SASE2011-Sistemas Comunicaciones Alta Velocidad CI CMOS

Sistemas de Comunicaciones de AltaVelocidad en CI CMOS

Hugo CarrerMarzo 2011

Temario1. Tecnico

Comunicaciones Digitales, un pantallazoProblema a resolverEsquema del flujo de diseoCiclo de vida

2. No tan tecnicoDonde se desarrolla esta tecnologiaQuienes son los clientes para esta tecnologiaQue se hace en Argentina?

SASE Marzo 2011 Pag. 1

Que son las CD?

Transmitir informacion digital de manera confiablede un punto a otro del espacio o del tiempo

RECEPTORCANALTRANSMISOR


Algunos EjemplosBus dentro de un P [ 4 106m]

O SASE Marzo 2011 Pag. 3

Algunos EjemplosBus dentro de un P [ 4 106m]Bus SCSI


Algunos EjemplosBus dentro de un P [ 4 106m]Bus SCSIHDD y SSD


Algunos EjemplosBus dentro de un P [ 4 106m]Bus SCSIHDD y SSDRed LAN UTP


Algunos EjemplosBus dentro de un P [ 4 106m]Bus SCSIHDD y SSDRed LAN UTPCD/DVD


Algunos EjemplosBus dentro de un P [ 4 106m]Bus SCSIHDD y SSDRed LAN UTPCD/DVDWiFi


Algunos EjemplosBus dentro de un P [ 4 106m]Bus SCSIHDD y SSDRed LAN UTPCD/DVDWiFiADSL


Algunos EjemplosBus dentro de un P [ 4 106m]Bus SCSIHDD y SSDRed LAN UTPCD/DVDWiFiADSLCelulares


Algunos EjemplosBus dentro de un P [ 4 106m]Bus SCSIHDD y SSDRed LAN UTPCD/DVDWiFiADSLCelularesAnillos Metro


Algunos EjemplosBus dentro de un P [ 4 106m]Bus SCSIHDD y SSDRed LAN UTPCD/DVDWiFiADSLCelularesAnillos MetroEnlaces de Largo Aliento


Algunos EjemplosBus dentro de un P [ 4 106m]Bus SCSIHDD y SSDRed LAN UTPCD/DVDWiFiADSLCelularesAnillos MetroEnlaces de Largo AlientoGPS


Algunos EjemplosBus dentro de un P [ 4 106m]Bus SCSIHDD y SSDRed LAN UTPCD/DVDWiFiADSLCelularesAnillos MetroEnlaces de Largo AlientoGPSTV Satelital


Algunos EjemplosBus dentro de un P [ 4 106m]Bus SCSIHDD y SSDRed LAN UTPCD/DVDWiFiADSLCelularesAnillos MetroEnlaces de Largo AlientoGPSTV SatelitalSondas de espacio profundo [1.5 1013m]


Un Ejemplo


Que cosas se busca mejorar?VELOCIDAD

PRECIOCONFIABILIDAD

DESEMPEO


Velocidad, Confiabilidad, Precio

La necesidad de los usuarios de mayores velocidadesde transmision es permanente y no parece tener limites.Segun la revista Spectrum de la IEEE la demanda deBW global crecio un %65 el ultimo ao. [Tb/s]Desde el punto de vista de los usuarios la confiabilidaddebe ser del 100% [BER=1e-18] (HDD 1 error cada 3aos)La necesidad de bajar el precio de los productos lleva abajar el costo de los componentes

La calidad de la seal recibida SIEMPRE empeora


Problema a ResolverFibra Optica 0km

1.5

1

0.5

0

0.5

1

1.5

0 2000 4000 6000 8000 10000

A

m

p

l

i

t

u

d

Muestra nro.

0km



3

2

1

0

1

2

3

0 2000 4000 6000 8000 10000

A

m

p

l

i

t

u

d

Muestra nro.

100km



3

2

1

0

1

2

3

4

0 2000 4000 6000 8000 10000

A

m

p

l

i

t

u

d

Muestra nro.

3000km


Herramientas MatematicasEqualizacion:

FFEDFEMLSEFFT basedetc.

Codigos:Reed-SolomonBCHConvolucionalesLDPCetc.

