Wdrożenie sieci 5G przyczyni się do ogromnego postępu w komunikacji — 10-krotnego zwiększenia przepustowości i 50-krotnego zmniejszenia opóźnień. Aby osiągnąć tak znaczącą poprawę, w szybkim tempie opracowywane są różne technologie, w tym urządzenia i komponenty używane w centrach danych. Jednym z przykładów są transceivery optyczne odpowiedzialne za łączenie i translację danych (przesyłanych światłowodami) na sygnały elektryczne.
W 2020 roku będą, póki co, używane moduły o szybkości transmisji danych równej 100 Gbit/s. Jednak wykorzystanie modułów 400 Gbit/s szybko rośnie, a te obsługujące 800 Gbit/s są obecnie w fazie rozwoju. Sieci 400 Gbit/s i 800 Gbit/s o zwiększonej przepustowości stawiają wyższe wymagania modułom optycznym oraz będącym częścią mechanizmu oscylatorom. Urządzenia te muszą mieć większe parametry, bardziej kompaktową konstrukcję, niższą moc i mniejszy jitter, niż ich poprzednicy. Moduły optyczne są używane w każdym punkcie optycznej sieci szkieletowej wraz z posiadającymi dużą szybkość transmisji danych transceiverami wymaganymi w sieciach metropolitalnych i centrach danych.
Centra danych o hiper skali są jednymi z największych czynników wpływających na zwiększenie przepustowości sieci optycznych. 5G wymaga, także przesyłania i obliczania dużych ilości informacji. Aby było to możliwe, centra danych muszą używać modułów optycznych o coraz większej pojemności. Wspomniana uprzednio hiper skala odnosi się do pełnego połączenia sprzętu i udogodnień, które można wykorzystać do rozszerzenia rozproszonego środowiska obliczeniowego do tysięcy serwerów. W hiper skali możliwe jest osiągnięcie ogromnego skalowania w obliczeniach — zwykle w przypadku dużych zbiorów danych lub przetwarzania w chmurze. Infrastruktura hiper skali została zaprojektowana z myślą o skalowalności poziomej i zapewnia ogromny poziom wydajności, przepustowości i nadmiarowości, co gwarantuje odporność na awarie i wysoką dostępność. Masowo skalowalne architektury serwerów i sieci wirtualne są często używane w obliczeniach odnoszących się do hiper skali.
Energia wymagana do obsługi centrów danych jest ogromna i kosztowna. Niektórzy eksperci branżowi oczekują, że jednostki obsługujące przepływ informacji będą odpowiadać za 8% globalnego zużycia zasobów elektrycznych do 2030 roku. Mówi się, że moduły optyczne znacznie poprawią przepustowość przy niewielkim dodatkowym zużyciu energii. Pomijając inne zastosowania komunikacyjne o dużej przepustowości centra danych poszerzają granice technologii modułów optycznych i stawiają wyższe wymagania technologii oscylatorów.
Zadaniem modułu optycznego jest konwersja przychodzących sygnałów optycznych na sygnały elektryczne oraz przetworzenie wychodzących sygnałów elektrycznych na format optyczny w celu ich bezbłędnego transportu włóknem światłowodowym. Rodzi to złożony problem synchronizacji dwóch domen w czasie — sieci optycznej i chipsetu na płycie głównej. To sprawia, że precyzyjna synchronizacja jest jednym z najważniejszych czynników w module optycznym. Komponent, który jest odpowiedzialny za wypełnienie tej roli i generację zegara na podstawie sygnału optycznego wymaga do działania zegara odniesienia, który przy zwiększaniu szybkości transmisji danych ze 100 Gbit/s do 400 Gbit/s i 800 Gbit/s będzie mieć coraz mniejszy jitter.
