Konzepte und Systeme

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1 Konzepte und Systeme Andreas Zeiser Ausgewählte Themen in Hardwareentwurf und Optik Universität Mannheim WS 2003/04

2 Übersicht Einführung Grundlagen und Komponenten Konzepte Zusammenfassung / Ausblick Andreas Zeiser 1

3 Definition Backplane: Verbindung steckbarer Platinen Funktion passiv oder aktiv Signalwege < 1 m Fairchild Semiconductor: Backplane Designer s Guide Andreas Zeiser 2

4 Technologischer Fortschritt Entwicklung der letzten drei Jahre: Prozessortakt: x 4 > 3 GHz Netzwerk: x Mbps 1 Gbps Backplane: x 2 PCI 66 PCI-X 133 die Backplane entwickelt sich immer mehr zum Flaschenhals Andreas Zeiser 3

5 PCI-Bus Parallel (Anfang der 90er bis heute) Architektur Busbreite (Bit) Busfrequenz (MHz) Busbandbreite (Gbps) PCI PCI / PCI-X 66 4 PCI-X PCI-X PCI-X Seriell (für 2004 angekündigt) Architektur Busbreite (Bit) Busfrequenz (GHz) Busbandbreite (Gbps) PCI Express - x1 1 2,5 2,5 Punkt-zu-Punkt Verbindungen zwei differentielle Leitungspaare höhere Bandbreite durch - Vorverstärkung - Adaption Andreas Zeiser 4

6 Probleme elektrischer Backplanes durch steigende Frequenz zunehmend: Abstrahlung Übersprechen benachbarter Leitungen Skin Effekt Signaldämpfung Fairchild Semiconductor: Backplane Designer s Guide Andreas Zeiser 5

7 PC Bussysteme Intel: PCI Express Ethernet Networking Andreas Zeiser 6

8 Übersicht Einführung Grundlagen und Komponenten Konzepte Zusammenfassung / Ausblick Andreas Zeiser 7

9 Optische Backplane - Schema µc µc µc µc SERDES SERDES SERDES SERDES Transceiver Transceiver Transceiver Transceiver Wellenleiter Andreas Zeiser 8

10 Wellenleiter - strahlenoptisch Lichtführung durch innere Totalreflexion n k > n m >n e n e n m υ e υ k n k ϑ k, max = n arccos n m k n m ϑ = e,max arcsin n k sinϑ n e k, max NA = 2 2 n k n m Numerische Apertur (Maß für äußeren Maximalwinkel) Andreas Zeiser 9

11 Wellenleiter - Moden Wellentheoretische Betrachtung: nur diskrete Ausbreitungswinkel möglich - sogenannte Moden achsparalleler Strahl nicht ausbreitungsfähig Anzahl der geführten Moden: M π D NA λ M D NA λ = Anzahl der geführten Moden = Kerndurchmesser 2 2 = numerische Apertur = nk n m = Vakuumwellenlänge Andreas Zeiser 10

12 Monomode vs. Multimode Monomode NA: 0,1 0,13 Kern: 5 µm Bandbreite-Länge-Produkt: 5 THz x km Einkopplung schwierig Multimode NA: 0,2 0,5 Kern: 50 µm (Glasfaser) 100 µm 3000 µm (Polymerfaser) Bandbreite-Länge-Produkt: 500 MHz x km (Glasfaser) Andreas Zeiser 11

13 Modendispersion Bandbreite physikalisch durch Modendispersion begrenzt Laufzeitdifferenz des längsten und kürzesten Strahls durch den Kern n m υmax n k n m τ max = L cosϑ c n k max L c n k = L n c k n k n n m m =... L 2 NA c n k 2 ϑ = arccos n max n m k Andreas Zeiser 12

14 Maximale Bandbreite für annähernd Gaußsche Pulsformen: 0,443 0,886 c nk 1 B max 2 NA τ L max Beispiel: Acrylglas (PMMA): n k = 1,49 NA = 0,2 BLP = 9,9 GHz x m Andreas Zeiser 13

