Konzepte und Systeme Andreas Zeiser Ausgewählte Themen in Hardwareentwurf und Optik Universität Mannheim WS 2003/04
Übersicht Einführung Grundlagen und Komponenten Konzepte Zusammenfassung / Ausblick Andreas Zeiser 1
Definition Backplane: Verbindung steckbarer Platinen Funktion passiv oder aktiv Signalwege < 1 m Fairchild Semiconductor: Backplane Designer s Guide Andreas Zeiser 2
Technologischer Fortschritt Entwicklung der letzten drei Jahre: Prozessortakt: x 4 > 3 GHz Netzwerk: x 10 100 Mbps 1 Gbps Backplane: x 2 PCI 66 PCI-X 133 die Backplane entwickelt sich immer mehr zum Flaschenhals Andreas Zeiser 3
PCI-Bus Parallel (Anfang der 90er bis heute) Architektur Busbreite (Bit) Busfrequenz (MHz) Busbandbreite (Gbps) PCI 32 33 1 PCI / PCI-X 66 4 PCI-X PCI-X 64 100 133 6 8 PCI-X 2.0 266 16 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
Probleme elektrischer Backplanes durch steigende Frequenz zunehmend: Abstrahlung Übersprechen benachbarter Leitungen Skin Effekt Signaldämpfung Fairchild Semiconductor: Backplane Designer s Guide Andreas Zeiser 5
PC Bussysteme Intel: PCI Express Ethernet Networking Andreas Zeiser 6
Übersicht Einführung Grundlagen und Komponenten Konzepte Zusammenfassung / Ausblick Andreas Zeiser 7
Optische Backplane - Schema µc µc µc µc SERDES SERDES SERDES SERDES Transceiver Transceiver Transceiver Transceiver Wellenleiter Andreas Zeiser 8
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
Wellenleiter - Moden Wellentheoretische Betrachtung: nur diskrete Ausbreitungswinkel möglich - sogenannte Moden achsparalleler Strahl nicht ausbreitungsfähig Anzahl der geführten Moden: M 1 2 2 π D NA λ M D NA λ = Anzahl der geführten Moden = Kerndurchmesser 2 2 = numerische Apertur = nk n m = Vakuumwellenlänge Andreas Zeiser 10
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
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
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
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
Wellenleiter - Herstellung Hot Embossing CD- / DVD-Herstellung Strukturgrößen von 100 nm möglich n k n m Polymerfolie mit integrierten Wellenleitern Andreas Zeiser 15
Herstellungsprozess - Stempel UV Licht Maske Bestrahlung Photoresist Grundplatte Entwicklung Galvanoformung Metallschicht Andreas Zeiser 16
Herstellungsprozess - Wellenleiter Stempel Heißprägung Polymerfolie Auffüllung von Kern und Mantel n m n k n m Andreas Zeiser 17
Wellenleiter - Strukturen Krümmungen Kreuzung Verlust [db/cm] Sternkoppler Krümmungsradius [mm] Moisel et al.: Optical Backplanes with integrated polymer wavguides Andreas Zeiser 18
Laser Resonator L = k λ Material 2 aktive Zone Spiegel Spiegel Bedingung für Laserbetrieb: Verstärkung > Verluste Andreas Zeiser 19
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
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
Übersicht Einführung Grundlagen und Komponenten Konzepte Zusammenfassung / Ausblick Andreas Zeiser 22
PAROLI Backplane - Schema A. Beier: Backplane Interconnections with Parallel Optics Andreas Zeiser 23
PAROLI Backplane Infineon: PAROLI Backplane Solution Andreas Zeiser 24
PAROLI Modul Sende- oder Empfangsmodule 12 Kanäle @ 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
Verbindungen Board-to-Board Faserlänge < 1 m Rack-to-Rack Faserlänge < 250 m A. Beier: Backplane Interconnections with Parallel Optics Andreas Zeiser 26
Faseroptik vs. integrierte WL J. Moisel: für Anwendungen in Luft- und Raumfahrt Andreas Zeiser 27
PAROLI Backplane - aktuell Infineon: PAROLI Backplane Solution Andreas Zeiser 28
Microchannel Interconnect Platinen Transceiver Phasengitter Wellenleiterplatte Sender: Phasengitter teilt Strahl unter bestimmtem Winkel Empfänger: Phasengitter koppelt Teil der Strahls aus Andreas Zeiser 29
Microchannel Interconnect Kim et al.: 8-Gb/s Optical Backplane Bus Andreas Zeiser 30
Microchannel Interconnect Kim et al.: 8-Gb/s Optical Backplane Bus Andreas Zeiser 31
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
Blackplane Daimler Chrysler Daimler Chrsyler: Optical Backplane Andreas Zeiser 33
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: 15-20 db 16 Port Sternkoppler Ausgänge 12dB geschwächt Daimler Chrsyler: Optical Backplane Andreas Zeiser 34
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
Blackplane - Ringtopologie Moisel et al.: Optical Backplanes with integrated polymer wavguides Andreas Zeiser 36
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
Einlaminierter Wellenleiter Elmar Griese: Optische Intra-Board-Verbindungen Andreas Zeiser 38
Übersicht Einführung Grundlagen und Komponenten Konzepte Zusammenfassung / Ausblick Andreas Zeiser 39
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
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 http://www2.hs-harz.de/~ufischerhirchert/itg/papers/scheel%20eocb%20itg%20wernigerode%20vortrag.pdf The Great Gigabit Backplane Shootout - Question #13 (http://www.analogzone.com/io_shoot_13.htm) Andreas Zeiser 41