Combinados:Turbo CodigosIterativos


Implementacion

Todos estos algoritmos son complejos y de elevadacarga numericaDependiendo de la velocidad de transmision puedenimplementarse como:

Programas en un PLogica digital en una FPGALogica digital en un ASICCombinaciones de lo anterior


Fujo de Diseo


Diseo del SistemaPasos a Seguir:

Generar un modelo matematico del canalEstudiar la literaturaSimular el canal y las diferentes arquitecturasposiblesSeleccionar los mejores candidatos


Seleccion de la Arquitectura

Basados en:Los resultados de simulacion de alto nivelImplementabilidad de los algoritmos en la tecnologiaseleccionadaLiteraturaExperiencia previa

Se selecciona y detalla la arquitectura a implementarSe generan las especificaciones analogicas


Sistemas AnalogicosDiseo de los circuitos a partir de las especificacionesCircuitos tipicos en estos sistemas:

T&HComparadoresFuentes de corriente y tensionPLLFlip-FlopsOsciladoresDrivers

Simulacion de los esquematicosLayoutSimulacion de circuitos extractedIntegracion


Implementacion

Modelo del DSP de gran precision (clock & bit)Generacion del codigo RTL (Verilog, VHDL)Verificacion del codigo RTLSintesis por bloquesIntegracionSintesis conjunta


Implementacion (cont.)FloorplanningPlace and RouteIteracionesIntegracion con los sistemas analogicosVerificaciones de potenciaVerificaciones de densidad de corrienteVerificaciones de interferenciaVerificaciones de funcionalidadVerificaciones formalesTape Out


Verificacion del Dispositivo

Diseo de los tests de verificacionDiseo de la placa de evaluacionBring up AnalogicoBring up Digital


Lo Peor que Puede Pasar


Lo Peor que Puede Pasar

Dead Silicon


CaracterizacionCumple con las especificaciones y con losrequerimientos del cliente?

PerformancePotenciaNormasConfiabilidadCompatibilidad


Como Seguimos?


Como Seguimos?

Todo Bien?Mascaras de produccionDiseo de tests para AT


Como Seguimos?

Todo Bien?Mascaras de produccionDiseo de tests para AT

Algun Problema?Metal FixRespinMas drastico


Herramientas NecesariasComunicaciones digitalesDSPCircuitos digitalesCircuitos analogicosCircuitos CMOSManejo de las herramientas de CADAcceso al kit de procesoEquipos de medicionUn cliente o inversor


Caso Testigo: 40Gbps ASIC

Hasta hace muy poco tiempo, los receptores paracomunicaciones opticas se limitaban a detectar pulsos yrecuperar reloj

Circuitos analogicos de alta velocidad pero muysimplesAusencia de funciones de procesamiento electronicode seales

En los ultimos 5 aos las comunicaciones opticas hancomenzado a usar complejos receptores basados enProcesamiento Digital de Seales para compensar lasimperfecciones del canal optico, tales como dispersioncromatica, ruido, etc.


ModulacionEl metodo mas comun consiste en modular la intensidadde la luz transmitida

El receptor detecta la potencia optica recibida y laconvierte en una corriente mediante un fotodetectorNo se puede transmitir informacion de fase ni depolarizacion, lo cual hace que este metodo seasuboptimo

Un metodo alternativo es el de la modulacioncoherente

En este metodo se modula la amplitud, fase ypolarizacion de la seal opticaAl tener mas informacion sobre la seal, nosolamente se puede transmitir mas informacion, sinoque se pueden compensar mejor las imperfeccionesdel canal de transmision


Imperfecciones del Canal



Dispersion cromatica: Causada por la dependencia delindice de refraccion con respecto a la longitud de onda.Depende del ancho de linea del laser. Por ejemplo, para300km de fibra y un laser de 1550nm con un ancho delinea de 0.1nm, la dispersion es 17x0.1x300=510ps(aproximadamente 5 simbolos a 10Gbaudios)Dispersion modal de polarizacion: Causada por labirrenfringencia. Si el pulso de entrada exita ambascomponentes de polarizacion, el mismo se ensanchadebido a que las componentes tienen diferentesvelocidades de grupo. La birrenfringencia variaaleatoriamente a lo largo de la fibra. Ambos efectos, laPMD y el estado de polarizacion del laser son noestacionarios



Los amplificadores opticos introducen un tipo de ruidoconocido como Emision Espontanea Amplificada(Amplified Spontaneous Emission, o ASE)El ruido ASE se modela como ruido blanco GaussianocomplejoEl ruido de fase del laser se modela como un procesoWiener, la fase resultante es la integral de un procesoGaussiano blanco de media cero con una densidadespectral de potencia 2pi donde es el parametrode ancho de linea del laser, tipicamente en el rango de1MHz para laseres DFB y 10-100KHz para laseres decavidad externa (ECL)


Una solucion


ROSA y TOSA


Etapas Analogicas


Etapas de DSP


Bulk Chromatic Disp. Equalizer


Bulk Chromatic Disp. Equalizer

Suponiendo que la longitud de respuesta al Impulso es128T (256 muestras a T/2)El bloque de entrada consiste en 256 muestras a T/2El tamao de la FFT es 512El filtro se implementa en el dominio de la frecuenciautilizando el metodo overlap and saveEl tamao del bloque es el doble del bloque de entrada,o 512 muestras complejasLa mitad de estas muestras provienen de un nuevobloque de entrada y la otra mitad son repeticion delbloque de entrada previo


Feed Forward Equalizer


Floorplan del CL4010


Donde se Hacen estos ASIC?

