.com.ar SASE Marzo 2011 Pag. 47