Wraz z rozpoczęciem korzystania z modułów 400 Gbit/s, jitter fazowy oscylatora odniesienia staje się coraz bardziej krytyczny. Jitter fazowy RMS jest zwykle obliczany przez całkowanie szumu fazowego na częstotliwościach przesunięcia w zakresie od 12 kHz do 20 MHz. Oscylator różnicowy SiT9501 firmy SiTime charakteryzuje się szumem fazowym na poziomie –87 dBc/Hz przy częstotliwości offsetu 100 Hz i –170 dBc/Hz przy częstotliwości offsetu 400 MHz. Po przecałkowaniu szumu fazowego wyznaczyć można wartość jittera fazy RMS jako równą 70 femtosekund (fs) przy częstotliwości zegara 156,25 MHz. Jitter fazowy RMS oscylatora określa ilościowo odchylenie krawędzi zegara. Jitter fazy RMS w zegarach odniesienia, które sterują modułami optycznymi jest szczególnie ważny, ponieważ zwiększa jitter w szeregowym strumieniu danych przepływającym przez moduł i może powodować błędy, jeżeli jitter jest zbyt duży. Gdyż przepustowość podwaja się z 400 Gbit/s do 800 Gbit/s, toteż jitter w sygnale powinien proporcjonalnie zmniejszać się o współczynnik 2, aby utrzymać podobny czas.
Rys.1. Schemat blokowy modułu optycznego z oscylatorem SiTime MEMS z niskim jitterem, który synchronizuje retimer PAM4.
Innym ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy obliczaniu fluktuacji fazy jest obecność szumów zakłócających w szumie fazowym. Na pierwszy rzut oka szum fazowy między oscylatorem SiT9501 MEMS a oscylatorem krystalicznym opartym na PLL wydaje się porównywalny, ale po dokładniejszym przyjrzeniu się zakłócenia w opartym na krysztale oscylatorze z pętlą fazową (PLL) stają się wyraźne (patrz rysunek 2). Szum fazowy oscylatora SiT9501 nie ma tych artefaktów, co prowadzi do jittera fazowego RMS wynoszącego tylko 70 fs. Natomiast odwrotnie — oscylator kwarcowy ma całkowity jitter fazowy RMS wynoszący 267 fs. Bez obliczania poziomu zakłóceń fluktuacja fazowa RMS oscylatora kwarcowego wynosi tylko 90 fs, co oznacza, że zakłócenia te stanowią 60% całkowitego jittera. Zaawansowana technologia PLL integer-N firmy SiTime zapewnia mniejszy szum fazowy i niższy jitter bez artefaktów, jakie pokazano na rysunku.
Rys.2. Porównanie szumu fazowego pomiędzy oscylatorem SiT9501 MEMS (jitter RMS: 70,629 femtosekund) i oscylatorem kwarcowym opartym na PLL (z zakłóceniami).
Ponieważ nowoczesne moduły optyczne powinny zwiększać szybkości transmisji danych od 2× do 4×, komponenty zawarte w module muszą zapewniać możliwość poprawy parametrów bez zwiększania wymagań dotyczących zajmowanego na PCB miejsca. Oscylator różnicowy SiT9501 jest optymalnym rozwiązaniem dla projektów 400 Gbit/s i 800 Gbit/s, ponieważ oferuje mniejsze rozmiary z jitterem fazowym wynoszącym zaledwie 70 fs RMS, nie wpływając na wydajność. Ponadto oscylator SiT9501 (w obudowie o wielkości 2,0 mm × 1,6 mm) zawiera w sobie rezystory polaryzacji źródła, co zmniejsza całkowite zapotrzebowanie na miejsce o 50% w porównaniu z obecnie używanymi rozwiązaniami oscylatora kwarcowego o wymiarach 2,5 × 2,0 mm.
Oscylator SiT9501 posiada, również wbudowany stabilizator napięcia, który filtruje zakłócenia zasilania i poprawia integralność sygnałów w projektach modułów. Zmniejszenie wielkości modułu czasowego, dzięki zintegrowanym funkcjom i niewielkim rozmiarom obudowy jest ważne, ponieważ ponad połowa modułu optycznego jest zużywana przez zespół lasera i związaną z nim elektronikę, pozostawiając niewiele miejsca na przetwarzanie sygnału i ścieżkę danych. Oszczędzając miejsce, producenci modułów mogą korzystać z dodatkowych funkcji.