DiseoEEUUEUROPAASIAARGENTINA

FabricacionASIA


Quienes son los Clientes?Integradores:

CISCOHuaweiNSNNECOclaroJDSUetc.

Global Carriers:AT&TTelmexNorteletc.


Que se puede hacer enla Argentina?



Diseo



DiseoFabricacion



DiseoFabricacionTesting


Clariphy Argentina S.A.CASA


Algunos Temas

Quienes somosQue hemos hechoQue podemos hacerQue planeamos hacer


Quienes SomosClariPhy Argentina S.A. (CASA) fu creada en el 2004por un grupo de investigadores del Laboratorio deComunicaciones Digitales de la Facultad de CienciasExactas, Fsicas y Naturales de la UNCSi bien esta asociada con una empresa extranjera,CASA es una empresa netamente argentinaCASA considera que una parte muy importante de sumisin es contribuir al desarrollo tecnolgico de nuestropasCASA cumple esa misin en base a acuerdos decolaboracion con entidades locales de investigacin ydesarrollo y en base a la creacin de oportunidadestcnicas para los ingenieros argentinos


Quienes somosEmpresa privada dedicada al diseo de CI para lastelecomunicacionesExistencia formal desde el 3er. trimestre de 2006 (8empleados)Certificacion ISO9001 del proceso productivo a finalesde 2007Estrecha relacion con las Universidades (UNC, UNS,UCC, etc.)

PasantiasBecasCursos de capacitacionPublicaciones

A la fecha somos33 Tecnicos3 Administrativos


Que hemos hechoCanales 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 withIntegrated AFE for Electronic DispersionCompensation of Multi-mode Optical Fibers at 10Gb/s(ISSCC 2008)

Canal Magnetico3Gbps Emulador de Read Channel en FPGA


Que Podemos Hacer

Sist

emas

RTL

Back

End

Dis.

Ana.

Lay.

Ana.

Brin

gup

GUI

Asis

t.Cl

iente

sCa

ract

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rdw

are

CL1010 (90nm) w w w w w w w w w wCL1011 (65nm) w w w w w w w w w wCL1161 (65nm) w w w w w w w w w w

CL1011C (65nm) w w w w w w w w w wCL1040 (40nm) w w w w w w w w w wCL4010 (40nm) w w w w w w w w w wMaRP (FPGA) Emulador de Read Channel en FPGA


Que Planeamos Hacer

Diseo del HardwareChip Lead (Ya tenemos el control del Top Level Digital)Un CI completo en CASAContinuar creciendo


Contacto

Hugo S. [email protected]

http://www.clariphy.com.ar


TemarioQue son las CD?Algunos EjemplosAlgunos EjemplosAlgunos EjemplosAlgunos EjemplosAlgunos EjemplosAlgunos EjemplosAlgunos EjemplosAlgunos EjemplosAlgunos EjemplosAlgunos EjemplosAlgunos EjemplosAlgunos EjemplosAlgunos Ejemplos

Un EjemploQue cosas se busca mejorar?Velocidad, Confiabilidad, PrecioProblema a ResolverProblema a ResolverProblema a ResolverHerramientas MatematicasImplementacionFujo de DiseoDiseo del SistemaSeleccion de la ArquitecturaSistemas AnalogicosImplementacionImplementacion (cont.)Verificacion del DispositivoLo Peor que Puede PasarLo Peor que Puede Pasar

CaracterizacionComo Seguimos?Como Seguimos?Como Seguimos?

Herramientas NecesariasCaso Testigo: 40Gbps ASICModulacionImperfecciones del Canal Imperfecciones del CanalImperfecciones del CanalImperfecciones del CanalUna solucionROSA y TOSAEtapas AnalogicasEtapas de DSPBulk Chromatic Disp. EqualizerBulk Chromatic Disp. EqualizerFeed Forward Equalizer Floorplan del CL4010Donde se Hacen estos ASIC?Quienes son los Clientes?Que se puede hacer en \la Argentina?Que se puede hacer en \la Argentina?Que se puede hacer en \la Argentina?Que se puede hacer en \la Argentina?

Clariphy Argentina S.A. \{lue CASA}Algunos TemasQuienes SomosQuienes somosQue hemos hechoQue Podemos HacerQue Planeamos HacerContacto

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