15 Multimode Polymerwellenleiter großer Kerndurchmesser Verbindungstechnik kostengünstig billiger als Glasfasern BLP von 17 GHz x m möglich (Low-NA-POF) hohe Dämpfung im Vergleich zu Glasfasern lokales Minimum bei 850 nm: 0,03 db/cm bei Glasfasern 0,8 db/km Andreas Zeiser 14

16 Wellenleiter - Herstellung Hot Embossing CD- / DVD-Herstellung Strukturgrößen von 100 nm möglich n k n m Polymerfolie mit integrierten Wellenleitern Andreas Zeiser 15

17 Herstellungsprozess - Stempel UV Licht Maske Bestrahlung Photoresist Grundplatte Entwicklung Galvanoformung Metallschicht Andreas Zeiser 16

18 Herstellungsprozess - Wellenleiter Stempel Heißprägung Polymerfolie Auffüllung von Kern und Mantel n m n k n m Andreas Zeiser 17

19 Wellenleiter - Strukturen Krümmungen Kreuzung Verlust [db/cm] Sternkoppler Krümmungsradius [mm] Moisel et al.: Optical Backplanes with integrated polymer wavguides Andreas Zeiser 18

20 Laser Resonator L = k λ Material 2 aktive Zone Spiegel Spiegel Bedingung für Laserbetrieb: Verstärkung > Verluste Andreas Zeiser 19

21 VCSEL - Aufbau VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) Spiegel: jeweils 20 Schichten 99,5 % Reflexivität 6-8 µm Kontakt: Au / Ni Spiegel: p- GaAs / AlAs 10 µm 10 nm aktiver Bereich: GaAs Spiegel: n- GaAs / AlAs Substrat: n-gaas bottom emitting Andreas Zeiser 20

22 VCSEL - Beschreibung Wellenlänge: 850 nm Übertragungsraten bis 12,5 Gbps Massenfertigung auf Wafer Schichten durch Epitaxieverfahren zweidimensionale Arrays möglich rundes Strahlprofil leicht fokussierbar Montage: Flip-Chip Bonding auf CMOS-Treiberschaltungen Andreas Zeiser 21

23 Übersicht Einführung Grundlagen und Komponenten Konzepte Zusammenfassung / Ausblick Andreas Zeiser 22

24 PAROLI Backplane - Schema A. Beier: Backplane Interconnections with Parallel Optics Andreas Zeiser 23

25 PAROLI Backplane Infineon: PAROLI Backplane Solution Andreas Zeiser 24

26 PAROLI Modul Sende- oder Empfangsmodule 12 2,5 Gbps Abmessungen: 7 x 2 cm mechanischer Ausgleich Bauteilpositionierung Platinenabmessungen Platinenführung im Rack A. Beier: Backplane Interconnections with Parallel Optics Andreas Zeiser 25

27 Verbindungen Board-to-Board Faserlänge < 1 m Rack-to-Rack Faserlänge < 250 m A. Beier: Backplane Interconnections with Parallel Optics Andreas Zeiser 26

28 Faseroptik vs. integrierte WL J. Moisel: für Anwendungen in Luft- und Raumfahrt Andreas Zeiser 27

29 PAROLI Backplane - aktuell Infineon: PAROLI Backplane Solution Andreas Zeiser 28

30 Microchannel Interconnect Platinen Transceiver Phasengitter Wellenleiterplatte Sender: Phasengitter teilt Strahl unter bestimmtem Winkel Empfänger: Phasengitter koppelt Teil der Strahls aus Andreas Zeiser 29

31 Microchannel Interconnect Kim et al.: 8-Gb/s Optical Backplane Bus Andreas Zeiser 30

32 Microchannel Interconnect Kim et al.: 8-Gb/s Optical Backplane Bus Andreas Zeiser 31

33 Microchannel Interconnect Bandbreitenerhöhung durch 2 x 2 VCSEL Arrays Divergenz der Strahlen Übersprechen auf andere Kanäle detektierbare Signalenergie geht verloren Kim et al.: 8-Gb/s Optical Backplane Bus Andreas Zeiser 32