Aby sprostać ścisłym ograniczeniom prądu w modułach optycznych, usunięcie dwóch rezystorów polaryzujących prowadzi do obniżenia poboru prądu o 32 mA. SiT9501 wprowadza, również technologię FlexSwing, która umożliwia fabryczne zaprogramowanie wahań napięcia różnicowego w unikalny sposób, aby spełnić wymagania dla dowolnego chipsetu. FlexSwing pozwala inżynierom na przystosowanie chipsetów niskonapięciowych z niestandardowymi poziomami napięcia do pracy z układem. Dostosowując się do dokładnych wymagań chipsetu, można wyeliminować typowe rozwiązania terminacji, zmniejszając prąd, nawet o 16 mA za pomocą wyjścia LVPECL sprzężonego stałoprądowo.
Rys.3. Porównanie powierzchni i zużycia energii tradycyjnego układu LVPECL z oscylatorem 2520 (po lewej) i układu oscylatora SiT9501 MEMS 2016 ze zintegrowanymi rezystorami polaryzacji źródła LVPECL (po prawej).
Ewolucja modułów optycznych do transmisji danych z prędkościami 400 Gbit/s i 800 Gbit/s napędzana jest obecnie przez nowe technologie i wymaga skoków wydajności bez zwiększania rozmiaru oraz zużycia energii. Co sprawia, że oscylatory są bardziej energooszczędne, zajmują mniej miejsca i generują mniejszy jitter. Dzięki innowacjom, takim jak zintegrowane rezystory polaryzacji i programowalne zakresy napięcia, oscylator różnicowy SiT9501 zmniejsza ogólne wymagania rozmiaru i zużycie energii przy zaledwie 70-fs RMS jitter fazy. Oscylatory MEMS firmy SiTime zapewniają innowacyjne rozwiązanie czasowe, które zaspokoi potrzeby producentów modułów optycznych i wymaga szybkiego skalowania wydajności, aby wspierać płynnie postępy w urządzeniach sieciowych.
Źródło: https://www.eeweb.com/expand-the-performance-limits-of-optical-modules-with-mems-based-oscillator-timing-technology/
W 2020 roku będą, póki co, używane moduły o szybkości transmisji danych równej 100 Gbit/s. Jednak wykorzystanie modułów 400 Gbit/s szybko rośnie, a te obsługujące 800 Gbit/s są obecnie w fazie rozwoju. Sieci 400 Gbit/s i 800 Gbit/s o zwiększonej przepustowości stawiają wyższe wymagania modułom optycznym oraz będącym częścią mechanizmu oscylatorom. Urządzenia te muszą mieć większe parametry, bardziej kompaktową konstrukcję, niższą moc i mniejszy jitter, niż ich poprzednicy. Moduły optyczne są używane w każdym punkcie optycznej sieci szkieletowej wraz z posiadającymi dużą szybkość transmisji danych transceiverami wymaganymi w sieciach metropolitalnych i centrach danych.
Centra danych o hiper skali są jednymi z największych czynników wpływających na zwiększenie przepustowości sieci optycznych. 5G wymaga, także przesyłania i obliczania dużych ilości informacji. Aby było to możliwe, centra danych muszą używać modułów optycznych o coraz większej pojemności. Wspomniana uprzednio hiper skala odnosi się do pełnego połączenia sprzętu i udogodnień, które można wykorzystać do rozszerzenia rozproszonego środowiska obliczeniowego do tysięcy serwerów. W hiper skali możliwe jest osiągnięcie ogromnego skalowania w obliczeniach — zwykle w przypadku dużych zbiorów danych lub przetwarzania w chmurze. Infrastruktura hiper skali została zaprojektowana z myślą o skalowalności poziomej i zapewnia ogromny poziom wydajności, przepustowości i nadmiarowości, co gwarantuje odporność na awarie i wysoką dostępność. Masowo skalowalne architektury serwerów i sieci wirtualne są często używane w obliczeniach odnoszących się do hiper skali.
