Globalpress Electronics Summit 2011 FPGA-Zukunft ist optisch

Bradley Howe, Vice-President IC Engineering bei Altera: “Glasfaser wird bis zum Desktop kommen.“
Bradley Howe, Vice-President IC Engineering bei Altera: “Glasfaser wird bis zum Desktop kommen.“

Den zweiten Tag des Electronics Summit 2011 im kalifornischen Santa Cruz eröffnete Bradley Howe, Vice-President IC Engineering bei Altera, mit seinem Vortrag „The Optical Future“.

In der Zukunft erwarten wir, dass wir HD-Video in einer Sekunde herunter laden können, dass wir 3D-Videokonferenzen mit dem Mobiltelefon machen können und Videoüberwachungssysteme in Echtzeit Alarm auslösen können.

Die heutigen Telekommunikationsnetze schaffen das nicht und haben sich in ihrer Topologie in letzter Zeit kaum verändert. Die Kupferleitungen sind das Problem. Kupferleitungen sind durch Leitungsverluste sowie durch eine begrenzte Signalreichweite gekennzeichnet, sie erfordern komplexes Signalrouting und teurere hochwertige Leiterplattenmaterialien.

Bei Kupferleitungen steigen die Verluste mit höheren Datenraten, allein von 10 Gbit/s auf 30 Gbit/s um den Faktor 3,5. Die Verluste lassen sich reduzieren, indem man leistungsfähigere Leiterplattenmaterialien benutzt. Anstelle von FR4 (3,5 dB/Zoll bei 30 Gbit/s) lässt sich mit N4000-13 EPSI 1,8 dB/Zoll und mit Megtron6 1dB/Zoll erreichen. Allerdings sind diese Materialien teuer. Mit aktiven Schaltungen lassen sich die Probleme der physikalischen Ausbreitung durch vorverzerrte und anschließend entzerrte Signale zu höheren Frequenzen und größeren Reichweiten verschieben.

Optische Verbindungen lösen diese Probleme auf einen Schlag. Optische Verbindungen sind verlustarm und bieten eine außerordentlich gute Reichweite und Skalierbarkeit. Gleichzeitig lassen sich günstige Leiterplattenmaterialien einsetzen. Derzeit sind optische Lösungen meist teurer als Kupferleitungen, aber ab einer bestimmten Datenrate wird der Aufwand, den man mit Kupferleitungen treiben muss, den Preis einer optischen Lösung überschreiten.

Howe ist überzeugt: „Glasfasern werden bis zum Desktop kommen“. Für Altera, die mit ihren FPGAs überall in Kommunikationsnetzen vertreten sind, sieht Howe die Integration von optischen Schnittstellen in FPGAs als nächsten logischen Schritt.

Daher plant Altera, die eigenen FPGAs mit optischen Anschlüssen auszustatten. Zunächst soll in 2011 ein Baustein als Demonstrator die Funktionsfähigkeit des Konzepts belegen. Optische Schnittstellen in FPGAs reduzieren die Systemkomplexität, die Kosten und die Leistungsaufnahme. Darüber hinaus verbessern sie die Signalintegrität im Vergleich zu Kupferleitungen drastisch. Howe sieht Vorteile für optische Verbindungen sowohl von Chip-zu-Chip, von Platine zu Platine und zwischen Chip und Backplane.

Ein wichtiges Element für die Integration optischer Schnittstellen ist die eigene Transceiver-Technologie. Altera verfügt über elektrische Transceiver mit Datenraten von 11,3 Gbit/s auf den 40-nm-FPGAs und 28 Gbit/s auf den neueren 28-nm-Chips. Bei der ersten Implementierung optischer Schnittstellen verfolgt Altera einen System-in-Package-Ansatz (SiP). Neben einem FPGA-Die wurden optische Transceiver integriert und im Gehäuse optische Steckverbinder untergebracht. Auf die Frage, ob Altera die photonischen Komponenten auch auf den FPGA-Chip integrieren kann, sagte Howe: „Ich glaube, dass der Masseneinsatz von Silizium-integrierter Photonik noch zehn Jahre in der Zukunft liegt.“ Er wollte allerdings nicht ausschließen, dass es später zu einer monolithischen Integration kommen könne. Im ersten Demonstrator möchte Altera mit Datenraten von 11,3 Gbit/s das Konzept bestätigen, was bedeutet, dass zunächst 40-nm-FPGAs zum Einsatz kommen. Howe könne sich aber auch vorstellen, 28 Gbit/s mit 28-nm-FPGAs bald zu testen.