34 Blackplane Daimler Chrysler Daimler Chrsyler: Optical Backplane Andreas Zeiser 33

35 Blackplane Daten Freiraumkopplung über aufgeweiteten Strahl 0,6 mm seitlicher Versatz tolerierbar Stromzuführungen bringen nötige Ausrichtung Wellenleiter: 250 µm x 200 µm Dämpfung: 0,03 db / cm 10 Gbps / Kanal Transciever Power Budget: db 16 Port Sternkoppler Ausgänge 12dB geschwächt Daimler Chrsyler: Optical Backplane Andreas Zeiser 34

36 Blackplane - bidirektional Moisel et al.: Optical Backplanes with integrated polymer wavguides Wellenleiterdämpfung (10 cm) Krümmungsverlust Kreuzungsverlust 94% Mikrospiegelreflexivität (2x) Höhendifferenz WL/Spiegel 6 Oberflächen Gesamt 0,3 db 0,9 db 0,8 db 0,5 db 0,4 db 1,1 db 4,0 db Andreas Zeiser 35

37 Blackplane - Ringtopologie Moisel et al.: Optical Backplanes with integrated polymer wavguides Andreas Zeiser 36

38 Intra-Board Board-Verbindungen integriertes optisches Layer besondere Anforderungen an das Wellenleitermaterial einfache Einlaminierung hoher Druck und hohe Temperatur integrierte mikromechanische Positionierhilfen Kern: 100 µm x 100 µm Elmar Griese: Optische Intra-Board-Verbindungen Andreas Zeiser 37

39 Einlaminierter Wellenleiter Elmar Griese: Optische Intra-Board-Verbindungen Andreas Zeiser 38

40 Übersicht Einführung Grundlagen und Komponenten Konzepte Zusammenfassung / Ausblick Andreas Zeiser 39

41 Zusammenfassung / Ausblick 10 Gbps / Kanal optisch heute schon realisierbar Steigerung z.b. durch coarse WDM SERDES-Hersteller 2001 zum Thema optische Backplanes: um Größenordnungen teurer schwieriger herzustellen brauchen mehr Leistung Wettlauf: Optik-Hersteller: Kosten reduzieren IC-Hersteller: Signalintegrität sicherstellen Für 5/10/20 Gbps sind Kupferalternativen realisierbar Elektrische Backplanes noch mindestens weitere 10 Jahre Andreas Zeiser 40

42 Quellenverzeichnis E. Voges: Optische Kommunikationstechnik (2002) Fairchild Semiconductor: Backplane Designer s Guide (2002) Intel: PCI Express Ethernet Networking (2003) M. Kufner: Bauelemente der Optoelektronik (2002) U. Krackhardt: Elektrische und Optische Signalübertragung (2003) Optik in der Rechentechnik - Tagungsband 2002 A.Beier, H. Hoffmeister: Backplane Interconnects with Parallel Optics Moisel et al.: 10 Gbps Data Transmission Experiments over Optical Backplane Waveguides... J. Moisel: Optical Backplanes in avionics and telecommunication Optik in der Rechentechnik - Tagungsband 2000 Elmar Griese: Optische Intra-Board Verbindungen J. Moisel: für Anwendungen in Luft- und Raumfahrt Optical Engineering, Vol. 39 No. 3, März 2000 Moisel et al.: Optical Backplanes with integrated polymer wavguides Daimler Chrysler: Optical Backplanes for high-performance computers G. Kim, X.Han, R. Chen: A Method for Rebroadcasting Signals in an Optical Backplane Bus System (2001) An 8-Gb/s Optical Backplane Bus Based on Microchannel Interconnects... (2000) W. Scheel: EOCB Œ die 5. Leiterplattengeneration The Great Gigabit Backplane Shootout - Question #13 ( Andreas Zeiser 41