Energia wymagana do obsługi centrów danych jest ogromna i kosztowna. Niektórzy eksperci branżowi oczekują, że jednostki obsługujące przepływ informacji będą odpowiadać za 8% globalnego zużycia zasobów elektrycznych do 2030 roku. Mówi się, że moduły optyczne znacznie poprawią przepustowość przy niewielkim dodatkowym zużyciu energii. Pomijając inne zastosowania komunikacyjne o dużej przepustowości centra danych poszerzają granice technologii modułów optycznych i stawiają wyższe wymagania technologii oscylatorów.
Zadaniem modułu optycznego jest konwersja przychodzących sygnałów optycznych na sygnały elektryczne oraz przetworzenie wychodzących sygnałów elektrycznych na format optyczny w celu ich bezbłędnego transportu włóknem światłowodowym. Rodzi to złożony problem synchronizacji dwóch domen w czasie — sieci optycznej i chipsetu na płycie głównej. To sprawia, że precyzyjna synchronizacja jest jednym z najważniejszych czynników w module optycznym. Komponent, który jest odpowiedzialny za wypełnienie tej roli i generację zegara na podstawie sygnału optycznego wymaga do działania zegara odniesienia, który przy zwiększaniu szybkości transmisji danych ze 100 Gbit/s do 400 Gbit/s i 800 Gbit/s będzie mieć coraz mniejszy jitter.
Wraz z rozpoczęciem korzystania z modułów 400 Gbit/s, jitter fazowy oscylatora odniesienia staje się coraz bardziej krytyczny. Jitter fazowy RMS jest zwykle obliczany przez całkowanie szumu fazowego na częstotliwościach przesunięcia w zakresie od 12 kHz do 20 MHz. Oscylator różnicowy SiT9501 firmy SiTime charakteryzuje się szumem fazowym na poziomie –87 dBc/Hz przy częstotliwości offsetu 100 Hz i –170 dBc/Hz przy częstotliwości offsetu 400 MHz. Po przecałkowaniu szumu fazowego wyznaczyć można wartość jittera fazy RMS jako równą 70 femtosekund (fs) przy częstotliwości zegara 156,25 MHz. Jitter fazowy RMS oscylatora określa ilościowo odchylenie krawędzi zegara. Jitter fazy RMS w zegarach odniesienia, które sterują modułami optycznymi jest szczególnie ważny, ponieważ zwiększa jitter w szeregowym strumieniu danych przepływającym przez moduł i może powodować błędy, jeżeli jitter jest zbyt duży. Gdyż przepustowość podwaja się z 400 Gbit/s do 800 Gbit/s, toteż jitter w sygnale powinien proporcjonalnie zmniejszać się o współczynnik 2, aby utrzymać podobny czas.
Rys.1. Schemat blokowy modułu optycznego z oscylatorem SiTime MEMS z niskim jitterem, który synchronizuje retimer PAM4.
Innym ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy obliczaniu fluktuacji fazy jest obecność szumów zakłócających w szumie fazowym. Na pierwszy rzut oka szum fazowy między oscylatorem SiT9501 MEMS a oscylatorem krystalicznym opartym na PLL wydaje się porównywalny, ale po dokładniejszym przyjrzeniu się zakłócenia w opartym na krysztale oscylatorze z pętlą fazową (PLL) stają się wyraźne (patrz rysunek 2). Szum fazowy oscylatora SiT9501 nie ma tych artefaktów, co prowadzi do jittera fazowego RMS wynoszącego tylko 70 fs. Natomiast odwrotnie — oscylator kwarcowy ma całkowity jitter fazowy RMS wynoszący 267 fs. Bez obliczania poziomu zakłóceń fluktuacja fazowa RMS oscylatora kwarcowego wynosi tylko 90 fs, co oznacza, że zakłócenia te stanowią 60% całkowitego jittera. Zaawansowana technologia PLL integer-N firmy SiTime zapewnia mniejszy szum fazowy i niższy jitter bez artefaktów, jakie pokazano na rysunku.
Rys.2. Porównanie szumu fazowego pomiędzy oscylatorem SiT9501 MEMS (jitter RMS: 70,629 femtosekund) i oscylatorem kwarcowym opartym na PLL (z zakłóceniami).
Ponieważ nowoczesne moduły optyczne powinny zwiększać szybkości transmisji danych od 2× do 4×, komponenty zawarte w module muszą zapewniać możliwość poprawy parametrów bez zwiększania wymagań dotyczących zajmowanego na PCB miejsca. Oscylator różnicowy SiT9501 jest optymalnym rozwiązaniem dla projektów 400 Gbit/s i 800 Gbit/s, ponieważ oferuje mniejsze rozmiary z jitterem fazowym wynoszącym zaledwie 70 fs RMS, nie wpływając na wydajność. Ponadto oscylator SiT9501 (w obudowie o wielkości 2,0 mm × 1,6 mm) zawiera w sobie rezystory polaryzacji źródła, co zmniejsza całkowite zapotrzebowanie na miejsce o 50% w porównaniu z obecnie używanymi rozwiązaniami oscylatora kwarcowego o wymiarach 2,5 × 2,0 mm.
Oscylator SiT9501 posiada, również wbudowany stabilizator napięcia, który filtruje zakłócenia zasilania i poprawia integralność sygnałów w projektach modułów. Zmniejszenie wielkości modułu czasowego, dzięki zintegrowanym funkcjom i niewielkim rozmiarom obudowy jest ważne, ponieważ ponad połowa modułu optycznego jest zużywana przez zespół lasera i związaną z nim elektronikę, pozostawiając niewiele miejsca na przetwarzanie sygnału i ścieżkę danych. Oszczędzając miejsce, producenci modułów mogą korzystać z dodatkowych funkcji.
Aby sprostać ścisłym ograniczeniom prądu w modułach optycznych, usunięcie dwóch rezystorów polaryzujących prowadzi do obniżenia poboru prądu o 32 mA. SiT9501 wprowadza, również technologię FlexSwing, która umożliwia fabryczne zaprogramowanie wahań napięcia różnicowego w unikalny sposób, aby spełnić wymagania dla dowolnego chipsetu. FlexSwing pozwala inżynierom na przystosowanie chipsetów niskonapięciowych z niestandardowymi poziomami napięcia do pracy z układem. Dostosowując się do dokładnych wymagań chipsetu, można wyeliminować typowe rozwiązania terminacji, zmniejszając prąd, nawet o 16 mA za pomocą wyjścia LVPECL sprzężonego stałoprądowo.
Rys.3. Porównanie powierzchni i zużycia energii tradycyjnego układu LVPECL z oscylatorem 2520 (po lewej) i układu oscylatora SiT9501 MEMS 2016 ze zintegrowanymi rezystorami polaryzacji źródła LVPECL (po prawej).
Ewolucja modułów optycznych do transmisji danych z prędkościami 400 Gbit/s i 800 Gbit/s napędzana jest obecnie przez nowe technologie i wymaga skoków wydajności bez zwiększania rozmiaru oraz zużycia energii. Co sprawia, że oscylatory są bardziej energooszczędne, zajmują mniej miejsca i generują mniejszy jitter. Dzięki innowacjom, takim jak zintegrowane rezystory polaryzacji i programowalne zakresy napięcia, oscylator różnicowy SiT9501 zmniejsza ogólne wymagania rozmiaru i zużycie energii przy zaledwie 70-fs RMS jitter fazy. Oscylatory MEMS firmy SiTime zapewniają innowacyjne rozwiązanie czasowe, które zaspokoi potrzeby producentów modułów optycznych i wymaga szybkiego skalowania wydajności, aby wspierać płynnie postępy w urządzeniach sieciowych.
Źródło: https://www.eeweb.com/expand-the-performance-limits-of-optical-modules-with-mems-based-oscillator-timing-technology/
Fajne? Ranking DIY
